CN105671439B - 中碳钢非调质线材及其制造方法 - Google Patents

中碳钢非调质线材及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非调质线材，更为具体地，涉及一种室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材及其制造方法。

Description

中碳钢非调质线材及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种非调质线材，更为具体地，涉及一种室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材及其制造方法。
背景技术
一般情况下，中碳钢线材多用于冷加工，此时，为了提高中碳钢线材的加工特性，实施低温退火热处理或者球化热处理等热处理，在经过锻造等加工后，实施用于赋予物理性质的淬火和回火(quenching and tempering)热处理。
然而，对数字精度要求高的配件或者要求降低热处理费用的情况下，主要使用省略上述热处理的非调质钢。
所述非调质钢，在制造线材后不经过低温退火热处理和球化热处理，而是可以直接通过拉伸和直接冷锻来制造产品。如上所述，为了在不经过热处理的情况下制造产品，所述非调质线材需具备高韧性，目前已知的是，线材的细微组织尤其是铁素体分数对韧性产生影响。
另外，目前已知的提高非调质线材的韧性的方法有，通过添加能够固定Ti、Nb、V等铁素体晶界的碳化物和氮化物形成元素，并通过控制轧制来阻止奥氏体晶粒的微细化和粗大化，在奥氏体晶界形成铁素体，通过铁素体微细化来提高韧性。
然而，上述方法需控制好由Ti、Nb、V等形成的析出物，而且由于使用块铁(bloom)等，需将加热炉温度提高至1200℃以上，因此存在企业的使用受限制的缺点。
并且，作为经济性好的高韧性非调质钢的制造方法有，在0.2重量％中碳钢范围内利用包兴格效应(Bauschinger effect)来形成铁素体+珠光体层状组织的方法。
上述的层状组织具有可使钢的冲击韧性最大化以及利用普通碳钢的优点，但是，因层状组织而材料本身具有方向性，因此具有使用受限制的缺点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的一个方面，其目的在于提供一种通过控制组成成分和制造条件来提高非调质线材的室温加工性和低温韧性的中碳钢非调质线材及其制造方法。
(二)技术方案
本发明的一个方面，提供一种室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材，所述线材，以重量％计，包括：碳(C)：0.25～0.35％、硅(Si)：0.001～0.4％、锰(Mn)：1.0～1.8％、铝(Al)：0.01～0.05％、铌(Nb)：0.005～0.02％、磷(P)：0.005～0.015％、硫(S)：0.01％以下、氮(N)：0.01％以下、钒(V)：0.02～0.15％及钛(Ti)：0.005～0.02％中的一种以上元素，其余为由Fe及不可避免的杂质组成；细微组织为铁素体和珠光体复合组织，由铁素体-珠光体-铁素体层状组织组成。
本发明的另一个方面，提供一种室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材的制造方法，其包括以下步骤：准备满足所述组成成分的钢；将所述钢在低于1050℃的温度下加热处理150分钟以下；将所述被加热的钢在800～830℃的温度范围内实施热精轧；以及，在所述热精轧后，以0.5～1.0℃/s的冷却速度进行冷却。
(三)有益效果
根据本发明，在没有添加昂贵的元素的情况下，能够提供一种室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材。
具体实施方式
[实施发明的最优选方式]
本发明人对既满足用于汽车用配件的非调质线材所要具备的可靠性、品质等，又能降低制造成本的方案进行了深入研究，结果确认了可通过控制组成成分和制造条件来优化细微组织，确保适当的冲击韧性，从而能够提供一种室温以及低温冲击韧性优异的非调质线材，并最终完成了本发明。
