CN1117170C - 可冷加工钢棒或钢丝及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
具有至少与常规的球化退火材钢材相同的软化程度，优良的淬透性及改进了的冷加工性能的机械结构钢棒或丝，它含有(重量%)0.1-0.5%C、0.01-0.15%Si、0.2-1.7%Mn、0.0005-0.05%Al、0.005-0.07%Ti、0.0003-0.007%B、0.002-0.02%N及余量的Fe及不可避免的杂质，该不可避免的杂质包括不大于0.02%(重量)的P和不大于0.003%(重量)的O，而且它还具有包括铁素体和球状碳化物的显微组织，该铁素体的JIS G0522铁素体晶粒度至少为8级，而单位面积mm2中的球状碳化物数为不大于1.5×106×C%(重量)。
Description
本发明涉及机械结构钢棒或钢丝，它具有改进了的冷加工性能因而被用于生产机械结构零件，如汽车零件及建筑机械零件，本发明还涉及该钢棒或丝的生产工艺。
迄今为止，机械结构零件，如汽车零件及建筑机械零件，如螺栓、稳定器等一直是通过冷锻碳素的或合金的机械结构钢棒或丝生产的。
也就是说，一般先热轧碳素的或合金的机械结构钢。然后，为保证冷加工性能，对轧成的钢材进行软化退火，而为提高尺寸精度和使表面光滑，再将其精拉成丝。然后通过冷加工，如冷锻(比如螺纹轧制)形成成品钢丝，再经淬火-回火以使机械零件具有预先设定的强度。
为生产诸如螺栓之类的机械零件，软化退火是按低温退火进行的，以便生产冷加工量小的双头螺栓等产品，而通过正常退火，则生产六角螺栓等，或通过球化退火以生产冷加工量大的凸缘螺栓等。如上所述，软化退火是一种高温长时间的热处理；因而，它不仅降低生产率而且从节能的观点看，对生产成本还有明显影响。
为减轻软化退火加在生产上的负荷，对只进行少量冷加工的零件，以降低软化程度的代价进行低温短时间(约5小时)的退火。只对冷加工量大的零件进行长时间(约20小时)的球化退火，以使软化程度达到最大值。当以大的冷加工量通过冷锻制造形状复杂的机械零件时，必须通过球化退火使用于制备该机械零件的毛坯件充分软化，因为若软化程度不足，则在该零件上形成表面缺陷和裂纹。
当欲通过冷加工使钢棒或丝形成预定形状的机械零件时，一般用模具冷锻此钢棒或丝。比如，当将被冷锻的钢材强度下降10kgf/mm2(软化)，则模具寿命增加了约3-4倍。
从上述观点可以认为：要求通过球化退火使机械结构钢棒或丝具有尽可能高的软化程度，而通过冷锻此软化的钢材而形成的具有预定形状的机械零件则必须通过热处理，如淬火-回火而使之强化。
为满足上述要求，已提出各种建议。
日本未审专利公开No.61-174322提出使中碳结构钢变软的方法，按该法，珠光体转变是在高温下短时间完成的，结果使钢软化。
日本未审专利公开No.58-107146提出生产在热轧态时具有改进了的冷锻性能和机加工性能的钢棒和丝，其中该钢作为基础成份，含(％重量)：0.10-0.50％C、0.10-0.50％Si、0.3-1.8％Mn、并采了0.0002-0.005％的B，其中还限定了轧制条件及后续的冷却条件。
上述常规技术通过使钢软化改进了冷锻性能。
但，为进一步提高生产率尚需软化程度更高和冷加工性能更好的机械结构钢的棒或丝。
本发明的目的在于提供一种与常规球化退火钢材相比具有高软化程度，良好的淬透性和改进的冷加工性能的机械结构钢的棒或丝，并提供该钢材的生产工艺。
为形成钢的可与淬透性相匹配的冷加工性能，本发明人研究了低Si含量的含硼钢，然后得到下述新结果。
当使化学成份在某一选定范围内的低Si的含硼钢经受低温轧制和缓慢冷却时，就形成了特殊的Fe-B-C碳化物(硼碳化物)，因而这类钢有如下性能：(1)珠光体份额明显减少；(2)析出粒状(球状)碳化物；(3)铁素体组织明显细化。
当具有上述组织的钢材经受球化处理时，(1)单位面积中的碳化物的数量少；而且球化退火后的碳化物之间的间距宽；(2)得到其中的基体铁素体晶体细的组织。结果，获得了强度低、具有改进冷加工性能和优良淬透性的钢的棒或丝。
本发明在这些发现的基础上提出如下的要点(1)-(12)。
即，第一发明提供以下(1)-(4)。
(1)有优良冷加工性能的机械结构钢的棒或丝，它含有(％重量)：0.1-0.5％C、0.01-0.15％Si、0.2-1.7％Mn、0.0005-0.05％Al、0.005-0.07％Ti、0.0003-0.007％B、0.002-0.02％N及余量的Fe及不可避免的杂质，该不可避免的杂质包括最多0.02％的P及最多0.003％的O，而且它还具有包含铁素体和球状碳化物的显微组织，铁素体的晶粒度至少为8级，而单位面积(mm2)中的球状碳化物数为最多1.5×106×C％(重量)。
(2)符合(1)项的钢棒或钢丝，其中该钢棒或丝还含0.003-0.15％(重量)的S。
(3)符合(1)或(2)项的钢棒或丝，其中该钢棒或丝还含最多为0.8％(重量)的Cr，而Mn和Cr的总量为0.3-1.3％(重量)。
(4)符合(1)-(3)中任一项的钢棒或丝，其中单位面积(mm2)中的球状碳化物数最多为4×105×C％(重量)。
为生产第一发明的钢棒或丝，第二发明提供下述的要点(5)-(8)。
