CN110088329A

CN110088329A - 具有优异的强度和延展性的线材及其制造方法

Info

Publication number: CN110088329A
Application number: CN201780077282.7A
Authority: CN
Inventors: 李炯直; 崔念镐
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: JP6845936B2; EP3556886A4; WO2018110851A1; EP3556886B1; MX2019007000A; US11512365B2; JP2020509176A; CN110088329B; EP3556886A1; US20210285070A1; KR101858851B1

Abstract

公开了一种线材及其制造方法，以重量％计，该线材包含：0.05％至0.20％的C、0.2％或更少的Si、5.0％至6.0％的Mn、0.020％或更少的P、0.020％或更少的S、0.010％至0.050％的Al、0.010％至0.020％的N、以及余量的Fe和不可避免的杂质，该线材具有包含奥氏体和铁素体的两相的显微组织，其中，奥氏体的面积分数为15％至25％。

Description

具有优异的强度和延展性的线材及其制造方法

技术领域

本发明涉及具有优异的强度和延展性的线材及其制造方法，并且更具体地涉及可以优选地用作用于暴露于多种外部载荷环境的工业机器部件或诸如汽车的机器部件的材料的具有优异的强度和延展性的线材及其制造方法。

背景技术

努力减少二氧化碳(其最近被认为是环境污染的主要原因)的排放已经成为全球性问题。作为其一部分，还存在控制汽车废气的法案，并且作为对策，汽车制造商正在试图通过提高燃料效率来解决该问题。然而，为了提高燃料效率，由于需要汽车的重量减轻以及高性能，因而对用于汽车的材料或部件的高强度的需求正在增加。此外，由于抵抗外部冲击的稳定性增加，因而延展性也被认为是材料或部件的重要特性。

线材中的铁素体或珠光体组织在确保高强度和高延展性方面具有局限性。由于具有铁素体或珠光体组织的材料通常具有高延展性和相对低的强度，因而当进行冷拉拔时，可以获得高强度以增加强度。另一方面，延展性会随着强度的增大而成比例地迅速降低，这是缺点。

因此，通常，为了同时实现高强度和高延展性，使用贝氏体组织或回火马氏体组织。然而，为了获得这种显微组织，需要额外的热处理，这在经济方面是不利的。

在许多工业机器和汽车部件中，存在不仅对高强度而且对高延展性的日益增加的需求，并且存在对具有上述特征的线材进行开发的需求。

发明内容

技术问题

本公开的一方面是在没有任何额外热处理的情况下提供一种具有优异的强度和延展性的线材及其制造方法。

技术方案

根据本公开的一方面，以重量％计，线材可以包含：0.05％至0.20％的碳(C)、0.2％或更少的硅(Si)、5.0％至6.0％的锰(Mn)、0.020％或更少的磷(P)、0.020％或更少的硫(S)、0.010％至0.050％的铝(Al)、0.010％至0.020％的氮(N)、余量的铁(Fe)和不可避免的杂质，并且具有包含奥氏体和铁素体的两相的显微组织。

根据本公开的另一方面，一种线材的制造方法可以包括以下步骤：在600℃至700℃范围内的温度下对钢材进行再加热，以重量％计，该钢材包含：0.05％至0.20％的碳(C)、0.2％或更少的硅(Si)、5.0％至6.0％的锰(Mn)、0.020％或更少的磷(P)、0.020％或更少的硫(S)、0.010％至0.050％的铝(Al)、0.010％至0.020％的氮(N)，余量为铁(Fe)和不可避免的杂质；在600℃至700℃范围内的温度下以80％或更大的面积热压缩率(hot percentreduction of area)对经再加热的钢材进行精热轧以获得线材；以及对该线材进行空气冷却。

有益效果

根据本公开的一方面，根据本公开的线材在强度和延展性方面是优异的，并且因此，线材可以优选地用作用于暴露于多种外部载荷环境的诸如工业机器部件的机器部件或诸如汽车的机器部件的材料。

另外，根据本公开的线材可以在没有额外热处理的情况下确保优异的强度和延展性，这在经济方面是有利的。

本发明的各种有益的优点和效果不限于以上描述，并且在对本发明的特定实施方案的描述过程中可以更容易地理解本发明的各种有利的优点和效果。

具体实施方式

在下文中，将对作为本公开的一方面的具有优异的强度和延展性的线材进行详细描述。

首先，将详细描述本公开的线材的合金成分和优选的含量范围。应当指出的是，除非另有说明，否则每种成分的含量都是基于重量的。

C：0.05％至0.20％

碳(C)是用于确保强度的必需元素，碳(C)溶解于钢中或者以碳化物或渗碳体的形式存在。增加强度的最简单的方法是增加碳含量以形成碳化物或渗碳体，但是由于延展性和冲击韧性降低，因而必须将碳的添加量调节在一定范围内。在本公开中，优选的是添加在0.05％至0.20％的范围中的碳含量。当碳含量小于0.05％时，难以获得目标强度，而当碳含量超过0.20％时，延展性和冲击韧性会急剧下降。

