CN111479938B

CN111479938B - 热处理固化型高碳钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN111479938B
Application number: CN201880079911.4A
Authority: CN
Inventors: 朴京洙
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2038-11-15
Also published as: CN111479938A; JP2021505772A; JP7018138B2; KR20190070167A; KR102043511B1; WO2019117483A1

Abstract

本发明涉及一种用于需要耐磨性或耐久性的部件等的钢板，更详细地，涉及一种通过热处理提高强度和韧性的热处理固化型高碳钢板及其制造方法。

Description

热处理固化型高碳钢板及其制造方法

技术领域

背景技术

高碳钢通常广泛用于需要高强度和高硬度的部件。例如，广泛用于汽车部件、锯片、编织针(knitting needle)、链条、农具等。这是因为高碳钢具有高强度和高硬度的特性。

已知提高如上所述的高碳钢的强度、硬度和韧性的方法有如下的专利文献1-4。

专利文献1公开了通过进行淬火和回火热处理来制造回火马氏体的技术。如上所述的常规的淬火和回火热处理方法的特征在于，淬火时冷却至常温以获得马氏体组织，然后通过回火热处理获得回火马氏体组织。但是，在这种情况下，会留下一定分率以上的残留奥氏体，因此在提高强度的方面存在局限性。

另外，专利文献2公开了添加如Cr等合金元素后通过热轧获得铁素体和珠光体的组织以确保强度和延展性的技术。但是，在这种情况下，强度仅为600MPa左右，因此不能用于需要耐磨性的部件。

专利文献3公开了通过奥氏体等温淬火热处理制造精细珠光体的技术，将精细的珠光体以80％以下的压缩比进行冷轧，以此提高强度。但是，这种工艺需要80％以上的进一步的冷轧工艺，因此具有大幅增加制造成本的问题。

专利文献4是在奥氏体回火热处理时通过两个阶段的冷却过程来控制微细组织，以此制造高强度高韧性的高碳钢板的技术，但强度为1200MPa的水平，因此大幅提高强度方面存在局限性。

所述部件需要高的强度和硬度，而另一方面有必要最小化由于冲击而导致的破损。因此，为了减少破损，有必要提高韧性。即，除了单纯地具有高强度或高硬度的材料之外，对还具有优异的韧性的材料的需求正在增加。

(专利文献1)韩国授权专利第10-1055390号

(专利文献2)韩国授权专利第10-1615040号

(专利文献3)韩国授权专利第10-1445868号

(专利文献4)韩国授权专利第10-1300158号

发明内容

要解决的技术问题

本发明的一个方面的目的在于提供一种热处理固化型高碳钢板及其制造方法，所述钢板不添加高价的合金元素，并通过优化合金组成和热处理条件，因此具有高硬度的同时确保优异的韧性。

本发明所要解决的技术问题并不限定于上述所提及的技术问题，对于没有提及的其它技术问题，本领域技术人员可以从以下记载明确理解。

技术方案

本发明的一个方面提供一种热处理固化型高碳钢板，以重量％计，所述钢板包含：C：0.65-1.0％、Si：0.5％以下(0除外)、Mn：0.1-2.0％、P：0.05％以下、S：0.03％以下，余量包含Fe和不可避免的杂质，以面积分数计，微细组织包含85％以上的马氏体、5％以下的残留奥氏体、10％以下的碳化物和铁素体相中的一种以上，所述钢板的表示对脆性断裂的材料抵抗程度的K_IC为15MPa·m^1/2以上。

本发明的另一个方面提供一种制造热处理固化型高碳钢板的方法，所述方法包括以下步骤：准备钢板，以重量％计，所述钢板包含：C：0.65-1.0％、Si：0.5％以下(0除外)、Mn：0.1-2.0％、P：0.05％以下、S：0.03％以下，余量包含Fe和不可避免的杂质；将准备的所述钢板加热至Ae3以上的加热温度；将经过加热的所述钢板冷却至冷却终止温度(Tc)；以及在所述冷却后，在100℃以上的温度下进行后续热处理，其中，所述冷却终止温度(Tc)满足下述关系式1。

[关系式1]

Tc≤374-423*C(重量％)-30.4*Mn(重量％)