(5)生产具有优良冷加工性能的机械结构钢棒或丝的工艺，它包括如下步骤：热轧含有(％重量)0.1-0.5％C、0.01-0.15％Si、0.2-1.7％Mn、0.0005-0.05％Al、0.005-0.07％Ti、0.0003-0.007％B、0.002-0.02％N及余量的Fe和不可避免杂质的钢，该不可避免杂质包括最多0.02％(重量)P和最多0.003％(重量)的O，同时在终轧出口侧将钢材表面温度保持为Ar3-Ar3+150℃；在终轧温度-600℃的温度范围内，以最高为0.7℃/秒的速率使该热轧钢材冷却，从而使冷至室温的此钢材具有包含铁素体、层状珠光体和粒状碳化物的组织，因而层状珠光体所占的面积比的份额最多为90×C％(重量)，而铁素体晶粒度为至少JIS G0552的9级；然后使该钢材球化退火。
(6)符合上述(5)的工艺，其中该钢还含0.003-0.15％(重量)的S。
(7)符合上述(5)或(6)项的工艺，其中该钢还含最多为0.8％(重量)的Cr，而且Mn和Cr的总量为0.3-1.3％(重量)。
(8)符合上述(5)-(7)中任一项的工艺，其中在终轧温度-650℃的温度范围内，以最高0.3℃/秒的速率使此热轧钢材冷却，并且层状珠光体的面积比的份额最多为65×C％(重量)。
(9)符合上述(1)或(2)项的钢棒或丝，其中该钢棒或丝还含(％重量)至少一种选自最多1.5％的Cr、最多3.5％的Ni、最多1.0％的Mo、0.005-0.1％的Nb、0.03-0.4％的V中的元素，而且单位面积(mm2)的球状碳化物数最多为7.5×106×C％(重量)。
(10)符合上述(9)项的钢棒或丝，其中单位面积(mm2)中的球状碳化物数最多为2×106×C％(重量)。
(11)符合上述(5)或(6)项的工艺，其中该钢还含(％重量)至少一种选自最多1.5％的Cr、最多3.5％的Ni、最多1.0％的Mo、0.005-0.1％的Nb及0.03-0.4％的V中的元素，而层状珠光体所占的面积比份额最多为170×C％(重量)。
(12)符合上述(11)项的工艺，其中在终轧温度-650℃的温度范围内，以最高0.3℃/秒的速度使该热轧钢材冷却，并且使层状珠光体所占的面积比份额最多为120×C％(重量)。
图1是轧制后的钢材的显微照片(2000×)，它是通过低温轧制含(％重量)0.45C、0.04％Si和0.29％Mn(Ceq＝0.52)的钢，然后使之缓冷而获得的。
图2是退火后钢材的显微照片，它是通过使图1中的钢材经球化退火而得的。
图3是退火后钢材的显微照片，它是通过使普通的轧制钢材球化退火而获得的。
图4是说明冷却状况的CCT曲线的图。
图5是说明钢的化学成份、生产条件及抗拉强度间关系的图。
本发明人对于低Si的含B钢作为下述钢付出了很大的努力，这种钢使机械结构钢的棒或丝的冷加工性能大为改善并保证了高的淬透性。也就是说，按下述方式调整该钢的化学成份。为提高该钢的冷加工性能，用Al使该钢脱氧以降低Si含量。此外，为保证淬透性加了B。由于加B可降低Mn含量，故该钢的冷加工性能可得以提高。本发明的低Si的含B的碳素钢和合金钢是在设计钢的化学成份的基础上完成的。
为通过球化退火使钢材高度软化，使上述的钢在本发明中经低温轧制，然后缓慢冷却。这种处理形成了Fe-B-C的特殊碳化物(硼碳化物)，据信在该热轧钢材的组织中，该碳化物是Fe23(CB)6。在比通常形成Fe3C的更高温度下形成Fe23(CB)6。结果，层状珠光体转变的过冷度下降了，而且使此含B钢经受低温轧制及后续的缓冷明显地减少了层状珠光体的量。由于珠光体量的减少，在晶界上析出球状碳化物，而且铁素体组织明显细化。
图1是被轧后钢材的照片(2000×)，该钢材是经低温轧制一种含(％重量)0.45％C、0.04％Si和0.29％Mn(Ceq＝0.52)的钢，然后使其缓冷而获得的。从图1可见：层状珠光体的量较小；球状碳化物在晶界上析出；铁素体组织变细。
当对该热轧钢材进行球化退火时可以发现：单位面积中的碳化物的数目变少；球状碳化物间的间隔变宽；基体中的铁素体形成了细的组织。
图2是本发明的经过退火的钢材的照片(2000×)，该钢材是使图1中的钢经球化退火后而得的。
图3是通过对普通轧制钢材进行球化退火而获得的退火钢材的照片(2000X)，它用于对比。从图2和3可见：在本发明的退火钢材中，单位面积中的碳化物数少；球化退火的碳化物间的间隔变宽；基体中的铁素体晶粒形成细的组织。
结果，本发明的机械结构钢棒或丝被高度软化(其强度下降)，从而可使该钢丝或棒具有极佳的冷加工质量。此外，由于加了B使该钢棒或丝有了改进了的淬透性，所以通过冷加工后的淬火回火，可使该钢棒或丝的强度得以恢复。
下面说明限定本发明钢的化学成份的理由。
C对于提高用作机械结构零件的钢的强度而言是必不可少的元素。当C含量小于0.1％(重量)时，成品(机械零件)的强度不足，而C含量大于0.5％(重量)时，该零件的韧性明显变差。因此将C含量定为0.1-0.5％(重量)。
Si是作为脱氧元素及提高最终产品强度的固溶强化元素而添加的。当Si含量小于0.01％(重量)时，Si的作用不足；而当其含量大于0.15％(重量)时，钢的韧性会恶化。此外，为降低钢中的氧含量，则希望用Al进行强脱氧。因此将Si含量定为0.01-0.15％(重量)。
Mn因提高了钢的淬透性从而提高最终产品的强度。当Mn含量小于0.2％(重量)时，其效果不充分，而Mn含量大于1.7％(重量)时，其效果饱和，并且钢的韧性明显变差。因此将Mn含量定为0.2-1.7％(重量)。
Al是作为脱氧元素以及细化晶粒元素而加的。当Al含量小于0.0005％(重量)时，该作用不充分，而其大于0.05％时，其作用饱和，并且钢的韧性变差。因此Al含量被限定为0.0005-0.05％(重量)。
为调节晶粒度及通过形成TiN来固定N而加Ti。当Ti含量小于0.005％(重量)时，此作用不充分，当其含量大于0.07时，其作用饱和，并且钢的韧性反而变差。因此将Ti含量定为0.005-0.07％(重量)。
