CN107557663A - 拉伸加工性优异的线材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一方面涉及一种拉伸加工性优异的线材，以重量％计，其包括：C：0.4～0.7％、Si：1.2～2.3％、Mn：0.1～1.0％、Cr：0.1～1.0％、Al：0.01％以下、Ti：0.01％以下、N：0.001～0.007％及余量Fe和不可避免的杂质，且满足以下关系式1，存在的夹杂物为1050个/mm2以下，所述夹杂物中，含有Al2O3的夹杂物的比率为28％以下，含有TiN的夹杂物的比率为15％以下，关系式1：0.002≤0.67Al+0.5Ti≤0.011，其中，所述关系式1中的各元素符号是以重量％表示各元素含量的值。

Description

拉伸加工性优异的线材及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种拉伸加工性优异的线材及其制造方法。
背景技术
汽车所使用的弹簧主要包括用于离合器、发动机、燃料喷射装置等的弹簧(以下称为“发动机气门弹簧”)或用于缓和路面传递的冲击的悬架装置的悬架弹簧等。
一般而言，在发动机气门弹簧或悬架弹簧的制造工艺中，必需经过将原材料即线材的直径变成最终弹簧产品的线径的拉伸工艺，拉伸工艺在弹簧制造工艺中占据相当重要的部分，因此，为了提高拉伸加工性而进行了各种尝试。
例如，根据专利文献1的记载，在整体组织中，珠光体组织所占的面积率为85％以上，且以0.0010～0.0050％的范围添加B时，可将BN的尺寸限制在一定程度以下，从而能够获得拉伸加工性和拉伸后的疲劳特性优异的弹簧用钢线材。但是，BN的硬度非常高，堪比钻石，因此，弹簧用钢线材中实际包含BN时，若未将其尺寸限制在数十nm以下，反而可能会增大损害拉伸加工性。
并且，专利文献2记载了可通过将珠光体团的粒度编号的平均值及其标准偏差控制在一定程度来提供拉伸性优异的高强度弹簧用钢线材。尤其，记载了珠光体团的粒度编号平均值Pave应为9.5以上且12.0以下，但为了获得具有这种程度的粒度编号的珠光体组织，需要进行热轧及收卷后加快冷却速度，这种情况下，生成马氏体或贝氏体等低温组织的可能性将增大，易降低生产性。
另外，专利文献3中公开了一种弹簧用钢线材及制造方法，即，对弹簧用钢线材进行退火后，使得600～550℃温度区域的平均冷却速度成为3℃/s以上，以3～20g/m2的附着量在钢线材的基材铁表面上形成含有50体积％以上的磁铁矿(Fe3O4)和20体积％以上的赤铁矿(Fe2O3)的氧化覆膜，由此在基材铁表层形成干式润滑剂的运载性优异的氧化覆膜，即使退火后不进行氧化覆膜的去除或磷化处理等覆膜处理，也能通过干式拉伸发挥良好的拉伸性能。但是，对于专利文献3，当以大量的减面率拉伸内部存在Al2O3或TiN等硬质夹杂物的弹簧用钢线材时，仅通过氧化覆膜，难以获得良好的拉伸性，必需进行磷化处理才能获得良好的拉伸性。
众所周知，夹杂物通常对经过拉伸工艺加工成产品的线材的拉伸加工性造成恶劣影响。尤其，当线材内部存在Al2O3等硬质氧化物系夹杂物或硬度大于Al2O3的TiN等时，相比不存在上述物质的情况，大幅增加拉拔及拉伸加工中发生断线(breakage)的危险，因此拉伸减面率越大，减少硬质夹杂物变得越重要。但是，目前未明确公开这种硬质夹杂物的数量或尺寸对拉伸加工性造成的影响以及用于确保清洁度和拉伸加工性的最佳合金组成。
现有技术文献
专利文献1：日本公开专利公报第2012-214841号