Si：0.2％或更少(不包括0％)

硅(Si)是在添加时溶解于铁素体中、从而有助于通过钢材的固溶强化来提高强度的元素，但是在本公开中，Si不是有意添加的，并且即使不添加硅在确保性能方面也不存在问题。然而，考虑到对于制造来说不可避免地添加的量，0％被排除。同时，当添加硅时，延展性和冲击韧性显著降低，使得Si的上限限制为0.2％。

Mn：5.0％至6.0％

锰(Mn)是溶解于奥氏体中、以显著稳定奥氏体相并增加堆垛层错能以促进位错叠合及形成变形孪晶的元素。在本发明的制造过程中，可以在一定范围内调节锰(Mn)的添加量，以在再加热和热轧期间形成包含铁素体和稳定奥氏体的两相组织。在本公开中，优选的是锰(Mn)的含量在5.0％至6.0％的范围内。当锰(Mn)的含量小于5.0％时，难以充分地获得上述效果，并且当锰(Mn)的含量超过6.0％时，由于凝固期间的偏析，材料的内部可能是不一致的，并且甚至在热轧期间可能出现表面裂纹。

P：0.020％或更少

P是钢中不可避免地含有的杂质，并且优选地不含有P，因为P在晶界处偏析而降低钢的韧性，并降低耐延迟断裂性。因此，在本公开中，P的上限限制为0.020％。

S：0.020％或更少

S是钢中不可避免地含有的杂质，并且优选地不含有S，因为S与P类似地在晶界处偏析而降低钢的韧性，并且S形成低熔点乳状液而抑制热轧。因此，在本公开中，S的上限限制为0.020％。

Al：0.010％至0.050％

Al是强力的脱氧元素，并且允许从钢去除氧以便提高洁净度。另外，Al与溶解在钢中的氮结合以形成氮化铝(AlN)，并且可以提供延展性和冲击韧性。在本公开中，铝是积极地被添加的，但是当Al的含量小于0.010％时，难以预期Al的添加效果。当Al的含量超过0.050％时，产生大量的氧化铝夹杂物，从而显著降低机械性能。因此，在本公开中，Al的含量被限制在0.010％至0.050％的范围内。

N：0.010％至0.020％

氮是形成氮化物以使晶粒更精细从而提高强度和延展性的元素。当氮的含量小于0.010％时，难以预期上述效果。当氮的含量超过0.020％时，溶于钢中的氮的量增加而使冷锻性降低，这不是优选的。

上述组成的剩余部分是铁(Fe)。然而，由于不希望地从原料或周围环境所产生的不可避免的杂质能够不可避免地掺入，因而在相关技术的制造过程中，它们不能被排除。这些杂质在本说明书中未被具体提及，因为它们对于本领域技术人员而言是已知的。

同时，当设计具有上述组成范围的钢材的合金时，优选地将Mn和Si的含量控制成满足下面的关系表达式1。

[关系表达式1][Mn]/[Si]≥25

(其中，[Mn]和[Si]中的每一者表示对应的元素的含量(以重量％计))

在本公开中，锰是稳定奥氏体相并且在相图上将奥氏体区大幅扩展至低温的元素。硅溶解在钢中以增加强度，但是硅大幅降低了延展性。作为关于此的广泛研究和实验的结果，本发明人已经发现，当锰与硅之间的关系以重量％计满足Mn/Si≥25时，可以提供具有优异的强度和延展性且具有奥氏体和铁素体的两相组织的线材。

另外，当设计具有上述组成范围的钢材的合金时，优选地将Al和N的含量控制成满足下面的关系表达式2。

[关系表达式2]1≤[Al]/[N]≤4

(其中[Al]和[N]中的每一者均表示对应元素的含量(以重量％计))