在提高钢材淬透性方面，B和Mn是相类似的元素。此外，在轧制和冷却时，B形成Fe-B-C的特殊碳化物，结果B在使球化退火组织变软方面是有效的元素。当B含量小于0.0003％(重量)时不起该作用，而其大于0.007％(重量)时，钢的韧性较低。因此将B含量限定为0.0003-0.007％(重量)。
N防目奥氏体晶粒变粗，因而通过AlN的析出有助于细化铁素体-珠光体组织。当N含量小0.002％(重量)时，这种作用不佳，而当其含量大于0.02％时，钢的韧性变差。因此将N含量定为0.002-0.02％(重量)。
上述元素是本发明机械结构钢棒或丝中的基本组份。
此外，在本发明中必须限制作为不可避免的杂质所含有的P和O。
P在晶界上和钢材的中心部位形成偏析，从而使钢的韧性恶化。尤其是当P含量大于0.02％(重量)时，韧性的恶化变得十分明显。因此将P含量限制为不大于0.02％(重量)。
由于O与Al形成使钢材冷加工性能恶化的Al2O3，所以将O含量限为不大于0.003％(重量)。
本发明的钢还可含下述的任选的组份。
S作为MnS存于钢中，它有助于改善机加工性能和细化组织。S含量若小于0.003％(重量)，这种效果不足。另一方面，S含量大于0.15％(重量)时，这种效果就饱和了，而且钢的韧性反而变差。各向异性明显增强。出于上述原因，将S含量限于0.003-0.15％(重量)，以改善机加工性能。
在提高碳钢的淬透性方面，Cr与Mn相似。而在因固溶强化所引起的硬度上升方面，Cr比Mn差。以最高0.8％(重量)的量取代Mn而加Cr保证了淬透性，同时还提高了冷加工性能。为达到此目的，使Cr和Mn的总量在0.3-1.3％(重量)的范围内是最为合适的。但，如下文所述，当提高钢强度优先时，作为固溶强化元素的Cr的上限可为1.5％(重量)。
作为任选的强化元素可添加选自Cr、Ni、Mo、Nb和V中的一或多种元素，以使本发明的钢成为合金钢。
钢中的Cr同时提高淬透性和因固溶强化而提高其强度。但，Cr含量大于1.5％(重量)使冷加工性能恶化，所以将Cr含量的上限定为1.5％(重量)。
在提高延展性和韧性方面，Ni是有效的元素。当加Ni量大于3.5％时，Ni的这种作用就饱和了，而且使冷加工性能变差。由于Ni很贵因而增加钢的生产成本，所以加Ni量大于3.5％(重量)是不可取的。因此，将Ni含量的上限定为3.5％(重量)。
Mo是提高钢的淬透性及强度的元素。但，加Mo量大于1.0％(重量)，对强度的提高不明显，而且Mo是昂贵的元素。因此将Mo含量的上限定为1.0％(重量)。
Nb细化奥氏体晶粒尺寸，而且提高强度。当Nb含量小于0.005％(重量)时，得不到Nb的这种作用。加Nb量大于0.1％(重量)则明显恶化钢的韧性。因此将Nb含量限于0.005-0.1％(重量)。
V使奥氏体晶粒细化，并提高钢的强度。V含量小于0.03％(重量)时，得不到V的这种效果。加V量超过0.4％(重量)时，钢的韧性和冷锻性能变差。因此将V含量定为0.03-0.4％(重量)。
出于下述理由制定生产本发明机械结构钢棒或丝的工艺。
按本发明，首先进行低温轧制，该轧制要使钢材在终轧出口侧的表面温度落在Ar3-Ar3+150℃的范围内。Ar3是在冷却时由奥氏体转到铁素体的转变点。接着在至少为600℃的温度范围内以最高为0.7℃/秒的冷却速度使该钢材冷却。
当使钢材在终轧出口侧的表面温度落入Ar3-Ar3+150℃的温度范围内时，奥氏体晶粒被细化，而因晶界成为了铁素体的成核位点故促进了铁素体转变。虽然将表面温度正好保持在Ar3之上是可取的，但因而实际操作中将该表面温度保持在刚刚高于Ar3的温度是困难的，所以将表面温度的上限定为Ar3+150℃。
当钢材在终轧出口侧时的表面温度低于Ar3时，该钢材是在奥氏体和铁素体的双相区中被轧制的。结果，在轧后不能得到均匀而细的铁素体-珠光体组织，而且不希望地局部形成针状的铁素体-珠光体组织。
如图4中的CCT曲线所示，当在低温轧制后，钢材以最高0.7℃/秒的冷却速度冷却时，开始冷却后，立即发生铁素体转变，而且如虚线所示，铁素体转变的开始点向时间短的一侧移动，因而加大了铁素体的量。结果，珠光体转变也向时间短的一侧移动，因而转变温度上升。结果C的扩散速度加大并形成Fe-B-C的特殊碳化物[Fe23(CB)6]，因而析出一种球状碳化物。因此，层状珠光体的数量明显减少而铁素体组织被细化。
钢材的冷却速度被定为最高0.7℃/秒。当冷却速度大于0.7℃/秒时，铁素体-珠光体转变不能进行，因而不能完全形成所需要的组织。更好是将冷却速度定为最高0.3℃/秒。但，当冷却速度过低时，冷却所花费的时间就长得不合实际了。
为完成所需的组织转变，钢材必须在终轧后缓冷，冷却的温度范围是至少600℃，冷却速度最高为0.7℃/秒。当该钢材以不大于0.3℃/秒的较低冷却速度冷却时，此钢材应在终轧后于至少650℃的温度范围内缓冷。缓冷之后，该钢材在普通的冷却条件下冷却，比如，使其一直冷至室温。可用公知的方法，如温水(20-99℃)或鼓风使钢材冷却。
冷至室温的组织包含图1所示的铁素体、层状珠光体和碳化物(球状碳化物)。层状珠光体的量随C含量而变。为得到低强度的轧制钢材，层状珠光体的量，在冷却速度为最高0.7℃/秒时必须为不大于90×C％(重量)，在冷却速度为最高0.3℃/秒时，必须为不大于65×C％(重量)。出于同样的理由，铁素体晶粒度(JISG0552)必须为至少9级。
第三发明的钢是含有强化元素的合金钢，而且层状珠光体的量因受强化元素的影响而增加。当该合金钢以最高0.7℃/秒或最高0.3℃/秒冷却时，层状珠光体的以面积比计的量应分别为最高170×C％(重量)或120×C％(重量)。