专利文献2：韩国公开专利公报第2013-0035274号
专利文献3：日本公开专利公报第2014-169470号
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的一方面的目的在于，提供一种将弹簧用钢中存在的Al2O3、TiN等硬质夹杂物的尺寸和数量控制在一定程度以下，以确保优异的拉伸加工性，且具有用于确保优异的清洁度和所述夹杂物的尺寸和数量的最佳合金组成的拉伸加工性优异的弹簧用线材及其制造方法。
另外，本发明的技术问题并不限定于上述内容。本发明的技术问题可通过本说明书的整体内容来理解，本发明所属技术领域的普通技术人员能够毫无困难地理解本发明的附加技术问题。
(二)技术方案
本发明的一方面涉及一种拉伸加工性优异的线材，其以重量％计，包括：C：0.4～0.7％、Si：1.2～2.3％、Mn：0.1～1.0％、Cr：0.1～1.0％、Al：0.01％以下、Ti：0.01％以下、N：0.001～0.007％及余量Fe和其他不可避免的杂质，且满足以下关系式1，存在的夹杂物为1050个/mm2以下，所述夹杂物中，含有Al2O3的夹杂物的比率为28％以下，含有TiN的夹杂物的比率为15％以下。
并且，本发明的另一方面涉及一种拉伸加工性优异的线材的制造方法，包括以下步骤：将钢坯加热，所述钢坯以重量％计，包括：C：0.4～0.7％、Si：1.2～2.3％、Mn：0.1～1.0％、Cr：0.1～1.0％、Al：0.01％以下、Ti：0.01％以下、N：0.001～0.007％及余量Fe和其他不可避免的杂质，且满足以下关系式1；对所述加热的钢坯进行热轧，以获得线材；以及对所述线材进行冷却。
关系式1：0.002≤0.67Al+0.5Ti≤0.011
所述关系式1中的各元素符号是以重量％表示各元素含量的值。
而且，上述技术方案并未列举本发明的全部特征。可通过以下具体实施方式更详细地理解本发明的多种特征及其优点和效果。
(三)有益效果
本发明的效果在于，提供一种将弹簧用钢中存在的Al2O3、TiN等硬质夹杂物的尺寸和数量控制在一定程度以下，以确保优异的拉伸加工性，且具有用于确保优异的清洁度和所述夹杂物的尺寸和数量的最佳合金组成的拉伸加工性优异的弹簧用线材及其制造方法。
附图说明
图1是示出基于0.67Al+0.5Ti值的钢中氧含量的图表。
图2是示出用于测定夹杂物的总数量和尺寸的试片采集方法的线材的模式图。
图3是示出采集的试片中的夹杂物观察面的模式图。
图4是拍摄比较例1的夹杂物的照片。
图5是拍摄比较例2的夹杂物的照片。
图6是拍摄比较例3的夹杂物的照片。
具体实施方式
以下，说明本发明的优选实施方式。但是，本发明的实施方式可以以多种不同方式进行变形，本发明的范围并不限定于以下说明的实施方式。并且，本发明的实施方式是为了向本发明所属技术领域的普通技术人员更完整地说明本发明而提供的。
发明人了解到提高拉伸加工性需抑制夹杂物，但夹杂物的数量或尺寸对拉伸加工性造成的影响未得到明确公开，且用于确保清洁度和拉伸加工性的最佳合金组成也未得到明确公开，因此，为了解决所述问题而进行了深入的研究。
最终确认到，将弹簧用钢中存在的Al2O3、TiN等硬质夹杂物的尺寸和数量控制在一定程度以下，能确保优异的拉伸加工性，为了同时确保优异的清洁度和所述夹杂物的尺寸和数量，需要精确地控制作为夹杂物生成元素的Al及Ti含量的合金组成，从而完成了本发明。
以下，对本发明的一方面的拉伸加工性优异的线材进行详细说明。