在本公开中，铝是与溶解在钢中的氮结合而形成AlN的元素。这些氮化物用于固定晶界以使晶粒尺寸更细。为了获得这样的效果，大量的细AlN应当以超过通常水平的量析出以获得晶粒细化，并且因此，可以进一步提高强度和延展性。作为关于此的广泛研究和实验的结果，本发明人已经发现，当铝与氮之间的关系满足1≤[Al]/[N]≤4时，可以提供具有优异的强度和延展性的线材。

在下文中，将对本公开的具有优异的强度和延展性的线材的显微组织进行描述。

本公开的线材的显微组织包含奥氏体和铁素体的两相，并且奥氏体的面积分数为15％至25％。除了合金组成之外，通过对钢材的再加热温度和轧制温度的组合控制可以控制奥氏体的面积分数。当奥氏体的面积分数对应于上述范围时，可以确保优异的机械性能。

根据实例，奥氏体和铁素体可以具有呈板条形式的层状组织。在这种情况下，层间距离可以是0.2μm或更小(不包括0μm)。当层间距离超过0.2μm时，强度和延展性可能劣化。作为参照，可以通过面积热压缩率控制来实现对层间距离的控制。

根据实例，在板条内部形成的位错的密度可以是1.0×10¹⁵或更大。如稍后将描述的，在本公开中，高压下的轧制是在具有相对低温的奥氏体和铁素体的两相区中进行的，使得基体组织内的位错的密度变得非常高。这可能导致一些强度提高。

根据实例，本公开的线材包含氮化铝(AlN)，并且AlN的最大等效圆直径可以是30nm或更小(不包括0nm)。当最大等效圆直径超过30nm时，可能难以有效地固定晶界。作为参照，当对AlN的最大等效圆直径的控制可以通过控制钢材的再加热温度来实现时以及当最大等效圆直径超过30nm并且较粗时，优选地通过降低钢材的再加热温度使最大等效圆直径为30nm或更小。

本公开的线材具有优异的强度和延展性的优点，并且根据实例，抗拉强度可以为1200MPa至1400MPa，并且延伸率可以为30％或更大。

上述本公开的线材可以通过多种方法制造，其制造方法不受特别限制。然而，作为优选的实例，可以通过以下方法来制造该线材。

在下文中，将对本公开的另一方面的具有优异的强度和延展性的线材的制造方法进行描述。

首先，在本公开中，准备具有上述组成成分的钢材，然后对该钢材进行再加热。在这种情况下，优选地将再加热温度控制成在600℃至700℃的范围内的温度。将钢材保持在该温度范围内大于1小时，以形成奥氏体和铁素体的两相组织然后稳定化。当再加热温度小于600℃时，几乎没有奥氏体相，使得可能无法得到期望的两相组织。另一方面，当再加热温度超过700℃时，几乎没有奥氏体相，因此在热轧后可能无法得到两相组织。因此，优选地将再加热温度控制成在600℃至700℃的范围内的温度。

接下来，对经再加热的钢材进行精热轧以获得线材。在这种情况下，可以以与再加热温度相同的方式将精热轧的温度控制成在600℃至700℃的范围内的温度。当热轧温度超过上述范围时，可能无法获得稳定的奥氏体和铁素体的两相组织，使得优选地将精热轧的温度控制成在600℃至700℃的范围内的温度。同时，当进行精热轧时，面积热压缩率优选地为80％或更大。当面积热压缩率小于80％时，层间距离可能太宽。

接下来，对线材进行空气冷却。当冷却速度较慢时，晶粒可能是粗的。另一方面，当冷却速度较快时，奥氏体会转变成低温组织，使得优选地通过空气冷却来进行冷却。在本公开中，空气冷却速率不受特别限制，但是可以在例如0.2℃/秒至2℃/秒的范围内。

在下文中，将参照实施例更详细地描述本公开。然而，对实施例的描述仅意在说明本公开，但是不限于本公开。本发明的范围由权利要求中所描述的事项及由此合理推断的事项来确定。

发明实施方式

(实施方案)

分别对具有下面的表1中所示的合金组成的钢水进行铸造，然后在下面表2中所示的条件下进行再加热及精热轧，随后进行空气冷却以制备线材(直径：15mm)。另外，对各个线材的奥氏体的体积分数和奥氏体与铁素体之间的层间距离进行测量，以将其在下面的表2中一起示出。

之后，对通过使用如上所述准备的线材在室温下进行拉伸试验来测量抗拉强度和延伸率，以将抗拉强度和延伸率在下面的表2中示出。在这种情况下，通过使用X射线(XRD)来测量奥氏体的面积分数(γ)，并且通过使用透射电子显微镜(TEM)来测量奥氏体与铁素体之间的层间距离。通过在室温下以0.9mm/分钟的速度的十字头速度进行拉伸试验、直至屈服点并且接着以6mm/分钟的速度进行拉伸试验来测量抗拉强度和延伸率。