对冷至室温后的钢材实施球化退火，以使钢棒或丝具有包含铁素体和球状碳化物的显微组织。图2展示了使本发明的经轧制的钢材施以720℃、20小时的球化退火后得到的显微组织的典型实例。使该钢材球化退火所得到的组织的铁素体晶粒度(按JIS G0552)为至少8级，单位面积(mm2)中的球状碳化物数目为最多1.5×106×C％(重量)，更好是最多4×105×C％(重量)。当铁素体晶粒度和球状碳化物数超出上述范围时，不能使强度充分下降。
第三发明的合金钢中的球状碳化物数目因受强化元素的影响而增加。因此本发明合金钢中单位面积mm2内的球状碳化物数为最多达7.5×106×C％(重量)，更好是为最多2×106×C％(重量)。
下面将说明本发明的机械结构钢棒或丝的软化程度。
图5展示了本发明钢和常规的JIS级钢的生产条件和抗拉强度间的关系。图5中每种钢的C含量均为0.45％(重量)。此外，本发明钢的化学成份(％重量)为：0.45％C、0.04％Si、0.35％Mn、0.0020％B。该JIS级的钢为JIS S45C，其化学成份为(％重量)：0.45％C、0.25％Si、0.80％Mn。
当按普通方式热轧该公知的JIS级钢并使之冷却时，其轧材态时的强度为68kgf/mm2，而球化退火态时的强度为55kgf/mm2。
当按普通方式轧制具有本发明范围内的化学成份的钢并使其冷却时，其轧材态时的强度为57kgf/mm2，而球化退火态时的强度为47kgf/mm2。
与上述过程不同的是，当低温轧制其有本发明范围内的化学成份的钢，并使之极慢地冷却时，其轧材态下的强度为46kgf/mm2，而其球化退火态时的强度为39.5kgf/mm2。
从图5可知，虽然本发明钢的C含量为0.45％(重量)，但其经球化退火的钢材的强度低至40kgf/mm2。这就是说，与常规球化退火钢材相比，本发明钢将软化程度提高了约30％(强度水平降低约15kgf/mm2)。由于本发明钢的淬透性高，所以即使它在退火状态下已被软化，但仍能通过淬火回火保证其作为机械零件时的最终强度。因此，即使高碳钢材也可冷锻并可得到高强度的机械零件。此外，由于本发明的钢材比常规的退火钢材软得多，所以冷锻时可使模具寿命大为延长，并可用它生产出甚至形状复杂的产品。
实施例
实施例1
在表2所示的条件下轧制具有表1所列化学成分的钢材，并使之冷却以得到线材。通过将该轧制的钢材于710-740℃加热3-5小时使之球化退火，然后使此加过热的钢材冷却。检测所得钢材的显微组织及性能，结果示于表3和4中。在用该钢材制成的缺口压缩试块进行0.7的实际应变的压缩试验时，通过观察有、无裂纹出现来评价此钢材的冷锻性能。标记○和×分别表示无和有裂纹形成。
在表3中，实施方案1-4分别与上述的(1)-(4)项中的钢棒或钢丝的实施方案相对应。在表4中，实施方案5与上述第二发明中的工艺(5)-(7)项中的实施例相对应，而实施方案6与上述第二发明中的工艺(8)项中的实施例相对应。
从表3和4可知，符合本发明的每种退火钢材都显示出优于对比钢材的低强度和优良的冷锻性能。
实施例2
在表2所示条件下轧制具有表5所示化学成份的钢材，并使之冷却从而得到一种钢丝。通过将此轧成的钢材在760-770℃的温度下加热3-6小时使之球化退火，然后使之冷却。检测所得钢材的显微组织和性能，结果示于表6和7中。本发明的每种钢材都呈现出优于对比例钢材的低强度和好的冷锻性能。通过在用每种钢材制成的带缺口的压缩试块进行的0.7实际应变的压缩试验时观察有无裂纹形成来评价各钢材的冷锻性能。标记○和×分别表示无和有裂纹出现。
在表6中，实施方案7和8分别与上述第三发明的(9)和(10)项中的钢棒或钢丝的实施方案相对应；在表7中，实施方案9和10分别与上述第4发明的(11)和(12)项中的实施例相对应。
从表6和7可见，符合本发明的每种退火钢材呈现出优于对比钢材的低强度和优良的冷锻性能。
表1 (重量％)
| 类别 | 钢的级别 | C | Si | Mn | Al | Ti | B | N | P | O | S | Cr |
| 本发明的钢 | A | 0.24 | 0.13 | 0.98 | 0.025 | 0.041 | 0.0020 | 0.0034 | 0.020 | 0.0009 | - | - |
| B | 0.33 | 0.04 | 0.82 | 0.029 | 0.030 | 0.0019 | 0.0042 | 0.014 | 0.0014 | - | - | |
| C | 0.40 | 0.05 | 0.35 | 0.030 | 0.029 | 0.0021 | 0.0043 | 0.012 | 0.0007 | - | - | |
| D | 0.45 | 0.04 | 0.29 | 0.029 | 0.042 | 0.0019 | 0.0048 | 0.008 | 0.0009 | - | - | |
| E | 0.48 | 0.04 | 0.32 | 0.026 | 0.027 | 0.0022 | 0.0052 | 0.014 | 0.0013 | - | - | |
| F | 0.41 | 0.04 | 1.05 | 0.030 | 0.028 | 0.0020 | 0.0047 | 0.009 | 0.0009 | - | - | |
| G | 0.45 | 0.05 | 1.10 | 0.031 | 0.022 | 0.0019 | 0.0051 | 0.009 | 0.0008 | - | - | |
| H | 0.39 | 0.03 | 1.38 | 0.029 | 0.028 | 0.0021 | 0.0047 | 0.009 | 0.0007 | - | - | |
