CN112703266B - 软化热处理时间缩短型冷镦线材及其制造方法 - Google Patents

软化热处理时间缩短型冷镦线材及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种软化热处理缩短型冷镦线材及其制造方法。对于本发明的冷镦线材，以重量％计，该线材包含C：0.15％～0.5％、Si：0.02％～0.4％、Mn：0.3％～1.2％、Al：0.02％～0.05％、P：0.03％以下、S：小于0.01％、N：小于0.01％，余量包含Fe和其他不可避免的杂质，其内部组织包含20面积％～90面积％的先共析铁素体组织、5面积％以下的贝氏体和马氏体组织以及残余珠光体组织，平衡先共析铁素体分数中80％以上是平均粒径为5μm以下的先共析铁素体组织，并且上述每个微细组织的超微硬度满足关系式1和关系式2。

Description

软化热处理时间缩短型冷镦线材及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种软化热处理时间缩短型冷镦线材的制造。更具体地，本发明涉及一种冷镦线材及其制造方法，通过控制轧制后线材的微细组织，可以缩短后续软化热处理时间。
背景技术
为了使线材软化，通常进行球化热处理。球化热处理对渗碳体进行球状化处理，并诱导出均匀的粒子分布，以在冷成型时提高冷加工性。另外，为了提高加工模具的寿命，可以尽量降低所加工的材料的硬度。为了达到上述的两个目的，作为材料的软化概念利用了球化热处理。
这种球化热处理大致分为两种。一种是在低于共析温度下长时间加热的方法，主要用于热轧产品的球化处理(sub-critical annealing)。另一种是在共析温度和奥氏体化温度之间进行加热后极缓慢冷却以得到球化组织的方法(inter-critical annealing)。
当原始组织由珠光体组成时，在球化热处理温度下进行球化的过程是高温下的扩散导致产生片状(lamellar)渗碳体的缺陷或者在末端处的与平坦界面的曲率之差所造成的碳浓度梯度，进而片状渗碳体碎裂，为了降低界面能，后续被球化。
为了这种球化软化处理，需要额外的工艺步骤以及很多时间和成本，因此优选尽量缩短工艺时间，故正在研发上述的缩短球化软化处理工艺的技术。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：韩国专利申请公开公报2018-0072965(2018.07.02公开)
发明内容
技术问题
因此，本发明旨在提供一种冷镦线材及其制造方法，通过将轧制后线材的组织控制成含有先共析铁素体分数为平衡相的80％以上的具有5μm以下的晶体粒径的微细先共析铁素体和分数为5％以下的贝氏体/马氏体、残余珠光体组织的复合组织，可以缩短软化热处理时间。
另外，本发明中要解决的技术问题不限于上面提及的技术问题，并且本发明所属技术领域的普通技术人员可以通过下面的记载清楚地理解未提及的其他技术问题。
技术方案
为了达到上述目的，
本发明提供一种可缩短软化热处理时间的冷镦线材，以重量％计，该线材包含C：0.15％～0.5％、Si：0.02％～0.4％、Mn：0.3％～1.2％、Al：0.02％～0.05％、P：0.03％以下、S：小于0.01％、N：小于0.01％，余量包含Fe和其他不可避免的杂质，
其内部组织包含20面积％～90面积％的先共析铁素体组织、5面积％以下的贝氏体和马氏体组织以及残余珠光体组织，平衡先共析铁素体分数中80％以上是平均粒径为5μm以下的先共析铁素体组织，并且
上述每个微细组织的超微硬度满足下述关系式1和关系式2。
[关系式1]
先共析铁素体：硬度(Hv)≥128+61*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)
[关系式2]
珠光体：硬度(Hv)≤254+23*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)