下面，对本发明进行详细说明。
本发明的一个方面的室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材，以重量％计，优选包括：碳(C)：0.25～0.35％、硅(Si)：0.001～0.4％、锰(Mn)：1.0～1.8％、铝(Al)：0.01～0.05％、铌(Nb)：0.005～0.02％、磷(P)：0.005～0.015％、硫(S)：0.01％以下、氮(N)：0.01％以下、钒(V)：0.02～0.15％及钛(Ti)：0.005～0.02％中的一种以上元素。
下面，对本发明的中碳钢非调质线材中如上所述地控制组成成分的理由进行详细说明。在此，只要没有另外进行说明，成分元素的含量均表示重量％。
C：0.25～0.35％
在本发明中，当碳(C)的含量低于0.25％时，铁素体转变会过度，存在无法确保所要达到的强度的问题，与此相反，当C的含量超过0.35％时，铁素体转变不充分，而主要转变为珠光体，因此难以确保所要达到的冲击韧性。
因此，优选地，在本发明中将C的含量控制在0.25～0.35％。
Si：0.001～0.4％
硅(Si)是典型的置换型元素，对钢的加工硬化量产生很大影响。尤其，在不经过软化热处理工序，而是在拉伸后直接进行冷镦的非调质钢中，所述Si的含量增加会导致加工硬化增加，引发模具寿命的恶化。因此，优选地，将所述Si的含量控制在低含量，如果所述Si的含量超过0.4％，则钢的硬化量增加而导致柔软性下降，最终导致冲击韧性下降。
因此，优选地，在本发明中将Si的含量控制在0.4％以下，只是考虑到钢的制造工序，可包括0.001％以上的Si。
Mn：1.0～1.8％
锰(Mn)是在基体组织内形成置换型固溶体，并降低Al温度来使珠光体层之间的间隙微细化的元素。
为了得到上述效果，优选包括1.0％以上的Mn，然而，当Mn的含量超过1.8％时，存在发生基于锰偏析的组织不均匀的可能性增大的问题。尤其，进行冷却时根据冷却速度的偏差形成部分的贝氏体组织的可能性很高，因此，在之后进行钢加工时有可能发生内部龟裂。即，锰偏析因相比其他元素扩散系数相对低，因此助长偏析区，并由此而提高的淬透性会成为形成中心部位马氏体组织(core martensite)的主要原因。
另外，当所述Mn的含量低于1.0％时，虽然锰偏析对于偏析区的影响相对小，但是，由于珠光体层之间的间隙变粗大而可能对非调质线材的冲击韧性产生不利影响。
因此，优选地，在本发明中将Mn含量控制在1.0～1.8％。
Al：0.01～0.05％
铝(Al)不仅起到脱氧剂的作用，而且与钢中的氧结合而形成Al2O3氧化物，形成所述氧化物之后剩余的Al与N结合而形成AlN氮化物。
所述AlN氮化物具有抑制奥氏体晶粒的生长的效果，为了得到所述效果优选包括0.01％以上的Al。只是，当Al的含量超过0.05％时，会形成粗大的AlN氮化物，反而会妨碍钢的物理性质，因此不优选。
因此，优选地，在本发明中将Al的含量控制在0.01～0.05％。
Nb：0.005～0.02％
在本发明中，铌(Nb)具有限制奥氏体晶粒尺寸的效果，所述Nb是根据碳含量的不同其溶解度受较大的影响的元素，因此需要适当控制其含量。当所述Nb的含量低于0.005％时，不能充分地形成Nb析出物，因此难以控制奥氏体晶粒尺寸，相反，当所述Nb的含量超过0.02％时，会形成粗大的析出物，存在降低钢的冲击韧性的问题。
因此，优选地，在本发明中将Nb的含量控制在0.005～0.02％。
P：0.005～0.015％
磷(P)偏析在晶界，是妨碍韧性，降低耐延迟断裂性能的主要原因，因此，优选地，其含量尽量低。优选地，在本发明中将所述P的含量控制在0.015％以下，但是为了提高基于所述P的耐氧化性，其含量优选为0.005％以上。
因此，优选地，在本发明中将P的含量控制在0.005～0.015％。
S：0.01％以下(0除外)
硫(S)是低熔点元素，偏析在晶界而降低韧性，并形成硫化物，对耐延迟断裂性能及应力松弛特性产生不利影响，因此，优选地，其含量尽量低。只是，所述S与Mn结合而形成MnS，将有效提高切削性，考虑到该因素，优选地，将所述S的含量控制在0.01％以下(0除外)。
N：0.01％以下(0除外)