| I | 0.24 | 0.12 | 0.95 | 0.027 | 0.042 | 0.0019 | 0.0045 | 0.024 | 0.0009 | 0.019 | - | |
| J | 0.45 | 0.03 | 0.31 | 0.025 | 0.026 | 0.0020 | 0.0052 | 0.012 | 0.0012 | 0.007 | - | |
| K | 0.34 | 0.04 | 0.35 | 0.034 | 0.027 | 0.0019 | 0.0048 | 0.014 | 0.0008 | 0.018 | - | |
| L | 0.24 | 0.05 | 0.92 | 0.027 | 0.043 | 0.0020 | 0.0043 | 0.008 | 0.0008 | - | 0.30 | |
| M | 0.44 | 0.04 | 0.29 | 0.028 | 0.039 | 0.0020 | 0.0045 | 0.013 | 0.0014 | - | 0.14 | |
| N | 0.43 | 0.05 | 0.50 | 0.029 | 0.040 | 0.0019 | 0.0051 | 0.010 | 0.0010 | - | 0.35 | |
| O | 0.34 | 0.04 | 0.31 | 0.031 | 0.031 | 0.0020 | 0.0047 | 0.014 | 0.0009 | - | 0.20 | |
| P | 0.44 | 0.03 | 0.51 | 0.029 | 0.041 | 0.0019 | 0.0049 | 0.012 | 0.0012 | 0.019 | 0.75 | |
| Q | 0.45 | 0.05 | 0.30 | 0.028 | 0.029 | 0.0022 | 0.0052 | 0.013 | 0.0014 | 0.023 | 0.42 | |
| R | 0.43 | 0.04 | 0.29 | 0.029 | 0.038 | 0.0022 | 0.0048 | 0.009 | 0.0008 | 0.042 | 0.31 | |
| 对比钢 | S | 0.44 | 0.19 | 0.74 | 0.025 | - | - | 0.0053 | 0.015 | 0.0015 | 0.007 | 0.04 |
| T | 0.35 | 0.24 | 0.82 | 0.029 | - | - | 0.0049 | 0.010 | 0.0014 | 0.008 | 0.12 |
表2
| 轧制条件级别 | 终轧出口侧钢材的表面温度℃ | 轧制后的冷却速率℃/秒 | |
| -600℃ | -650℃ | ||
| I | 740-780 | 0.3-0.6 | |
| II | 740-780 | 0.05-0.2 | |
| III | 900 | 1.2 | |
表3
| 类别 | 钢NO. | 钢的级别 | 轧制条件 | 退火钢材的组织和性能 | |||||
| 铁素体晶粒度 | 每mm2上S.C.+数 | 1.5×108×C％ | 4×105×C％ | T.S.*kgf/mm2 | 冷锻性能 | ||||
| 发明范围 | ≥No.8 | ≤1.5×109C％(EMBDS 1-3)≤4×105C％(EMBD**4) | |||||||
| 实施方案1 | 1 | C | I | 10.2 | 2.2×105 | 6.0×105 | 42 | ○ | |
| 2 | D | I | 10.6 | 2.7×105 | 6.8×105 | 45 | ○ | ||
| 3 | G | I | 10.8 | 3.0×105 | 6.8×105 | 46 | ○ | ||
| 实施方案2 | 4 | J | I | 11.0 | 2.6×105 | 6.8×105 | 45 | ○ | |
| 5 | H | I | 11.4 | 2.1×105 | 5.1×105 | 41 | ○ | ||
| 实施方案3 | 6 | M | I | 11.2 | 2.5×105 | 6.6×105 | 45 | ○ | |
| 7 | O | I | 10.7 | 2.0×105 | 5.1×105 | 42 | ○ | ||
| 8 | Q | I | 10.9 | 2.7×105 | 6.8×105 | 45 | ○ | ||
| 实施方案4 | 9 | A | II | 8.7 | 4.0×104 | 9.6×104 | 35 | ○ | |
| 10 | B | II | 9.6 | 5.2×104 | 1.3×105 | 36 | ○ | ||
| 11 | D | II | 10.1 | 7.6×104 | 1.8×105 | 39 | ○ | ||
| 12 | E | II | 10.3 | 8.0×104 | 1.9×105 | 42 | ○ | ||
| 13 | F | II | 9.9 | 7.1×104 | 1.6×105 | 37 | ○ | ||
| 14 | G | II | 10.3 | 8.0×104 | 1.8×105 | 40 | ○ | ||
| 15 | H | II | 9.6 | 7.0×104 | 1.6×105 | 37 | ○ | ||
| 16 | I | II | 8.8 | 4.1×104 | 9.6×104 | 35 | ○ | ||
| 17 | J | II | 10.3 | 7.7×104 | 1.8×105 | 39 | ○ | ||