本发明的一方面的拉伸加工性优异的线材，以重量％计，包括：C：0.4～0.7％、Si：1.2～2.3％、Mn：0.1～1.0％、Cr：0.1～1.0％、Al：0.01％以下、Ti：0.01％以下、N：0.001～0.007％及余量Fe和其他不可避免的杂质，且满足以下关系式1，存在的夹杂物为1050个/mm2以下，所述夹杂物中，含有Al2O3的夹杂物的比率为28％以下，含有TiN的夹杂物的比率为15％以下。
首先，对本发明的一方面的拉伸加工性优异的线材的合金组成进行详细说明。以下，各元素含量的单位是重量％。
C：0.4～0.7％
C是为了确保弹簧的强度而添加的必不可少的元素。
C含量小于0.4％时，难以确保充分的强度。但是，C含量超过0.7％时，淬火或回火热处理时形成孪晶(twin)型马氏体组织，并发生材料裂纹，从而除了疲劳寿命显著降低之外，缺陷敏感性也可能会变高。因此，C含量优选为0.4～0.7％。
Si：1.2～2.3％
Si是固溶到铁素体内以起到强化母材强度并改善抗永久变形能力(SagResistance)的作用的元素。
Si含量小于1.2％时，Si固溶到铁素体内以强化母材强度并改善抗永久变形能力的效果不充分。因此，Si含量优选为1.2％以上，为了确保更充分的效果，更优选为添加1.4％以上。
但是，Si含量超过2.3％时，抗永久变形能力的改善效果饱和，不仅无法获得额外添加的效果，在热处理时还会助长表面脱碳。
Mn：0.1～1.0％
Mn是存在于钢材内时提高钢材的淬透性以确保强度的有效元素。
Mn含量小于0.1％时，难以获得作为高强度弹簧用材料所需的充分的强度和淬透性。但是，Mn含量超过1.0％时，韧性降低而导致缺陷敏感性变高，可能成为减少寿命的原因。因此，Mn含量优选为0.1～1.0％。
Cr：0.1～1.0％
Cr是确保抗氧化性、回火软化性、防止表面脱碳并确保淬透性的有效元素。
Cr含量小于0.1％时，难以确保充分的抗氧化性、回火软化性、防止表面脱碳及淬透性效果等。但是，Cr含量超过1.0％时，会导致变形抗力降低，从而引发强度的降低。因此，Cr含量优选为0.1～1.0％。
Al：0.01％以下
若过多添加Al，作为硬质夹杂物的Al2O3会增多，而且其尺寸也容易变得粗大，因此，Al含量优选抑制在0.01％以下。
Ti：0.01％以下
若过多添加Ti，作为硬质夹杂物的TiN会增多，而且其尺寸也容易变得粗大，因此，Ti含量优选抑制在0.01％以下。
关系式1：0.002≤0.67Al+0.5Ti≤0.011
本发明中，Al和Ti分别添加0.01％以下，且需控制含量以满足所述关系式1。所述关系式1是考虑到两种元素的脱氧能力而设计的，用于提高清洁度并使夹杂物最小化。以往清洁度一般是指非金属夹杂物的总量，但最近根据钢材用途的需求特性，清洁度不仅指夹杂物的总量，还指其尺寸、形状、延展性、组成等，对夹杂物的尺寸和数量造成较大影响。所述清洁度可通过钢中存在的氧值来评价。
众所周知，以往只有最大限度地抑制Al和Ti含量，才能使夹杂物最小化，由此提高拉伸加工性。但在炼钢时Al和Ti是用作脱氧剂，考虑到两种元素的脱氧能力而设计的所述关系式1小于0.002时，钢中存在的氧含量将变高，导致清洁度变差，与所述关系式1为0.002以上时相比，反而会使含有Al2O3的夹杂物或含有TiN的夹杂物的比率增加，或者生成粗大的夹杂物，导致拉伸加工性变差。因此，关系式1的下限优选为0.002。
但是，所述关系式1的上限是考虑到Al和Ti的上限而设定的值，关系式1的值超过0.011时，作为硬质夹杂物的Al2O3或TiN会增多，而且其尺寸也容易变得粗大。