氮(N)与析出物生成元素结合而生成各种氮化物等。所述氮化物起到限制奥氏体晶粒尺寸的作用，当N的含量超过0.01％时，大部分的氮化物变粗大而反而会使钢的物理性质低下。因此，考虑到这种因素，优选地，在本发明中将N的含量控制在0.01％以下(0除外)。
除了上述成分之外，优选地，本发明的中碳钢非调质线材还包括V：0.02～0.15％和Ti：0.005～0.02％中的一种以上元素。所述V和Ti是除上述Nb之外形成碳化物和氮化物的重要元素。
钒(V)形成VC、VN、V(C、N)等，当这些碳化物和氮化物伴随着适当的轧制时，使铁素体微细化，具有提高非调质线材的韧性的效果。当所述V的含量低于0.02％时，V基析出物的分布减少，不能充分地固定铁素体晶界，从而提高韧性的效果变弱，相反，当所述V的含量超过0.15％时，会形成粗大的析出物，因此反而会存在降低韧性的问题。
钛(Ti)与氮和碳结合而生成碳化物和氮化物，具有限制奥氏体晶粒尺寸的效果。当所述Ti的含量低于0.005％时，Ti基析出物的分布减少，无法充分得到上述效果，相反，当所述Ti的含量超过0.02％时，会形成粗大的析出物，存在作为夹杂物断裂的主要断裂生成点的可能性变高的问题。
除了上述的组成成分之外，本发明的中碳钢非调质线材的其余成分由Fe和不可避免的杂质组成。
优选地，满足上述组成成分的本发明的中碳钢非调质线材，其细微组织由铁素体和珠光体复合组织组成，更优选地，所述复合组织由铁素体-珠光体-铁素体的层状组织组成。
此时，所述铁素体的面积分数更优选为50～70％。当所述铁素体的面积分数低于50％时，因钢的强度过度提高而有可能导致钢加工性急剧下降，相反，当所述铁素体的面积分数超过70％时，虽然钢加工性提高，但是可能无法确保所要达到的钢的强度。
本发明的细微组织即铁素体-珠光体-铁素体连续的层状组织对钢的冲击韧性产生影响，这是因为向层状组织的直角方向施加冲击而龟裂传播时，龟裂在所述层状组织的界面受阻而其传播被抑制住的效果所造成的。
此时，如果所述铁素体晶粒不能充分延伸，则存在所述龟裂传播的阻断效果减弱的问题。
因此，优选地，在本发明中从轧制方向的平行截面即L截面观察时，所述铁素体的纵横比(长轴/短轴，aspect ratio)控制在2以上，并且，所述铁素体晶粒的平均短轴长度优选为10μm以下(0除外)。
并且，优选地，在轧制方向的直角截面即C截面从钢表面到0.2D深度内的铁素体晶粒的纵横比(长轴/短轴)控制在3以下，其中，所述D表示直径(diameter)。
与此同时，优选地，控制所述铁素体晶粒尺寸的偏差和珠光体束尺寸的偏差，以确保本发明的非调质线材的均匀的物理性质。
部分粗大的铁素体或者珠光体对钢的拉伸强度或者室温冲击韧性不会产生大的影响，但是，在低温韧性的情况下，有可能导致偏差的发生。目前已知的是，晶界的P偏析对钢的低温韧性产生影响，此时，晶粒尺寸可降低单位面积的P的偏析程度，这对钢的低温韧性产生影响。
因此，为了保持不经过额外的热处理工序的本发明的非调质线材具有均匀的物理性质，优选地，晶粒尺寸整体上均匀。
因此，优选地，在本发明中所述铁素体晶粒尺寸的偏差和珠光体束尺寸的偏差分别满足以下关系式，所述珠光体束尺寸的最大偏差(最大值－最小值)优选为平均30μm以下。
[关系式]
(晶粒(或者束)最大尺寸－平均晶粒(或者束)尺寸)/(平均晶粒(或者束)尺寸)＜1.5
并且，优选地，本发明的中碳钢非调质线材在钢中包括Nb基析出物和Ti基析出物和/或V基析出物，此时，析出物优选为NbC和VC、VN、V(C、N)、TiC及TiN中的一种以上。
尤其，所述全部析出物的体积分数与平均直径小于70nm的析出物的体积分数比优选为0.5以上，当所述体积分数比小于0.5时，无法抑制奥氏体晶粒的生长。
如上所述的析出物的晶粒生长抑制效果是缘于在晶界存在析出物时对应面积的表面能量减少，为了实现所述效果，需要保持析出物与基体相的匹配性。不同的析出物的失去与基体相的匹配性的尺寸存在差异，大体上最大尺寸为70nm以上时会失去匹配性。
因此，优选地，本发明的钢主要包括平均直径小于70nm的Nb基析出物和Ti基析出物和/或V基析出物，当所包括的析出物满足所述体积分数时，能够得到奥氏体晶粒尺寸的抑制效果。
如上所述，全部满足钢组成成分和细微组织的本发明的中碳钢非调质线材具有如下特征：室温冲击韧性(U-notch)为150J以上而非常优异，而且能够确保在﹣40℃温度下的低温冲击韧性为100J以上。