| 18 | L | II | 8.9 | 4.0×104 | 9.6×104 | 35 | ○ | ||
| 19 | M | II | 10.4 | 7.4×104 | 1.8×105 | 39 | ○ | ||
| 20 | N | II | 9.9 | 7.5×104 | 1.7×105 | 38 | ○ | ||
| 21 | P | II | 9.5 | 7.6×104 | 1.8×105 | 39 | ○ | ||
| 22 | Q | II | 10.5 | 7.8×104 | 1.8×105 | 40 | ○ | ||
| 23 | R | II | 10.2 | 7.6×104 | 1.7×105 | 39 | ○ | ||
| 对比例 | 24 | S | III | 8.5 | 7.1×105 | 6.6×105 | 1.8×105 | 52 | × |
| 25 | T | III | 7.8 | 5.8×105 | 5.3×105 | 1.4×105 | 46 | × | |
注：S.C.+＝球状碳化物
T.S.*＝抗拉强度
EMBD**＝实施方案
表4
| 类别 | 钢NO. | 钢的级别 | 终轧出口侧钢材的表面温度℃ | Ar3℃ | Ar3+150℃ | 轧制后的冷却速率℃/秒 | |
| -600℃ | -650℃ | ||||||
| 发明范围 | Ar3-Ar3+150 | ≤0.7 | ≤0.3 | ||||
| 实施方案5 | 1 | D | 750 | 700 | 850 | 0.47 | |
| 2 | J | 760 | 700 | 850 | 0.39 | ||
| 3 | Q | 760 | 700 | 850 | 0.32 | ||
| 4 | M | 750 | 700 | 850 | 0.35 | ||
| 实施方案6 | 5 | D | 750 | 700 | 850 | 0.08 | |
| 6 | J | 760 | 700 | 850 | 0.07 | ||
| 7 | Q | 760 | 700 | 850 | 0.08 | ||
| 8 | M | 750 | 700 | 850 | 0.17 | ||
| 对比例 | 9 | S | 900 | 700 | 850 | 1.2 | |
表4 (续)
| 类别 | 钢NO. | 钢的级别 | 轧后钢材的组织 | 退火钢材的组织和性能 | ||||
| 层状珠光体的数量％ | 90×C％ | 65×C％ | 铁素体晶粒度 | 抗拉强度kgf/mm2 | 冷锻性能 | |||
| 发明范围 | ≤90×C％(实施方案5)≤65×C％(实施方案6) | ≥No.9 | ||||||
| 实施方案5 | 1 | D | 22 | 40.5 | 11.7 | 43 | ○ | |
| 2 | J | 20 | 40.5 | 11.4 | 42 | ○ | ||
| 3 | Q | 19 | 40.5 | 11.2 | 42 | ○ | ||
| 4 | M | 18 | 39.6 | 11.5 | 42 | ○ | ||
| 实施方案6 | 5 | D | 10 | 29.3 | 9.4 | 39 | ○ | |
| 6 | J | 8 | 29.3 | 9.5 | 39 | ○ | ||
| 7 | Q | 11 | 29.3 | 9.4 | 39 | ○ | ||
| 8 | M | 13 | 28.6 | 9.7 | 40 | ○ | ||
| 对比例 | 9 | S | 55 | 39.6 | 28.6 | 8.4 | 52 | × |
表5 (重量％)
| 类别 | 钢的级别 | C | Si | Mn | Al | Ti | B | N | P | O | S | Cr |
| 本发明的钢 | a | 0.34 | 0.04 | 0.42 | 0.029 | 0.041 | 0.0020 | 0.0042 | 0.013 | 0.0011 | 0.007 | 1.02 |
| b | 0.35 | 0.05 | 0.37 | 0.030 | 0.039 | 0.0021 | 0.0043 | 0.012 | 0.0007 | 0.008 | 1.10 | |
| c | 0.33 | 0.04 | 0.28 | 0.027 | 0.040 | 0.0019 | 0.0050 | 0.008 | 0.0010 | 0.011 | 0.83 | |
| d | 0.35 | 0.04 | 0.52 | 0.026 | 0.031 | 0.0022 | 0.0048 | 0.012 | 0.0011 | 0.007 | 1.23 | |
| e | 0.35 | 0.04 | 0.35 | 0.030 | 0.029 | 0.0020 | 0.0047 | 0.009 | 0.0009 | 0.008 | 1.02 | |
| f | 0.39 | 0.04 | 0.37 | 0.029 | 0.030 | 0.0021 | 0.0053 | 0.009 | 0.0008 | 0.008 | 1.85 | |
| g | 0.35 | 0.05 | 0.53 | 0.028 | 0.038 | 0.0019 | 0.0047 | 0.010 | 0.0013 | 0.008 | 1.13 | |
| h | 0.36 | 0.06 | 0.36 | 0.030 | 0.032 | 0.0019 | 0.0045 | 0.014 | 0.0009 | 0.009 | 0.85 | |
