CN110062813B - 具有优异冲击韧性的高强度线材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冲击韧性优异的高强度线材及其制造方法，更具体地涉及一种具有优异冲击韧性的下述高强度线材及其制造方法：该高强度线材可以优选地用作用于暴露于各种外部载荷环境的工业机器或汽车的材料。

Description

具有优异冲击韧性的高强度线材及其制造方法
技术领域
本公开涉及冲击韧性优异的高强度线材及其制造方法，并且更具体地涉及具有优异冲击韧性的高强度线材及其制造方法，该高强度线材可以优选用作用于暴露于各种外部载荷环境的工业机器或汽车的材料。
背景技术
近来，努力减少二氧化碳排放(环境污染的主要原因)已成为全球性问题。与此相应，存在对于规定车辆废气排放的积极的动向。作为遵守该规定的措施，汽车制造商一直试图通过提高燃料效率来解决问题。然而，为了提高燃料效率，要求车辆在具有高性能的同时是重量轻的，因此，要求车辆的材料或部件具有高强度。另外，由于对抵抗外部冲击的稳定性的要求也增加，因此冲击韧性也被认为是材料或部件的重要材料特性。
具有铁素体或珠光体组织的线材在确保优异的强度和冲击韧性方面受到限制。通常，具有上述组织的材料可以具有高冲击韧性，但是该材料的强度可能相对较低。当进行冷拉拔以增大强度时可以获得高强度，但是可能存在冲击韧性随强度的增大而成比例地迅速降低的缺点。
因此，通常，为了实现高强度和优异冲击韧性，使用贝氏体组织或回火马氏体组织。可以通过使用热轧钢材进行恒温转变热处理来获得贝氏体组织，并且可以通过淬火和回火热处理获得回火马氏体组织。然而，由于仅通过使用普通热轧和连续冷却工艺难以稳定地获得这种组织，因此必须使用热轧钢材来进行上述额外的热处理工艺。
如果能够在无需额外热处理的情况下确保高强度和优异冲击韧性，则可以省去或者可以简化从材料至部件制造的工艺的一部分。因此，存在可以提高生产率并且可以降低制造成本的优点。
然而，尚未开发出通过简单地使用热轧和连续冷却工艺而没有额外的热处理工艺来获得具有稳定获得的贝氏体或马氏体组织的线材。因此，出现了对这种线材进行开发的需求。
发明内容
技术问题
本公开的一方面是提供一种在没有额外的热处理工艺的情况下具有优异冲击韧性的高强度线材及其制造方法。
技术方案
根据本公开的一方面，提供了一种高强度线材，该高强度线材以重量％计包含小于0.05％(不包括0％)的C、0.05％或更少(不包括0％)的Si、3.0％至4.0％的Mn、0.020％或更少的P、0.020％或更少的S、1.0％至3.0％的Ni、0.0010％至0.0030％的B、0.010％至0.030％的Ti、小于0.0030％的N、0.010％至0.050％的Al、以及余量的Fe和不可避免的杂质，并且显微组织包含3面积％或更少(包括0面积％)的马氏体-奥氏体(MA)组分、2面积％或更少(包括0面积％)的先共析铁素体、以及95面积％或更高(包括100％)的贝氏体铁素体。
根据本公开的另一方面，提供了一种制造高强度线材的方法，该方法包括：对钢进行再加热，该钢以重量％计包含小于0.05％(不包括0％)的C、0.05％或更少(不包括0％)的Si、3.0％至4.0％的Mn、0.020％或更少的P、0.020％或更少的S、1.0％至3.0％的Ni、0.0010％至0.0030％的B、0.010％至0.030％的Ti、小于0.0030％的N、0.010％至0.050％的Al、以及余量的Fe和不可避免的杂质；通过对经再加热的钢进行热轧来获得线材；以10℃/秒至20℃/秒的速率将线材初次冷却至Bs℃至(Bs+50)℃范围内的温度；以2℃/秒至5℃/秒的速率将经初次冷却的线材二次冷却至(Bf-50)℃至Bf℃范围内的温度；以及对经二次冷却的线材进行空气冷却。
有益效果
根据本公开中的一个示例性实施方案，本公开的线材可以具有优异的强度和冲击韧性，并且因此可以用作用于暴露于各种外部载荷环境的工业机器或汽车的材料。
另外，本公开的线材可以在没有额外的热处理工艺的情况下确保优异的强度和冲击韧性，并且因此在经济意义上可能会是有利的。