有益效果

根据本发明，提供一种热处理固化型高碳钢板及其制造方法，所述钢板即使没有添加大量的高价合金元素，也兼具硬度和韧性。

附图说明

图1是示出本发明的微细组织的一个实例的示意图。

图2是以图表示出本发明的制造方法的热处理概况的示意图。

最佳实施方式

本发明的发明人对解决上述现有技术的问题并提高钢板的强度、硬度和韧性的技术进行深入研究的结果，发现通过优化碳的含量并适当地控制热处理温度，从而提高作为钢板的微细组织的马氏体的分率，并降低残留奥氏体的分率，因此可以在不添加高价的合金元素的情况下也可以大幅提高钢板的硬度和韧性，从而完成了本发明。

以下，对本发明的一个方面的热处理固化型高碳钢板进行详细的说明。首先，对本发明的钢板的合金组成进行详细的说明(以下，重量％)。

碳(C)：0.65-1.0％

碳是提高钢板的强度的必要元素，而且为了确保本发明中所要实现的马氏体组织和位错密度，需要适当地添加所述碳。当所述碳的含量小于0.65％时，具有难以确保作为热处理后的钢板的微细组织为90面积％以上的马氏体组织的问题。而且，即使形成马氏体组织，但由于在内部没有充分确保位错密度，因此无法获得足够的强度。另一方面，当所述碳的含量超过1.0％时，马氏体的形成温度降低，因此会留下大量的残留奥氏体。为了减少这种残留奥氏体而冷却至更低的温度时，会成为由于热处理冲击而产生裂纹的原因。因此，本发明中C的含量优选为0.65-1.0％。

硅(Si)：0.5％以下(0％除外)

硅起到脱氧剂的作用，而且起到提高钢板的强度的作用。当所述硅的含量超过0.5％时，钢板表面形成氧化皮，具有降低钢板表面质量的问题，因此本发明中Si的含量优选为0.5％以下(0除外)。

锰(Mn)：0.1-2.0％

锰提高钢的强度和淬透性，而且与钢的制造工艺中不可避免地含有的硫(S)结合而形成MnS，从而起到抑制由S引起的产生裂纹的作用。在本发明中，为了获得如上所述的效果，所述锰的含量优选为0.1％以上。另一方面，当所述锰的含量超过2.0％时，具有留下大量的残留奥氏体的问题，因此本发明中所述Mn的含量优选为0.1-2.0％。

磷(P)：0.05％以下

磷是钢中不可避免地含有的杂质，且是偏析在晶界上而降低钢的韧性的主要原因的元素，因此优选将磷的含量尽可能控制得低。在理论上，将P的含量限制为0％是有利的，但在制造工艺中必然会含有P。因此，重要的是控制所述P的上限，在本发明中，所述P的上限优选为0.05％。

硫(S)：0.03％以下

硫是钢中不可避免地含有的杂质，并且与锰反应形成MnS而增加析出物的含量，而且硫是使钢脆化的主要原因的元素。因此，优选将硫的含量尽可能控制得低。在理论上，将S的含量限制为0％是有利的，但在制造工艺中必然会含有S。因此，重要的是控制所述S的上限，在本发明中，所述S的上限优选为0.03％。

除了上述组分之外，本发明包含Fe和不可避免的杂质。而且，并不排除上述组分之外的有效成分的添加。

其次，对本发明的热处理固化型钢板的微细组织和机械物理性能进行详细的说明。

本发明的钢板不仅满足上述成分体系，而且作为钢板的微细组织优选包含85面积％以上的马氏体。当所述马氏体小于85面积％时，难以充分确保所需的硬度。此外，优选包含5面积％以下的残留奥氏体。当所述残留奥氏体超过5面积％时，由于硬度低于马氏体的奥氏体，具有难以充分确保所需的硬度的问题。所述马氏体优选是回火马氏体。

此外，在后续热处理过程中可以进一步产生一部分铁素体相(α)，并且根据情况可以形成一部分碳化物。所述碳化物和铁素体相可以使钢板保持高强度的同时具有高韧性。但是，当在后续热处理过程中所述碳化物或铁素体相过多时，强度和韧性均会降低，因此优选为10面积％以下。另外，为了确保韧性，所述碳化物和铁素体的分率优选为1面积％以上。

另外，除了上述组织之外，余量可以包含渗碳体和贝氏体等。

此外，根据本发明的一个具体实施方案，马氏体片的平均厚度优选为0.25μm以下。参考图1，对所述马氏体片进行详细的说明。本发明中所形成的马氏体相(α')是以图1所示的形状形成，所述马氏体片表示短轴的长度。当所述马氏体片的尺寸超过0.25μm时，马氏体相的强度降低，从而可能会降低钢板的硬度。因此，优选将马氏体片的平均厚度控制为0.25μm以下。另外，在图1中，除了示出所述马氏体和残留奥氏体之外，还同时示出存在铁素体和碳化物。