| I | 0.20 | 0.04 | 0.40 | 0.026 | 0.030 | 0.0020 | 0.0046 | 0.008 | 0.0009 | 0.007 | 1.12 | |
| j | 0.19 | 0.05 | 0.34 | 0.026 | 0.029 | 0.0020 | 0.0044 | 0.010 | 0.0011 | 0.008 | 1.17 | |
| k | 0.41 | 0.05 | 0.36 | 0.030 | 0.027 | 0.0019 | 0.0050 | 0.014 | 0.0011 | 0.015 | 1.20 | |
| l | 0.40 | 0.04 | 0.35 | 0.029 | 0.025 | 0.0020 | 0.0047 | 0.010 | 0.0010 | 0.016 | 1.03 | |
| 对比钢 | m | 0.35 | 0.22 | 0.77 | 0.030 | - | - | 0.0056 | 0.019 | 0.0017 | 0.013 | 1.02 |
表5 (续)
| 类别 | 钢的级别 | Ni | Mo | Nb | V |
| 本发明的钢 | a | - | - | - | - |
| b | - | 0.17 | - | - | |
| c | 1.73 | 0.16 | - | - | |
| d | - | - | 0.025 | - | |
| e | 1.68 | 0.17 | 0.027 | - | |
| f | 1.68 | 0.17 | 0.025 | - | |
| g | - | 0.16 | - | 0.10 | |
| h | 1.75 | 0.15 | 0.024 | 0.09 | |
| I | - | - | 0.025 | - | |
| j | - | 0.17 | 0.026 | - | |
| k | - | - | - | - | |
| l | - | 0.16 | 0.025 | - | |
| 对比钢 | m | - | 0.16 | - | - |
表6
| 类别 | 钢NO . | 钢的级别 | 轧制条件 | 退火钢材的组织和性能 | |||||
| 铁素体晶粒度 | 每mm2上S.C.+数 | 7.5×108×C％ | 2×106×C％ | T.S.*kgf/mm2 | 冷锻性能 | ||||
| 发明范围 | ≥No.8 | ≤7.5×108C％(EMBDS**7)≤2×106C％(EMBD**8) | |||||||
| 实施方案7 | 1 | a | I | 10.7 | 1.0×106 | 2.6×106 | 45 | ○ | |
| 2 | b | I | 10.8 | 1.1×106 | 2.6×106 | 45 | ○ | ||
| 3 | C | I | 10.8 | 9.5×105 | 2.5×106 | 44 | ○ | ||
| 4 | e | I | 10.7 | 1.0×106 | 2.6×106 | 45 | ○ | ||
| 5 | f | I | 10.5 | 1.3×106 | 2.9×106 | 47 | ○ | ||
| 6 | h | I | 10.6 | 1.2×106 | 2.7×106 | 46 | ○ | ||
| 7 | j | I | 9.8 | 5.5×105 | 1.4×106 | 40 | ○ | ||
| 8 | l | I | 11.0 | 1.5×106 | 3.0×106 | 47 | ○ | ||
| 实施方案8 | 9 | a | II | 10.1 | 2.9×105 | 6.8×105 | 38 | ○ | |
| 10 | b | II | 10.0 | 3.0×105 | 7.0×105 | 40 | ○ | ||
| 11 | C | II | 10.2 | 2.7×105 | 6.6×105 | 43 | ○ | ||
| 12 | d | II | 10.0 | 3.0×105 | 7.0×105 | 41 | ○ | ||
| 13 | e | II | 10.3 | 2.9×105 | 7.0×105 | 41 | ○ | ||
| 14 | f | II | 10.1 | 2.3×105 | 7.8×105 | 44 | ○ | ||
| 15 | g | II | 10.0 | 2.9×105 | 7.0×105 | 43 | ○ | ||
| 16 | h | II | 10.2 | 3.1×105 | 7.2×105 | 44 | ○ | ||
| 17 | I | II | 9.3 | 1.8×105 | 4.0×105 | 37 | ○ | ||
| 18 | j | II | 9.2 | 1.5×105 | 3.8×105 | 39 | ○ | ||
| 19 | k | II | 10.4 | 3.4×105 | 8.2×105 | 44 | ○ | ||
| 20 | l | II | 10.3 | 3.3×105 | 8.0×105 | 45 | ○ | ||
| 对比例 | 21 | m | III | 8.0 | 3.0×106 | 6.6×105 | 7.0×105 | 52 | × |
注：S.C.+＝球状碳化物
T.S.*＝抗拉强度
EMBD**＝实施方案
表7
| 类别 | 钢NO. | 钢的级别 | 终轧出口侧钢材的表面温度℃ | Ar3℃ | Ar3+150℃ | 轧制后的冷却速率℃/秒 | |