本公开的各种有益优点和效果不限于上述特征，并且可以在对本公开的特定示例性实施方案进行描述的过程中容易地理解。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本公开的一方面的具有优异冲击韧性的高强度线材。
将详细描述本公开的高强度线材的合金成分和期望的含量范围。除非另有说明，否则以下描述中所描述的每种成分的含量是基于重量％的。
C：小于0.05％(不包括0％)
碳(C)可以溶于钢或可以作为碳化物或渗碳体存在，并且可以提高线材的强度。然而，在本公开中，碳不是有意添加的。即使不包含碳，也可以毫无困难地确保性能。然而，考虑到不可避免地添加的碳的含量，碳的含量可以排除0％。
碳含量增加得越多，延展性和冲击韧性可能降低得越多。因此，可能必须将碳含量控制在一定范围内。另外，碳含量增加得越多，在贝氏体相变中可能形成的马氏体-奥氏体(MA)组分越多，这可能使冲击韧性劣化。考虑到上述问题，在本公开中，可以将碳含量控制为小于0.05％。
Si：0.05％或更少(不包括0％)
已知硅(Si)与铝一样作为脱氧元素，并且已知为可溶于铁素体的元素，并且可以通过钢材的固溶强化而有效地增大强度。在本公开中，硅不是有意添加的。即使不包含硅，也可以毫无困难地确保性能。然而，考虑到不可避免地添加的硅的含量，硅的含量可以排除0％。
通过添加硅，强度可以大大增大，但是延展性和冲击韧性可能大大降低。因此，在需要足够延展性的冷却锻造部件的情况下，硅的添加被严格限制。另外，硅可能干扰贝氏体相变中的渗碳体的析出，使得碳可能在奥氏体上增厚，因此，可以容易地形成马氏体-奥氏体组分。在本公开中，可以将硅的含量控制为0.05％或更低以确保优异的冲击韧性。
Mn：3.0％至4.0％
锰(Mn)可以提高钢材的强度，并且可以提高淬透性，使得锰可以允许在相对宽的冷却速率范围内容易地形成如贝氏体或马氏体的低温组织。
当锰的含量小于3.0％时，淬透性可能不足而使得可能难以在热轧工艺之后通过连续冷却工艺而稳定地确保低温组织。当锰的含量超过4.0％时，淬透性可能过度提高，使得即使在空气冷却期间也可能获得马氏体组织，因此，该含量可能不是优选的。
P：0.020％或更少
磷(P)可以是不可避免地添加在钢中的杂质之一。磷可以偏析到晶界中，并且可以降低钢的韧性，并且可以降低耐延迟断裂性。因此，可以优选地尽可能不包含磷。在本公开中，可以将磷的上限含量控制为0.020％。
S：0.020％或更少
硫(S)可以是不可避免地添加到钢中的杂质之一。与磷类似，硫可以偏析到晶界中并可以降低韧性，并且还可以形成低熔点硫化物，这可能对热轧工艺产生不利影响。因此，可以优选地尽可能不包含硫。在本公开中，可以将硫的上限含量控制为0.020％。
Ni：1.0％至3.0％
镍(Ni)可以作用为与锰一起提高淬透性的元素。因此，镍可以减少马氏体-奥氏体(M/A)组分的形成。当镍的含量小于1.0％时，淬透性可能不足而使得阻止形成马氏体-奥氏体组分的效果可能不显著。当镍的含量超过3.0％时，淬透性可能过度提高，使得可能获得马氏体组织，因此，该含量可能不是优选的。较优选的镍含量可以为1.2％至2.8％。
B：0.0010％至0.0030％
硼(B)是可以提高淬透性的元素。硼可以分散到奥氏体晶界，并且可以阻止在冷却期间形成铁素体，并且可以允许容易地形成贝氏体或马氏体。然而，当硼的含量小于0.0010％时，可能无法预期添加硼的效果，并且当硼的含量超过0.0030％时，可能无法预期该效果的进一步增加，并且晶界强度可能由于硼基氮化物在晶界中的析出而降低，这可能降低热成形加工性。
Ti：0.010％至0.030％
钛(Ti)可以与氮具有很大的反应性，使得钛可以比其他元素更早地形成氮化物。当通过添加钛形成TiN并且钢的大部分氮被耗尽时，钛可以阻止BN的析出并且可以允许硼以固溶状态(soluble state)存在，使得可以获得提高淬透性的效果。然而，当钛的含量小于0.010％时，添加钛的效果可能不显著，并且当钛的含量超过0.030％时，可能形成粗大的氮化物，这可能降低机械性能。
N：小于0.0030％