如上面提及的图1所图示，本发明中所述马氏体形成为针状型。特别是，厚度为0.4μm以下的马氏体片优选为70％以上。在这种情况下，可以确保高硬度。

本发明的热处理固化型钢板中，即使不添加高价的合金元素，也可以确保非常高的强度。作为一个实例，本发明的热处理固化型钢板的硬度可以为600Hv以上。

另外，本发明的热处理固化型钢板中，钢板的表示对脆性断裂的材料抵抗程度的K_IC优选为15MPa·m^1/2以上。所述K_IC表示脆性断裂抵抗值。

另外，本发明的热处理固化型钢板的特征在于，同时提高硬度和韧性，从而实现协调，脆性断裂抵抗值与硬度(Hv)的乘积优选为14,000Hv·MPa·m^1/2以上。

以下，对本发明的制造热处理固化型高碳钢板的方法进行详细的说明。

首先，准备满足上述组分的钢板。对本发明中可以应用的所述钢板的种类不作特别限定，只要是本发明所属技术领域中可以使用的钢板即可，并且不区分为热轧钢板或冷轧钢板等。

将准备的所述钢板加热至Ae3℃以上的温度。当所述加热温度小于Ae3℃时，无法充分形成奥氏体，因此冷却后不能得到90面积％以上的马氏体组织。因此，所述加热温度优选为Ae3℃以上。所述Ae3温度表示以奥氏体单相存在的边界温度。

加热至所述Ae3℃以上后，优选保持0.5-15分钟。这是为了在准备的钢板中实现完全的奥氏体化。当加热后的保持时间小于0.5分钟时，难以实现均匀的奥氏体，当加热后的保持时间超过15分钟时，奥氏体变得过度粗大，或者热处理成本过度增加。

将经过加热的所述钢板冷却至冷却终止温度(Tc)。所述冷却终止温度(Tc)优选满足以下关系式1。当所述冷却终止温度(Tc)不满足关系式1时，无法获得90面积％以上的马氏体，并且留下超过5面积％的残留奥氏体，因此无法确保本发明所期望的强度。

[关系式1]

Tc≤374-423*C(重量％)-30.4*Mn(重量％)

所述关系式1是考虑马氏体的形成温度与终止温度的关系而推导出的，并且考虑碳和锰的含量在后续过程中可能会形成为铁素体或碳化物且对马氏体的形成产生重要的影响而推导出的。

在本发明中，所述冷却优选进行将经过加热的钢板冷却至零下温度的超低温冷却。这是为了确保充分的马氏体，当经过加热的所述钢板的温度不降低至零下温度时，向马氏体的相变不完全，残留很多奥氏体，从而无法确保所需的硬度。

所述超低温冷却的方法有很多种，但本发明中不进行特别的限定。作为一个实例，利用液氮进行冷却。

冷却至所述冷却终止温度(Tc)的步骤中的冷却速度优选为70℃/秒以上。当所述冷却速度小于70℃/秒时，在冷却过程中生成大量的诸如铁素体、珠光体、贝氏体等相，因此无法获得充分量的马氏体。

所述冷却后，优选在100℃以上的温度下进行后续热处理。这是为了使所述冷却过程中，特别是使急速的冷却过程中形成的高强度的组织松弛并赋予韧性。所述热处理温度优选为300℃以下，当所述热处理温度超过300℃时，强度和硬度会过度下降。如上所述，所述后续热处理过程中可以形成一部分铁素体或碳化物。

另外，所述后续热处理优选具有1-300分钟的保持时间。当所述保持时间过短至1分钟以内时，难以确保足够的韧性，当所述保持时间超过300分钟时，需要过多的热处理成本。

另外，图2是示意性地示出本发明的一个实例的热处理工艺条件的时间和温度的关系的图表。如图2所示，本发明中提出的制造方法包括将准备的钢板进行加热、冷却后进行后续热处理并进行冷却的工艺。

具体实施方式

以下，通过实施例对本发明进行更具体的说明。但是，需要注意的是，下述实施例仅用于例示本发明而进行更详细的说明，并不是用于限定本发明的权利范围。这是因为本发明的权利范围由权利要求书中记载的内容和由此合理推导出的内容所决定。

(实施例)