| -600℃ | -650℃ | ||||||
| 发明范围 | Ar3-Ar3+150 | ≤0.7(实施方案9) | ≤0.3(实施方案10) | ||||
| 实施方案9 | 1 | b | 750 | 700 | 850 | 0.45 | |
| 2 | e | 750 | 700 | 850 | 0.41 | ||
| 3 | h | 760 | 700 | 850 | 0.33 | ||
| 实施方案10 | 4 | b | 760 | 700 | 850 | 0.07 | |
| 5 | e | 750 | 700 | 850 | 0.08 | ||
| 6 | h | 750 | 700 | 850 | 0.15 | ||
| 对比例 | 7 | n | 910 | 700 | 850 | 1.2 | |
表7 (续)
| 类别 | 钢NO. | 钢的级别 | 轧后钢材的组织 | 退火钢材的组织和性能 | ||||
| 层状珠光体的数量％ | 170×C％ | 120×C％ | 铁素体晶粒度 | 抗拉强度kgf/mm2 | 冷锻性能 | |||
| 发明范围 | ≤120×C％(实施方案9)≤120×C％(实施方案10) | ≥No.9 | ||||||
| 实施方案9 | 1 | b | 34 | 59.5 | 11.8 | 45 | ○ | |
| 2 | e | 29 | 59.5 | 11.7 | 45 | ○ | ||
| 3 | h | 29 | 61.2 | 10.9 | 43 | ○ | ||
| 实施方案10 | 4 | b | 16 | 42.0 | 9.8 | 39 | ○ | |
| 5 | e | 19 | 42.0 | 9.9 | 39 | ○ | ||
| 6 | h | 22 | 43.2 | 10.3 | 40 | ○ | ||
| 对比例 | 7 | n | 63 | 59.5 | 42.0 | 8.7 | 52 | × |
本发明的机械结构钢棒或丝的软化程度比常规的球化退火钢材高约30％。因此，在冷锻时模具寿命大为提高，并且可用其经冷锻生产甚至形状复杂的机械零件。此外，由于可使高碳钢材经受冷锻，因而可以得到高强度的机械零件。
Claims (12)
1.一种具有优良冷加工性能的机械结构钢棒或丝，它含有(％重量)：0.1-0.5％C、0.01-0.15％Si、0.2-1.7％Mn、0.0005-0.05％Al、0.005-0.07％Ti、0.0003-0.007％B、0.002-0.02％N、及余量的Fe和不可避免的杂质，该不可避免的杂质包括不大于0.02％的P和不大于0.003％的O，而且它还具有包含铁素体和球状碳化物的显微组织，该铁素体的晶粒度，按JIS G0522，为至少8级，而且每单位面积mm2中的球状碳化物数为最多1.5×10-6×C％(重量)。
2.权利要求1的钢棒或丝，其中该钢棒或丝还含0.003-0.15％(重量)的S。
3.权利要求1或2的钢棒或丝，其中该钢棒或丝还含不大于0.8％(重量)的Cr，而Mn和Cr的总含量为0.3-1.3％(重量)。
4.权利要求1-3中任一项的钢棒或丝，其中单位面积mm2中的球状碳化物数为不大于4×105×C％(重量)。
5.权利要求1或2的钢棒或丝，其中该钢棒或丝还含至少一种选自不大于1.5％(重量)的Cr、不大于3.5％(重量)的Ni、不大于1.0％(重量)的Mo、0.005-0.1％(重量)的Nb及0.03-0.4％(重量)的V的元素，而且单位面积mm2中的球状碳化物数为不大于7.5×106×C％(重量)。
6.权利要求5的钢棒或丝，其中的单位面积mm2中的球状碳化物数为不大于2×106×C％(重量)。
7.生产权利要求1的具有优良冷加工性能的机械结构钢棒或丝的工艺，它包括：热轧含(％重量)0.1-0.5％C、0.01-0.15％Si、0.2-1.7％Mn、0.0005-0.05％Al、0.005-0.07％Ti、0.0003-0.007％B、0.002-0.02％N及余量的Fe及不可避免杂质的钢，该不可避免杂质包括不大于0.02％的P和不大于0.003％的O，同时将最终精轧出口侧的该钢材的表面温度保持在Ar3至Ar3+150℃；以不大于0.7℃/秒的冷却速度，在精轧温度至600℃的温度范围内使该热轧钢材冷却，从而使该冷至室温的钢材的组织包含铁素体、层状珠光体和球状碳化物，该层状珠光体的，以面积比计的量为不大于90×C％(重量)，铁素体晶粒度根据JIS G0522为至少9级；及使该钢材球化退火。
8.权利要求7的工艺，其中该钢还含0.003-0.15％(重量)的S。
9.权利要求7或8的工艺，其中该钢含(％重量)不大于0.8％的Cr而Mn和Cr的总含量为0.3-1.3％。
10.权利要求7-9中任一项的工艺，其中以不大于0.3℃/秒的冷却速度在精轧温度至650℃的温度范围内使该热轧钢材冷却，而且层状珠光体按面积比计的量为不大于65×C％(重量)。
11.权利要求7或8的工艺，其中该钢还含(％重量)至少一种选自不大于1.5％的Cr、不大于3.5％的Ni、不大于1.0％的Mo、0.005-0.1％的N和0.03-0.4％的V中的元素，而且按面积比计的，层状珠光体的量为不大于170×C％(重量)。
12.权利要求11的工艺，其中以不大于0.3℃/秒的速度在精轧温度至650℃的温度范围内使该热轧钢材冷却，从而按面积比计的，层状珠光体的量不大于120×C％(重量)。
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