优选地，氮(N)可以与硼一起保持固溶状态，并且为了极大地产生提高淬透性的效果，应当尽可能不添加氮。还应当将氮限制为不允许在贝氏体转变中容易地形成马氏体-奥氏体组分。在本公开中，可以将氮的含量控制为小于0.0030％。
Al：0.010％至0.050％
铝是强脱氧元素，并且可以通过除去钢的氧来提高纯度。铝也可以与钢的溶质氮结合并可以形成AlN，从而可以提高冲击韧性。因此，在本公开中，可以主动地添加铝。当铝的含量小于0.010％时，可能难以预期添加铝的效果，并且当铝的含量超过0.050％时，可能产生大量的氧化铝夹杂物，这可能大大降低机械性能。
除上述组成之外的其余部分是Fe。然而，在一般制造工艺中，可能不可避免地添加来自原材料或周围环境的不可避免的杂质，因此不能排除杂质。本领域技术人员可能知道这些杂质，因此，在本公开中可能没有特别提供对杂质的描述。
当设计具有上述组成范围的钢合金时，可以优选地将C、Si和Ni的含量控制成满足如下的关系表达式1。
[关系表达式1]
0.01≤([C]+[Si])/[Ni]≤0.03
(其中，[C]、[Si]和[Ni]各自表示相应元素以重量％计的含量)
在本公开中，碳可以通过形成渗碳体或马氏体-奥氏体(M/A)组分而使冲击韧性劣化，并且由于硅可溶于钢或者可以允许容易地形成马氏体-奥氏体(M/A)组分，因此硅会使冲击韧性劣化。镍可以通过提高淬透性来阻止马氏体-奥氏体(M/A)组分的形成。考虑到上述特征，本发明人进行了研究和实验，并且已经发现：当碳、硅和镍的含量满足关系表达式1时，可以提供具有贝氏体铁素体组织且具有优异的强度和冲击韧性的线材。
另外，当设计具有上述组成范围的钢合金时，可以优选地将Mn、Ti、N和B的含量控制成满足如下的关系表达式2。关系表达式2的较优选的范围可以是10.0或更高，甚至更优选的范围可以是12.0或更高。
[关系表达式2]
[Mn]+{5([Ti]-3.5[N])/[B]}≥5.0
(其中，[Mn]、[Ti]、[N]和[B]各自表示以重量％计的相应元素的含量)
在本公开中，锰可以提高淬透性并且即使在冷却速率相对低时也允许容易地形成贝氏体铁素体。另外，钛可以与氮结合并且可以形成氮化物，并且可以允许硼充分溶于钢，使得钛可以阻止铁素体的形成并且可以允许容易地形成贝氏体铁素体。考虑到上述特征，本发明人进行了研究和实验，并且已经发现：当锰、钛、硼和氮的含量满足关系表达式2时，可以提供具有贝氏体铁素体组织且具有优异的强度和冲击韧性的线材。
在下面的描述中，将详细描述具有优异冲击韧性的高强度线材的显微组织。
作为显微组织，本公开的线材可以包含3面积％或更少(包括0面积％)的马氏体-奥氏体(MA)组分、2面积％或更少(包括0面积％)的先共析铁素体、以及95面积％或更高(包括100面积％)的贝氏体铁素体。因此，本公开的线材可以具有作为主要组织的贝氏体铁素体，并且可以包含作为第二相的马氏体-奥氏体(MA)组分和先共析铁素体，并且要素的面积分数可以限制为分别小于3％和2％。贝氏体可以根据碳的含量或形貌(morphology)用各种术语表示。通常，贝氏体在中碳(约0.2重量％至0.45重量％)或更高碳范围内可以表示为上贝氏体/下贝氏体(upper/lower bainite)，并且在0.2％或更少的低碳范围内可以表示为贝氏体(bainitic)铁素体、针状(acicular)铁素体、粒状(granular)铁素体等。本公开的线材可以具有贝氏体铁素体组织等组织。
由于本公开的线材具有贝氏体铁素体组织作为主要组织，因此可以同时确保优异的强度和冲击韧性。如果普通铁素体、而不是贝氏体铁素体为主要组织，则在冲击韧性方面可能是有利的，但是无法阻止强度降低，因此，普通铁素体可能不是优选的。
马氏体-奥氏体组分的面积分数越高，就线材的强度而言可能更有利，但是可能使冲击韧性劣化。考虑到上述问题，可以优选将马氏体-奥氏体组分的面积分数控制得尽可能低。如上所述，在本公开中，可以将马氏体-奥氏体组分的面积分数控制为3％或更少。
先共析铁素体可以沿着原奥氏体晶界形成，并且可以使冲击韧性极大地劣化。因此，还可以优选地将先共析铁素体的面积分数控制得较低。如上所述，在本公开中，可以将先共析铁素体的面积分数控制为2％或更少。