上述C优选满足0.4％～0.5％范围。
此外，本发明提供一种可缩短软化热处理时间的冷镦线材的制造方法，该制造方法包含如下工艺：
将具有上述组分的钢材加热到900℃以上～1050℃以下，然后在180分钟以内保持温度；
将上述钢材的奥氏体晶粒尺寸(AGS)控制在5μm～20μm范围；
将上述控制AGS的钢材在Ae3以下～730℃以上的温度下以0.3～2.0的应变量热精轧成线材形状；以及
将上述热精轧后的线材以3℃/s～20℃/s的冷却速度进行冷却。
上述C优选满足0.4％～0.5％范围。
对于上述通过冷却来制造的线材，
其内部组织包含20面积％～90面积％的先共析铁素体组织、5面积％以下的贝氏体和马氏体组织以及残余珠光体组织，平衡先共析铁素体分数中80％以上可以是平均粒径为5μm以下的先共析铁素体组织，并且
上述每个微细组织的超微硬度优选满足下述关系式1和关系式2。
[关系式1]
先共析铁素体：硬度(Hv)≥128+61*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)
[关系式2]
珠光体：硬度(Hv)≤254+23*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)
上述制造方法还可包含对上述冷却后的线材进行球化热处理的工艺。
上述球化热处理后珠光体中渗碳体(cementite)的纵横比可为2.5以下。
发明效果
对于具有如上所述的技术特征的本发明，通过优化所制造的线材微细组织，可以在较短的软化热处理时间内获得具有所需特性的线材，因此具有减少制造成本和时间的有用的效果。
附图说明
图1是示出热精轧前钢材的AGS的组织图片，(a)示出了发明例1，(b)示出了比较例5。
图2是示出线材轧制后通过冷却获得的线材的微细组织的图片，(a)示出了发明例2，(b)示出了比较例1。
图3是示出球化热处理后的线材的微细组织的图片，(a)示出了发明例1，(b)示出了比较例1。
具体实施方式
在下文中，对本发明进行描述。
本发明涉及一种热处理缩短型线材的制造方法，通过轧制使钢材中产生先共析铁素体以诱导晶粒微细化，从而在材料的软化热处理中加快碳的扩散，由此获得软化线材，以重量％计，该钢材包含C：0.15％～0.5％、Si：0.02％～0.4％、Mn：0.3％～1.2％、Al：0.02％～0.05％、P：0.03％以下、S：小于0.01％、N：小于0.01％，余量包含Fe和其他不可避免的杂质。
下面说明限制本发明的线材组成成分及其含量的理由。在本文中，除非另有定义，否则％表示重量％。
·C：0.15％～0.5％
将上述碳的含量限制在0.15％～0.5％的理由在于，如果碳含量大于0.5％，则几乎所有组织会由珠光体组成，难以确保所需的先共析铁素体亚晶粒，如果碳含量小于0.15％，则先共析铁素体分数增加，因此晶粒不会变得微细，QT热处理时很难转变为马氏体微细组织，而且在上述马氏体组织中，由于碳含量低，也难以确保充分的强度。
在本发明中，更优选将C的含量限制在0.4％～0.5％的范围。
·Si：0.02％～0.4％
将上述硅(Si)的含量限制在0.02％～0.4％的理由在于，Si是典型的置换型元素，对确保钢的强度影响很大。如果硅含量小于0.02％，则难以确保钢的强度，而如果硅含量大于0.4％，则线材轧制中会促进生成脱碳组织，因此需要增加去除成本，而且在锻造时，由于强度上升很难进行锻造。
·Mn：0.3％～1.2％
上述锰(Mn)在基体组织中会形成置换型固溶体并降低A1温度，从而使珠光体层间距微细化。另外，由于增加先共析铁素体组织中的亚晶粒，其含量限制在0.3％～1.2％。如果上述锰的加入量大于1.2％，则由于锰偏析所导致的组织不均匀，将会产生不良影响。在钢凝固时，根据偏析机理容易发生宏观偏析和微观偏析，而对于锰偏析，因为扩散系数相对低于其他元素，将会促进形成偏析带，由此导致的可硬化性增加成为产生中心部低温组织(心部马氏体)的主要原因。此外，如果上述锰的加入量小于0.3％，则可能难以确保QT后用于确保马氏体组织的充分的淬透性。