下面，对本发明的室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材的制造方法进行详细说明。
以下的制造方法只是表示本发明的中碳钢非调质线材的制造方法的优选实施例，其制造方法并不限定于此。
首先，准备满足上述组成成分的钢之后，优选地，在低于1050℃的温度下加热处理150分钟以下。
所述加热处理是在被加热至低于1050℃的加热炉中进行，如果所述加热炉的温度达到1050℃以上，则钢中形成的析出物会熔解，导致奥氏体晶粒的固定效果变弱，形成粗大的奥氏体，最终对形成铁素体核产生影响，会存在整体的铁素体分数下降的问题。并且，当加热时间超过150分钟而过长时，有可能析出物生长而变粗大，因此不优选。即，加热炉的温度越高且加热时间越长，析出物变得越粗大，因此，为了通过保持析出物和基体相的匹配性来得到奥氏体晶粒尺寸抑制效果，优选地，在限定的时间内进行低温加热。
因此，优选地，本发明的加热处理是在低于1050℃的温度下加热处理150分钟以下，更优选地，在大于950℃且低于1050℃的温度范围内加热处理60～150分钟。
优选地，将如上所述地被加热处理的钢进行热精轧。
在进行所述热精轧时，温度对奥氏体晶粒尺寸产生较大的影响，因此，为了得到所要达到的细微组织，优选地，在800～830℃的温度范围内实施热精轧。
当热精轧温度低于800℃时，因温度处于两相区温度范围，不仅会将强度提高至所需强度以上，而且还可能对冲击韧性的提高产生不利影响，因此不优选。相反，当热精轧温度超过830℃时，因粗大的奥氏体晶粒而最终的铁素体分数减少，导致韧性下降。
如上所述地进行热精轧后，优选地，以0.5～1.0℃/s的冷却速度实施冷却工序。
当冷却时的冷却速度小于0.5℃/s时，在冷却过程中奥氏体晶粒和铁素体晶粒生长，因此，钢的物理性质过于软氮化而存在无法达到目标强度的问题，相反，当冷却速度超过1.0℃/s时，形成低温组织，在加工时有可能产生内部龟裂，因此不优选。
下面，通过实施例更加详细地说明本发明。只是，下述的实施例是为了更加详细说明本发明而示例的，其并不限定本发明的权利范围。本发明的权利范围由权利要求书记载的内容和由此合理推导的内容来决定。
[实施发明的方式]
(实施例)
首先，准备具有如以下表1所示的组成成分的钢。将所准备的钢作为样本，铸造成50kg的钢锭(ingot)，然后在1200℃的温度下将所述钢锭进行20小时的同质化热处理，接着风冷至室温。之后，将各材料焊接在160mm的方形钢坯(billet)的后端，并在实际的线材冷却线上实施热轧。此时，加热炉提取温度为1050℃，在以下表2中所示的各种条件下分别实施150分钟以内的加热。并且，所述热轧是26mm的材料，其温度条件表示在以下表2中。在所述热轧之后，将各个线材均以0.5～1.0℃/s的冷却速度进行冷却。
测量如上所述地制造的各个线材的细微组织和冲击韧性，并将其结果表示在以下的表2中。
此时，所述冲击韧性是在室温(20℃)和﹣40℃的温度下分别进行测量，制作成10×10mm规格的试片后，利用U形缺口(U-notch)进行测量。
并且，铁素体的纵横比是通过观察轧制方向的平行的面(L截面)的细微组织来进行测量，铁素体晶粒的平均短轴长度是通过测量铁素体-珠光体-铁素体层状组织内的铁素体厚度来得出平均值。
珠光体束的最大尺寸是观察轧制方向的垂直面(C截面)的细微组织，将表面点、1/4t点(t：厚度)及中心点分别以200倍进行观察后测量珠光体直径，并得出(最大值(μm)－最小值(μm))的差，然后其值的平均值表示在以下的表2中。
[表1]
[表2]
在所述表2中，“纵横比”表示L截面的铁素体的长轴/短轴比，“晶粒短轴长度”表示铁素体晶粒的平均短轴长度(μm)。
如所述表2中所示，通过观察L截面可确认，当铁素体的纵横比为2以上，且珠光体束的最大偏差越小时钢的韧性即室温及低温下的冲击韧性提高。
尤其，均满足本发明中所提出的组成成分以及制造条件的发明例1至发明例5，珠光体束的最大偏差为25μm以下，且室温下的冲击韧性为150J以上，﹣40℃下的冲击韧性为100J以上，由此可确认其室温加工性和低温冲击韧性均优异。