根据一个示例性实施方案，马氏体-奥氏体组分的晶粒尺寸为5μm或更小(不包括0μm)。如果晶粒尺寸超过5μm，则与贝氏体铁素体基体接触的界面表面的面积可能增大，这可能使冲击韧性劣化。本文中，晶粒尺寸可以指通过观测线材的截面表面所检测的晶粒中的每个晶粒的等效圆直径(equivalent circular diameter)。
可以通过各种方法来制造高强度线材，并且制造方法不受特别限制。然而，作为一个优选的示例性实施方案，可以通过如下所述的方法来制造高强度线材。
在下面的描述中，将详细描述本公开的另一方面的制造具有优异冲击韧性的高强度线材的方法。
可以制备具有上述组成体系的钢材，并且可以对该钢材进行再加热。钢材的形式可以没有特别限制，通常，钢材可以呈大方坯或小方坯形式。
再加热温度的优选范围可以是950℃至1050℃。可以如上确定温度范围，以通过在相对低的温度下对钢材进行再加热来防止晶粒粗化。
可以通过对经再加热的钢材进行精热轧来获得线材。
精热轧温度的优选范围可以是750℃至850℃。可以如上确定温度范围，以通过对经过足够的低温轧制工艺的奥氏体晶粒进行细化并因此在相变之后获得细贝氏体组织来改善冲击韧性。
可以以10℃/秒至20℃/秒的速率将线材初次冷却至Bs℃至(Bs+50)℃范围内的温度。Bs可以指连续冷却曲线上的贝氏体相变开始的温度。在本公开中，可以以相对高的速率将线材冷却至刚好贝氏体相变之前，使得可以主动地防止沿着奥氏体晶界形成先共析铁素体。
在本公开中，Bs的优选温度范围可以是600℃至650℃。
可以将经初次冷却的线材以2℃/秒至5℃/秒的速率二次冷却至(Bf-50)℃至Bf℃范围内的温度，并且可以进行空气冷却。Bf可以指连续冷却曲线上的贝氏体相变终止的温度。当二次冷却终止温度超过Bf℃时，可能难以确保足够量的贝氏体铁素体组织，并且当温度低于(Bf-50)℃时，可能由于钢材被充分冷却而易于处理钢材，但是生产率可能会降低。
另外，二次冷却速率小于2℃/秒，可能大量形成先共析铁素体，并且当速率超过5℃/秒时，可能在钢中形成马氏体，这可能使强度和冲击韧性劣化。
在以下描述中，将更详细地描述本公开的一个示例性实施方案。应当指出的是，提供示例性实施方案是为了更详细地描述本公开，而不限制本公开的权利范围。可以基于权利要求中所列举的主题事项及从主题事项合理推断的事项来确定本公开的权利范围。
发明实施方式
(实施方案)
对具有下表1中所示的合金组成的钢水进行浇铸，并将钢水在1000℃下再加热，轧制成直径为15mm(精热轧温度：750℃)的线材，在表2中所示的条件下进行初次冷却和二次冷却，并在350℃或更低的温度(Bf温度)下进行空气冷却，从而制造线材。使用膨胀仪(Dilatometer)测量贝氏体相变终止温度Bf。Bf根据化学组成而变化，并且Bf具有约350℃至400℃的范围。
分析如上制造的线材的显微组织，结果列于表2中，测量抗拉强度和冲击韧性，结果列于表2中。使用图像分析仪(Image Analyzer)测量线材显微组织的马氏体-奥氏体(MA)组分的面积分数和晶粒尺寸。
室温拉伸试验以0.9mm/min的十字头速率(crosshead speed)进行直至屈服点，然后以6mm/min的十字头速率进行。另外，在冲击试验中，对样品施加冲击的摆锤(striker)的边缘(edge)的曲率为2mm，并且该冲击试验是使用具有500J的试验能力的冲击试验机在室温下进行的。
[表1]
Figure BDA0002090154650000111
表2
Figure BDA0002090154650000121
如表1和表2中所示，满足本公开中所提出的合金组成和工艺条件的样品1至5具有优异的抗拉强度和冲击韧性：即600MPa或更高的抗拉强度和200J或更高的冲击韧性。
对于样品6，样品6的镍含量低于本公开中所提出的范围。因此，形成大量的MA相，并且冲击韧性降低。
对于样品7，样品7的碳含量超过本公开中所提出的范围。因此，抗拉强度是优异的，但是冲击韧性劣化。这是因为碳可溶于MA上，使得形成稳定的MA相。