·Al：0.02％～0.05％
在本发明中，上述铝含量优选限制在0.02％～0.05％。如果铝含量小于0.02％，则难以确保充分的脱氧能力，而如果铝含量大于0.05％，则Al2O3等硬质夹杂物可能会增加，特别是在连铸时可能会发生夹杂物导致水口堵塞。
·N：小于0.01％
在本发明中，氮的含量应控制成小于0.01％。当氮含量为0.01％以上时，由于未结合成析出物而固溶的氮，材料的韧性/延性可能会下降。
·P：0.03％以下，S：小于0.01％
P和S为杂质，P会偏析到晶界而降低韧性，因此磷含量优选限制在0.03％以下。另外，S作为低熔点元素会偏析到晶界而降低韧性，并且形成硫化物，对产品有不良影响，因此硫含量优选控制成小于0.01％。
另外，对于本发明的冷镦线材，其内部组织包含20面积％～90面积％的先共析铁素体组织、5面积％以下的贝氏体和马氏体组织以及残余珠光体组织，平衡先共析铁素体分数中80％以上是平均粒径为5μm以下的先共析铁素体组织。
在本发明中，平衡先共析铁素体分数是指在各组分的相图中A1之上的温度下基于杠杆定律的先共析铁素体分数。在本发明中，利用了Thermo calc.软件中计算的相图。
本发明的特征是具有这种平衡先共析铁素体分数为80％以上的先共析铁素体组织。相较于一般的冷却过程中生成和生长的线材中的先共析铁素体，在Ae3以下～730℃的温度下精轧中先共析铁素体生成和生长，而且在冷却过程中生长，因此本发明钢的先共析铁素体分数高于通过常规方法制造的相同组分的线材中的先共析铁素体分数。
在本发明中，将先共析铁素体的平均粒径限制在5μm以下的理由在于，上述先共析铁素体在精轧过程中快速生成，从而使晶粒微细化，这是因为在后续工艺即软化热处理时通过上述微细的晶粒加快碳的扩散，从而可以在比通常更短的时间内获得球化组织。另外，将贝氏体和马氏体组织的面积率控制成5％以下的理由在于，当存在上述组织时，在软化热处理前的拉拔工艺或者开卷时材料可能会断线。
此外，对于本发明的线材，根据晶粒微细化的线材的硬度高于常规材料，对每个微细组织以超微硬度进行测定时，与常规材料相比，铁素体的硬度值高，相反地珠光体的硬度值低。也就是说，在本发明中，优选使上述每个微细组织的超微硬度满足下述关系式1和关系式2。通过满足下述关系式1-2，在进行相同的球化热处理时，具有球化时间缩短效果。线材的每个微细组织的硬度随着合金元素(C、Si、Mn)增加而增加，但是本发明材料的先共析铁素体具有高于常规材料的硬度值，而珠光体与常规材料相比硬度值低，根据下述关系式来区分。
[关系式1]
先共析铁素体：硬度(Hv)≥128+61*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)
[关系式2]
珠光体：硬度(Hv)≤254+23*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)
接下来，详细描述可以加快本发明的软化热处理的制造超细线材的方法。
本发明的可缩短软化热处理时间的冷镦线材的制造方法，该制造方法包含如下工艺：将具有上述的组分的钢材加热到900℃～1050℃范围，然后保持一定时间；将上述钢材的奥氏体晶粒尺寸(AGS)控制在5μm～20μm范围；将上述控制AGS的钢材在Ae3以下～730℃以上的温度下以0.3～2.0的应变量热精轧成线材形状；以及将上述热精轧后的线材以3℃/s～20℃/s的冷却速度进行冷却。
首先，本发明将具有上述的组分的钢材加热到900℃～1050℃范围，然后在180分钟以内保持温度。当上述加热温度高于1050℃时，AGS会大幅生长，进而在精轧中以更多的应变量诱导先共析铁素体，因此晶粒微细化存在问题，当低于900℃时，由于粗轧中压下量增加，设备会超负荷运转。另外，当保持时间超过180分钟时，由于如上所述的理由，AGS会大幅生长，进而精轧中以更多的应变量诱导先共析铁素体，因此晶粒微细化存在问题。