[表1]

[表2]

如表1和表2中所示的，在样品1至5满足本公开中所提出的合金组成和处理条件两者的情况下，可以确定的是，奥氏体面积分数被适当地控制在15％至25％，并且奥氏体与铁素体之间的层间距离也被适当地控制在0.2μm或更小。因此，示出了优异的机械性能(1200MPa至1400MPa的抗拉强度和30％或更大的延伸率)。

相反，试样6示出了硅不在本公开范围内的情况，并且在试样6中，不满足关系表达式1，由于硅的强化作用抗拉强度大幅增大而延展性劣化。

试样7示出了锰的含量落在本公开范围之外的情况，并且在试样7中，不仅不满足关系表达式1，而且奥氏体体积分数太低并且强度劣化。

试样8示出了锰的含量超出本公开范围且同时满足关系表达式1和2的情况。在试样8中，与试样7相反，不仅奥氏体体积分数太高，而且延展性由于奥氏体中碳含量的降低而使得冷却期间马氏体变形而劣化。

试样9示出了氮含量落在本公开范围之外的情况。在试样9中，不满足关系表达式2，并且由于几乎没有对晶粒细化有效的AlN形成而引起层间距离增大并且强度劣化。

试样10示出了钢的成分满足本公开的范围并且满足关系表达式1和2、但再加热温度太高的情况。在试样10中，奥氏体体积分数过度增大，层间距离增大，强度劣化。

试样11示出了钢的成分满足本公开的范围并且满足关系表达式1和2、但热轧温度太低的情况。在试样11中，奥氏体体积分数大幅降低，并且强度由于变形期间较少的转变有机马氏体(organic martensite)形成而劣化。

比较例12示出了钢的成分满足本公开的范围、满足关系表达式1和2、但面积热压缩率太小的情况。在比较例12中，奥氏体与铁素体之间的层间距离大幅增大并且强度劣化。

尽管已经在上面示出并描述了示例性实施方案，但是对于本领域技术人员来说将明显的是，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

1.一种线材，以重量％计包含：

0.05％至0.20％的碳(C)、0.2％或更少的硅(Si)、5.0％至6.0％的锰(Mn)、0.020％或更少的磷(P)、0.020％或更少的硫(S)、0.010％至0.050％的铝(Al)、0.010％至0.020％的氮(N)，余量为铁(Fe)和不可避免的杂质，所述线材具有包含奥氏体和铁素体的两相的显微组织，

其中，奥氏体的面积分数为15％至25％。

2.根据权利要求1所述的线材，其中满足以下关系表达式1，

[关系表达式1][Mn]/[Si]≥25

其中，[Mn]和[Si]中的每一者表示对应元素的含量(以重量％计)。

3.根据权利要求1所述的线材，其中满足以下关系表达式2，

[关系表达式2]1≤[Al]/[N]≤4

其中，[Al]和[N]中的每一者表示对应元素的含量(以重量％计)。

4.根据权利要求1所述的线材，其中所述线材的显微组织具有呈板条形式的奥氏体和铁素体的层状组织。

5.根据权利要求4所述的线材，其中层间距离为0.2μm或更小(不包括0μm)。

6.根据权利要求4所述的线材，其中在所述板条的内部形成的位错的密度为1.0×10¹⁵或更大。

7.根据权利要求1所述的线材，其中所述线材包含AlN，所述AlN的最大等效圆直径为30nm或更小(不包括0nm)。

8.根据权利要求1所述的线材，其中抗拉强度为1200MPa至1400MPa，延伸率为30％或更大。

9.一种线材的制造方法，所述方法包括以下步骤：

在600℃至700℃范围内的温度下对钢材进行再加热，以重量％计，所述钢材包含：0.05％至0.20％的碳(C)、0.2％或更少的硅(Si)、5.0％至6.0％的锰(Mn)、0.020％或更少的磷(P)、0.020％或更少的硫(S)、0.010％至0.050％的铝(Al)、0.010％至0.020％的氮(N)，余量为铁(Fe)和不可避免的杂质；

在600℃至700℃范围内的温度下以80％或更大的面积热压缩率对经再加热的钢材进行精热轧，以获得线材；以及

对所述线材进行空气冷却。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其中在所述再加热时，将所述钢材保持在600℃至700℃范围内的温度下1小时或更长。