对于样品8，样品8的硅含量超过本公开中所提出的范围。随着硅的含量与碳类似地增加，在基体中的固溶量增加，使得出现固溶强化效果，并且MA相也增加。因此，即使抗拉强度是优异的，冲击韧性却会降低。
对于样品9，锰和硼的含量低于本公开中所提出的范围，使得淬透性低。因此，即使满足本公开中所提出的冷却条件，却产生双相的铁素体和贝氏体铁素体组织，使得抗拉强度劣化。
对于样品10，样品10的合金组成满足本公开中所提出的范围，但是组成关系表达式(关系表达式1)和制造工艺中的二次冷却速率超出本公开中所提出的范围。因此，由于形成马氏体-奥氏体组分和马氏体，抗拉强度是优异的，但是冲击韧性劣化。
对于样品11，样品11的合金组成满足本公开中所提出的范围，但是二次冷却的速率低于本公开中所提出的范围。因此，由于形成铁素体，抗拉强度劣化。
对于样品12，样品12的钛含量低于本公开中所提出的范围。随着可溶硼的量减少，淬透性降低，并且当冷却速率也较低时，先共析铁素体析出物的量增加，使得抗拉强度降低。
对于样品13和14，样品13和14的锰和镍的含量超过本公开中所提出的范围。在样品中，由于淬透性过度增加，即使当钢以本公开中提出的冷却速率被冷却时，也产生马氏体，使得强度增加，但是冲击韧性劣化。
虽然已经在上面示出和描述了示例性实施方案，但是本公开的范围不限于此，并且对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可以进行修改和变化。

Claims (8)

1.一种高强度线材，包含：
以重量％计，小于0.05％且不包括0％在内的C、0.05％或更少且不包括0％在内的Si、3.0％至4.0％的Mn、0.020％或更少的P、0.020％或更少的S、1.0％至3.0％的Ni、0.0010％至0.0030％的B、0.010％至0.030％的Ti、小于0.0030％的N、0.010％至0.050％的Al、以及余量的Fe和不可避免的杂质，
其中，显微组织包含3面积％或更少且包括0面积％在内的马氏体-奥氏体(MA)组分、2面积％或更少且包括0面积％在内的先共析铁素体、以及95面积％或更高且包括100面积％在内的贝氏体铁素体。
2.根据权利要求1所述的高强度线材，其中，所述高强度线材满足下面的关系表达式1，
[关系表达式1]
0.01≤([C]+[Si])/[Ni]≤0.03
其中，[C]、[Si]和[Ni]各自表示相应元素以重量％计的含量。
3.根据权利要求1所述的高强度线材，其中，所述高强度线材满足下面的关系表达式2，
[关系表达式2]
[Mn]+{5([Ti]-3.5[N])/[B]}≥5.0
其中，[Mn]、[Ti]、[N]和[B]各自表示相应元素以重量％计的含量。
4.根据权利要求1所述的高强度线材，其中，马氏体-奥氏体组分的晶粒尺寸为5μm或更小且不包括0μm在内。
5.根据权利要求1所述的高强度线材，其中，Ni的含量为1.2重量％至2.8重量％。
6.一种制造高强度线材的方法，所述方法包括：
对钢进行再加热，所述钢以重量％计包含小于0.05％且不包括0％在内的C、0.05％或更少且不包括0％在内的Si、3.0％至4.0％的Mn、0.020％或更少的P、0.020％或更少的S、1.0％至3.0％的Ni、0.0010％至0.0030％的B、0.010％至0.030％的Ti、小于0.0030％的N、0.010％至0.050％的Al、以及余量的Fe和不可避免的杂质；
通过对经再加热的钢进行热轧来获得线材；
以10℃/秒至20℃/秒的速率将所述线材初次冷却至Bs℃至(Bs+50)℃范围内的温度；
以2℃/秒至5℃/秒的速率将经初次冷却的线材二次冷却至(Bf-50)℃至Bf℃范围内的温度；以及
对经二次冷却的线材进行空气冷却。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，对所述钢进行再加热期间的再加热温度为950℃至1050℃。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述热轧期间的精热轧温度为750℃至850℃。
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