接着，在本发明中，热精轧前将上述钢材的奥氏体晶粒尺寸(AGS)控制在5μm～20μm范围。如此控制奥氏体晶粒尺寸(AGS)的理由在于，在精轧中也是以0.3以上的应变量诱导先共析铁素体，以使晶粒微细化。如果上述尺寸大于20μm，则要求更多的精轧量，因而很难达成晶粒微细化。如果想在粗轧中制成5μm以下的AGS材料，则需要比常规制造方法更多的应变量，为了增加坯料(billet)尺寸或者减少道次间隔(interpass time)，需要增加材料输送速度，因此工艺上存在限制。
另外，在本发明中，将上述控制AGS的钢材在Ae3以下～730℃以上的温度下以0.3～2.0的应变量热精轧成线材形状。
此时，优选将热精轧温度范围控制在Ae3以下～730℃以上的温度范围，如果高于Ae3的温度，就不会生成先共析铁素体，不利于晶粒微细化，如果低于730℃，则轧制过程中会生成珠光体，不利于晶粒微细化，由于轧制温度低，轧辊会超负荷运转。
另外，优选使该应变量达到0.3～2.0，当应变量为0.3以下时，由于应变量较小，无法诱导先共析铁素体，不能使晶粒微细化，当应变量为2.0以上时，由于应变量增加，轧制量超负荷以及难以制造所需的材料直径。
接着，在本发明中，将上述热精轧后的线材以3℃/s～20℃/s的冷却速度进行冷却，从而可以获得如上所述的内部微细组织细化的线材。此时，将冷却速度控制在3℃/s～20℃/s范围的理由在于，热轧结束后，为了抑制铁素体晶粒尺寸(FGS)为5μm以下的晶粒生长。
另外，在本发明中，可以对上述冷却后的线材进行球化热处理。
具体地，经过30％断面收缩的拉拔工艺后，可以在690℃下热处理2小时，然后进行淬火。对于通过这样的方法制造的本发明的线材，珠光体中渗碳体的碎裂速度会增加，因此渗碳体的纵横比为2.5以下，纵横比良好，而硬度低约10Hv。
实施发明的方式
在下文中，将通过实施例详细描述本发明。
(实施例)
将具有下表1所示的成分组分的坯料轧制成9mm的线材。发明例满足本发明的成分范围和制造条件，而比较例超出了本发明的制造条件。
[表1]
Figure GDA0003713015920000091
*表1中冷却条件是线材表面温度达到500℃的冷却速度(℃/s)
图1是示出热精轧前钢材的AGS的组织图片，(a)示出了发明例1，(b)示出了比较例5。AGS是利用ASTM E112法进行测定。对于上述比较例5，与其他条件相比，在较高的加热温度下被加热，因此精轧前AGS大于其他条件。另一方面，对于精轧前较小的AGS，可在精轧时通过应变量在晶界生成很多先共析铁素体，因此通过轧制过程中先共析铁素体的生成和生长，可以使最终线材的晶粒尺寸变小。
下表2示出了按照上述制造条件制成的线材微细组织和软化热处理的软化材料的微细组织和机械物性。
另一方面，在表2中，先共析铁素体相分数是将试样切割、抛光和蚀刻后，通过电子显微镜得到微细组织图片，并通过称为image j’的程序来区分相应相，按照每个条件以×1000倍的5张SEM图片计算面积后，用其平均值示出的相分数。
对于超微硬度，将试样切割、抛光、蚀刻后，通过光学显微镜确认准备测定超微硬度的微细组织部位，再将金字塔形金刚石压头以0.2942N的压力压入先共析铁素体和珠光体(分别为10个)，然后测定压入的痕迹的长度，并换算成硬度值，取其平均值。
对于线材硬度值和球化热处理后软化材料的硬度值，将试样切割、抛光、蚀刻后，通过光学显微镜确认准备测定硬度的微细组织部位，再将金字塔形金刚石压头以98.1N的压力压入C断面1/4处(10次)，然后测定压入的痕迹的长度，并换算成硬度值，取其平均值。
此外，对于纵横比(Aspect ratio)，用X5000倍的3张SEM图片测定图片中存在的所有渗碳体的长轴/短轴长度，对每个长度比取其平均值。
[表2]
Figure GDA0003713015920000111