此时，通过满足所述关系式1、Al及Ti的各含量，线材的钢中氧含量可以为15重量ppm以下。
N：0.001～0.007％
N与Ti结合而形成作为硬质夹杂物的TiN，并在拉伸加工中引发断线。因此，N含量优选抑制在0.007％以下。但是，为了将N含量抑制为0％，需要过多的制造费用，因此考虑到实际操作条件，N含量的下限优选为0.001％。
本发明的剩余成分是铁(Fe)。但是，在普通的制造过程中，从原料或周围环境中会不可避免地混入杂质，因此，无法排除这些杂质。这些杂质是普通的制造过程的技术人员皆知的，因此本说明书中不作特别说明。
此时，除上述的合金组成之外，以重量％计，还可进一步包括：V：0.001～0.3％、Mo：0.001～0.5％、Cu：0.05～0.5％及Ni：0.05～0.5％中的一种以上。
V：0.001～0.3％
V是有助于强度的提高和晶粒微细化的元素，为了有效发挥其效果，优选添加0.001％以上。但是，若V含量过多，会提高制造成本，因此，V含量的上限优选为0.3％。
Mo：0.001～0.5％
Mo是与碳或氮形成碳氮化物而有助于组织微细化的元素，为了有效发挥其效果，优选添加0.001％以上。但是，若Mo含量过多，会形成粗大的碳氮化物，可能降低钢材的延展性，因此，Mo含量的上限优选为0.5％。
Cu：0.05～0.5％
Cu是具有提高耐蚀性的作用的元素。Cu含量小于0.05％时，耐蚀性提高效果不充分，Cu含量超过0.5％时，可能引发热轧中的裂纹等问题。
Ni：0.05～0.5％
Ni是为了改善淬透性和韧性而添加的元素。Ni含量小于0.05％时，淬透性和韧性的改善效果不充分，Ni含量超过0.5％时，残留奥氏体的量增加而减少疲劳寿命，且因Ni的价格昂贵的特性，会导致制造成本的上升。
以下，对本发明的一方面的线材的夹杂物进行详细说明。
本发明的一方面的线材中存在的夹杂物为1050个/mm2以下，所述夹杂物中，含有Al2O3的夹杂物的比率为28％以下，含有TiN的夹杂物的比率为15％以下。
夹杂物对如弹簧等一般经过拉伸工艺加工成产品的线材的拉伸加工性造成恶劣影响。尤其，硬度为2100Hv左右的Al2O3或硬度为2400Hv左右的TiN等硬质夹杂物越多，拉伸加工性越差，拉伸减面率越大，夹杂物对拉伸加工性造成的影响度越大。夹杂物若不满足上述条件时，拉伸加工性会变差。
此时，优选地，所述夹杂物的长度为18μm以下，等效圆直径为24μm以下，各等效圆直径尺寸对应的数量满足以下(1)至(3)。
(1)超过5μm且10μm以下的夹杂物≤20个/mm2
(2)超过10μm且15μm以下的夹杂物≤6个/mm2
(3)超过15μm且20μm以下的夹杂物≤4个/mm2
当夹杂物不满足所述长度、等效圆直径或各等效圆直径尺寸对应的数量时，拉伸加工性会变差。
另外，本发明线材的微细组织可包括95面积％以上的珠光体。这是为了确保拉伸加工性。
并且，本发明线材的拉伸减面率可以是75％以上。在此，拉伸减面率是指[(拉伸前截面积)-(拉伸后截面积)]/(拉伸前截面积)×100(％)。
本发明的另一方面的拉伸加工性优异的线材的制造方法包括如下步骤：对满足上述合金组成的钢坯进行加热；对所述加热的钢坯进行热轧，以获得线材；以及对所述线材进行冷却。
无需特别控制制造条件或追加其他工艺，也能通过满足上述的合金组成来控制夹杂物，因此可利用普通的线材制造工艺。
例如，可以将钢坯加热至950～1150℃的温度范围后，在800～1100℃的温度范围进行热轧并冷却，由此制造线材。
本发明的另一方面的弹簧的制造方法包括如下步骤：拉伸本发明的线材以制造钢丝；以及将所述钢丝成型为弹簧，以获得弹簧。