准备具有下述表1的组分(重量％，余量是Fe和不可避免的杂质)的钢板，然后将所述钢板以下述表2的条件进行加热并冷却。之后，观察钢板的微细组织，测量机械物理性能，并示于下述表3中。

利用电子背散射衍射(Electron back scatter diffraction，EBSD)测量所述微细组织，然后通过图像分析测量马氏体和残留奥氏体的分率和马氏体片的平均厚度。

硬度试验是以在5g的负荷下保持10秒的条件进行各微细组织的维氏硬度试验。就表示对脆性断裂的材料抵抗程度的K_IC而言，利用紧凑拉伸(Compact Tension，C-T)试片测量根据负荷的裂纹的位移并以此进行评价。

[表1]

钢种	C	Mn	Si	P	S
						比较钢1	0.61	0.39	0.20	0.013	0.002
发明钢1	0.86	0.41	0.19	0.012	0.003
						比较钢2	0.85	3.1	0.2	0.015	0.003

[表2]

所述Tc*是通过关系式1算出的冷却终止温度(374-423*C(重量％)-30.4*Mn(重量％))。

所述表2中，发明例5、比较例5和6的冷却速度是通过调节水压和水量的水冷进行冷却，冷却至常温，并将其加入到液氮中冷却至零下温度。另外，500℃/秒的冷却速度是基于将经过加热的钢板加入到液氮中并在1-2秒以内冷却至零下温度所算出的大致的速度。

[表3]

如所述表3所示，满足本发明提出的合金组成和制造条件的发明例1-7的脆性断裂抵抗值均为15MPa·m^1/2以上，马氏体片的平均厚度为0.25μm以下的同时包含85面积％以上的分率的马氏体。特别是，所述发明例1-7具有600Hv以上的硬度的同时脆性断裂抵抗值与硬度值的乘积为14,000Hv·MPa·m^1/2以上，可以确认具有优异的硬度和韧性的协调。

相比之下，比较例1的钢中碳的含量低，从而显示马氏体片的平均厚度大，并且硬度差。比较例2和3是后续热处理温度脱离本发明的范围的情况，存在无法同时确保硬度和韧性的问题。比较例4是钢板的加热温度低而未能充分形成马氏体的情况，比较例5和6是冷却速度慢而未能充分形成马氏体，从而未能具有足够的硬度的情况。另外，比较例7和8的锰的含量高于本发明提出的锰的含量，因此残留奥氏体的分率高，从而未能确保充分的硬度。

Claims

1.一种热处理固化型高碳钢板，以重量％计，包含：C：0.65-1.0％、Si：0.5％以下且0除外、Mn：0.1-2.0％、P：0.05％以下、S：0.03％以下，余量包含Fe和不可避免的杂质，

以面积分数计，微细组织包含85％以上的马氏体、5％以下的残留奥氏体、10％以下的碳化物和铁素体相中的一种以上，所述马氏体片的平均厚度为0.25μm以下，

所述钢板的表示对脆性断裂的材料抵抗程度的K_IC为15MPa·m^1/2以上。

2.根据权利要求1所述的热处理固化型高碳钢板，其中，所述钢板的硬度与韧性的乘积为14,000Hv·MPa·m^1/2以上。

3.根据权利要求1所述的热处理固化型高碳钢板，其中，厚度为0.4μm以下的所述马氏体片为70％以上。

4.一种制造热处理固化型高碳钢板的方法，其包括以下步骤：

准备钢板，以重量％计，所述钢板包含：C：0.65-1.0％、Si：0.5％以下且0除外、Mn：0.1-2.0％、P：0.05％以下、S：0.03％以下，余量包含Fe和不可避免的杂质；

将准备的所述钢板加热至Ae3以上的加热温度；

以70℃/秒以上的冷却速度，将经过加热的所述钢板冷却至冷却终止温度(Tc)；以及

在所述冷却后，在100℃以上的温度下进行后续热处理，

其中，所述冷却终止温度(Tc)满足下述关系式1，

[关系式1]

Tc≤374-423*C重量％-30.4*Mn重量％。

5.根据权利要求4所述的制造热处理固化型高碳钢板的方法，其中，所述加热时在加热温度下保持0.5-15分钟。

6.根据权利要求4所述的制造热处理固化型高碳钢板的方法，其中，所述冷却是利用液氮来进行。

7.根据权利要求4所述的制造热处理固化型高碳钢板的方法，其中，所述后续热处理是以1-300分钟的保持时间进行。