另外，作为与铁素体分数相关的工序因子，热精轧温度和冷却速度对其产生的影响最大，当热精轧温度过高时(比较例1至比较例13)，对冲击韧性产生坏影响，在钢的组成成分中，当形成有效抑制奥氏体晶粒尺寸的析出物的元素的组成成分不满足本发明时，珠光体束的最大偏差为30μm以上而变得过大，导致室温和低温下的冲击韧性均很差。

Claims (9)

1.一种室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材，所述线材，以重量％计，包括：碳(C)：0.25～0.35％、硅(Si)：0.001～0.4％、锰(Mn)：1.0～1.8％、铝(Al)：0.01～0.05％、铌(Nb)：0.005～0.02％、磷(P)：0.005～0.015％、硫(S)：0.01％以下、氮(N)：0.01％以下、钒(V)：0.02～0.15％及钛(Ti)：0.005～0.02％中的一种以上元素，其余为由Fe及不可避免的杂质组成；细微组织为面积分数50～70％的铁素体和其余珠光体复合组织，由铁素体-珠光体-铁素体层状组织组成。
2.根据权利要求1所述的室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材，所述线材的轧制方向的平行截面即L截面的铁素体纵横比(长轴/短轴)为2以上，所述铁素体晶粒的平均短轴长度为10μm以下，0除外。
3.根据权利要求1所述的室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材，所述线材的轧制方向的直角截面即C截面的从表面到0.2D深度内的铁素体晶粒的纵横比(长轴/短轴)为3以下，其中，所述D表示直径。
4.根据权利要求1所述的室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材，所述铁素体晶粒尺寸的偏差和珠光体束尺寸的偏差分别满足以下关系式，所述珠光体束尺寸的最大偏差(最大值－最小值)为30μm以下，
[关系式]
(晶粒或者束的最大尺寸－平均晶粒或者束的尺寸)/(平均晶粒或者束的尺寸)＜1.5。
5.根据权利要求1所述的室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材，所述线材包括Nb基析出物和V基析出物和/或Ti基析出物，所述全部析出物的体积分数与平均直径小于70nm的析出物的体积分数比为0.5以上。
6.根据权利要求1所述的室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材，所述线材的室温冲击韧性为150J以上，在﹣40℃下的低温冲击韧性为100J以上。
7.一种室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材的制造方法，其包括以下步骤：
准备钢，所述钢，以重量％计，包括：碳(C)：0.25～0.35％、硅(Si)：0.001～0.4％、锰(Mn)：1.0～1.8％、铝(Al)：0.01～0.05％、铌(Nb)：0.005～0.02％、磷(P)：0.005～0.015％、硫(S)：0.01％以下、氮(N)：0.01％以下、钒(V)：0.02～0.15％及钛(Ti)：0.005～0.02％中的一种以上元素，其余为由Fe及不可避免的杂质组成；
将所述钢在低于1050℃的温度下加热处理150分钟以下；
将所述被加热的钢在800～830℃的温度范围内实施热精轧；以及
在所述热精轧后，以0.5～1.0℃/s的冷却速度进行冷却。
8.根据权利要求7所述的室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材的制造方法，所述冷却后，轧制方向的平行截面即L截面的铁素体纵横比(长轴/短轴)为2以上，所述铁素体晶粒的平均短轴长度为10μm以下，0除外，所述珠光体束尺寸的最大偏差(最大值－最小值)为30μm以下。
9.根据权利要求7所述的室温加工性和低温冲击韧性优异的中碳钢非调质线材的制造方法，所述冷却后，轧制方向的直角截面即C截面的从钢表面到0.2D深度内的铁素体晶粒的纵横比(长轴/短轴)为3以下，其中，所述D表示直径。
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