所述弹簧可以是用于离合器、发动机、燃料喷射装置等的弹簧(以下称为“发动机气门弹簧”)或用于缓和路面传递的冲击的悬架装置的悬架弹簧等。
例如，发动机气门弹簧的制造方法如下。为了去除线材表面存在的脱碳层或表面瑕疵而实施研磨工艺(shaving)，为了提高拉伸加工性，对实施研磨工艺的线材进行加热以使其奥氏体化，然后通过将其浸渍到600～700℃左右的铅浴槽或盐浴槽，以产生恒温相变的铅浴淬火(patenting)热处理，使其成为具有均匀的片层(lamella)间隔的珠光体组织。所述铅浴淬火热处理后，拉伸加工成所需的线径，然后为了确保机械物理性质而实施淬火及回火处理，并成型为弹簧形状之后，为了提高疲劳特性而实施喷丸处理(shot peening)，从而制造出发动机气门弹簧。
作为另一例，可通过热成型或冷成型制造悬架弹簧。冷成型是指将线材拉伸并制造成所需直径之后，经过感应加热热处理(Induction Heat Treatment)实施加热、快速冷却及回火，并对这样获得的弹簧用钢丝进行冷成型的方法，热成型是指将线材拉伸并制造成所需直径之后，进行加热的同时成型为弹簧，然后实施快速冷却和回火的方法。
下面通过实施例对本发明进行更具体的说明。但以下的实施例仅用于通过示例来更详细地说明本发明，而不是为了限定本发明的权利范围。这是因为本发明的权利范围是根据权利要求书所记载的事项和由此合理推出的事项而决定。
(实施例)
将具有下表1所示的成分组成的钢坯加热至1050℃，并在1030～830℃下实施热轧后进行冷却，制造出直径为6.5mmφ的线材。测定所述线材的钢中氧含量T[O]并记录在下表1中。下表1中N及T[O]的单位是重量ppm，其余元素含量的单位是重量％。
对所述制造的线材实施酸洗和磷化处理后，以每道次的减面率为15～20％，使用干式拉伸机拉伸到断线为止，将断线之前的相对总拉伸减面率作为拉伸加工性进行评价。在此，相对总拉伸减面率是指将比较材料1的断线之前的总拉伸减面率设为1时，其他比较材料和发明材料的断线为止的总拉伸减面率的相对值.
并且，测定夹杂物总数量、含有Al2O3或TiN的夹杂物的比率、各等效圆直径对应的夹杂物数量、夹杂物最大长度、夹杂物最大等效圆直径并记录在下表2中。
对于所述夹杂物的测定是通过以下方式进行，即，将直径为6.5mmφ的线材以20mm的长度分别切割成30个，并利用图像分析仪(image analyzer)对包括直径的中心部的轧制方向面(L方向的截面)上进行测定。其中，切割试片时，试片与试片之间隔开300mm的距离进行切割，由此采集试片，每个试片的观察面积为100mm2以上，观察时，必须包括上下表层部中的一处。图2是示出用于测定夹杂物的总数量和尺寸的试片采集方法的线材的模式图，图3是示出采集的试片中的夹杂物观察面的模式图。
[表1]
[表2]
全部满足本发明中提出的合金组成的发明材料在断线为止的相对总拉伸减面率为2.13～2.35，拉伸减面率相比比较材料高2倍以上，可以确认其拉伸加工性优异。
并且，可确认发明材料满足夹杂物总数量、含有Al2O3或TiN的夹杂物的比率、各等效圆直径对应的夹杂物数量、夹杂物最大长度、夹杂物最大等效圆直径。
相反，比较材料1及3中，因大量添加Ti或Al含量而形成了较多夹杂物，且夹杂物尺寸也大，因此拉伸加工性差。
可确认到比较材料2中，Ti和Al含量微少，但0.67Al+0.5Ti值低至0.001，钢中存在的氧含量(T[O])为26ppm而非常高，因此清洁度较差，拉伸加工性也差。
并且，相比Ti和Al含量大于比较材料2的发明材料，可知比较材料2的含有Al2O3的夹杂物和含有TiN的夹杂物的比率反而增加，生成了粗大的夹杂物。
比较材料4～6也满足本发明中提出的各元素的含量，但不满足本发明中提出的0.67Al+0.5Ti值，可确认其清洁度和拉伸加工性差。
图1是示出基于0.67Al+0.5Ti值的钢中氧含量的图表，可确认到满足本发明的0.67Al+0.5Ti值时，钢中存在的氧值(T[O])可以确保在15ppm以下，可确保优异的清洁度和拉伸加工性。
图4是比较材料1中夹杂物最大长度为42μm的夹杂物的照片，图5是示出比较材料2中含有TiN的夹杂物分布较多的照片，图6是比较材料3中最大等效圆直径为34μm的夹杂物的照片。
以上参照实施例进行了说明，本发明所属技术领域的普通技术人员可在不脱离权利要求书中记载的本发明的技术思想及领域的范围内，对本发明进行多种修改及变更。

Claims (8)

1.一种拉伸加工性优异的线材，以重量％计，其包括：C：0.4～0.7％、Si：1.2～2.3％、Mn：0.1～1.0％、Cr：0.1～1.0％、Al：0.01％以下、Ti：0.01％以下、N：0.001～0.007％及余量Fe和不可避免的杂质，且满足以下关系式1，
存在的夹杂物为1050个/mm2以下，
所述夹杂物中，含有Al2O3的夹杂物的比率为28％以下，含有TiN的夹杂物的比率为15％以下，
关系式1：0.002≤0.67Al+0.5Ti≤0.011
其中，所述关系式1中的各元素符号是以重量％表示各元素含量的值。
2.根据权利要求1所述的拉伸加工性优异的线材，其中，
以重量％计，所述线材还包括：V：0.001～0.3％、Mo：0.001～0.5％、Cu：0.05～0.5％及Ni：0.05～0.5％中的一种以上。
3.根据权利要求1所述的拉伸加工性优异的线材，其中，
所述夹杂物的长度为18μm以下，等效圆直径为24μm以下，
各等效圆直径尺寸对应的数量满足以下(1)至(3)，
(1)超过5μm且10μm以下的夹杂物≤20个/mm2，
(2)超过10μm且15μm以下的夹杂物≤6个/mm2，
(3)超过15μm且20μm以下的夹杂物≤4个/mm2。
4.根据权利要求1所述的拉伸加工性优异的线材，其中，
所述线材的钢中氧含量为15重量ppm以下。
5.根据权利要求1所述的拉伸加工性优异的线材，其中，
所述线材的拉伸减面率为75％以上。
6.一种拉伸加工性优异的线材的制造方法，包括以下步骤：
将钢坯加热，以重量％计，所述钢坯包括：C：0.4～0.7％、Si：1.2～2.3％、Mn：0.1～1.0％、Cr：0.1～1.0％、Al：0.01％以下、Ti：0.01％以下、N：0.001～0.007％及余量Fe和不可避免的杂质，且满足以下关系式1；
对所述加热的钢坯进行热轧，以获得线材；以及
对所述线材进行冷却；
关系式1：0.002≤0.67Al+0.5Ti≤0.011
其中，所述关系式1中的各元素符号是以重量％表示各元素含量的值。
7.根据权利要求6所述的拉伸加工性优异的线材的制造方法，其中，
以重量％计，所述钢坯还包括：V：0.001～0.3％、Mo：0.001～0.5％、Cu：0.05～0.5％及Ni：0.05～0.5％中的一种以上。
8.一种弹簧的制造方法，包括以下步骤：
拉伸权利要求1～5中的任一项所述的线材，以制造钢丝；以及
将所述钢丝成型为弹簧，以获得弹簧。
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