*表2中a表示先共析铁素体晶粒大小(μm)，b表示先共析铁素体平衡分数(％)，c表示先共析铁素体分数(％)，d表示铁素体超微硬度(Hv)，e表示铁素体超微硬度参数，硬度(Hv)≥128+61*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)，f表示珠光体超微硬度(Hv)，g表示珠光体超微硬度参数，硬度(Hv)≤254+23*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)，i表示热处理后渗碳体纵横比(aspectratio)，j表示球化热处理后硬度(Hv)。
具体地，对于比较例1-2，轧制温度为887℃、862℃，由于在Ae3以上的温度下进行精轧，没有诱导出先共析铁素体。对于比较钢3，线材表面温度达到500℃的冷却速度为1℃/s，因此先共析铁素体过于生长。对于比较例4，精轧中应变量为0.1，由于应变量过小，没有诱导出基于变形的先共析铁素体。另外，对于比较例5，如上所述加热温度为1120℃，由于加热温度高于其他条件，精轧前AGS大于其他条件，轧制中没有充分诱导出先共析铁素体。
图2是示出线材轧制后通过冷却获得的线材的微细组织的图片，(a)示出了发明例2，(b)示出了比较例1。
在表2中，相对于比较例，发明例的特征是铁素体的晶粒尺寸小，先共析铁素体分数达到平衡分数的80％以上，先共析铁素体的分数较高。此外，发明例的特征在于，在铁素体的超微硬度上与比较例相比，铁素体的硬度值高，相反地珠光体的硬度值低于比较例。
此时，本发明例的线材微细组织均满足铁素体超微硬度参数，硬度(Hv)≥128+61*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)和珠光体超微硬度参数，硬度(Hv)≤254+23*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)。
另一方面，由于晶粒微细化，本发明例的线材与比较例相比，线材硬度高出约10Hv，但是在690℃下热处理2小时后，球化的材料的硬度低约10Hv。
图3是示出球化热处理后的线材的微细组织的图片，(a)示出了发明例1，(b)示出了比较例1。如图3所示，渗碳体的纵横比为2.5以下，可以确认即使在690℃下2小时的较短时间内，通过晶粒微细化珠光体中渗碳体也充分碎裂。
如上所述，通过有限的实施例和实验例对本发明进行了描述，但是本发明不限于此，在本发明的技术思想和权利要求书的等效范围内，本发明所属领域的普通技术人员可以进行各种修改和变形。

Claims (7)

1.一种可缩短软化热处理时间的冷镦线材，以重量％计，该线材包含C：0.15％～0.5％、Si：0.02％～0.4％、Mn：0.3％～1.2％、Al：0.02％～0.05％、P：0.03％以下、S：小于0.01％、N：小于0.01％，余量包含Fe和其他不可避免的杂质，其内部组织包含20面积％～90面积％的先共析铁素体组织、5面积％以下的贝氏体和马氏体组织以及残余珠光体组织，平衡先共析铁素体分数中80％以上是平均粒径为5μm以下的先共析铁素体组织，并且上述每个微细组织的超微硬度满足下述关系式1和关系式2，
[关系式1]
先共析铁素体：硬度Hv≥128+61*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)
[关系式2]
珠光体：硬度Hv≤254+23*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)。
2.根据权利要求1所述的可缩短软化热处理时间的冷镦线材，其特征在于，上述C优选满足0.4％～0.5％范围。
3.一种可缩短软化热处理时间的冷镦线材的制造方法，该制造方法包含如下工艺：
将钢材加热到900℃以上～1050℃以下，然后在180分钟以内保持温度，以重量％计，该钢材包含C：0.15％～0.5％、Si：0.02％～0.4％、Mn：0.3％～1.2％、Al：0.02％～0.05％、P：0.03％以下、S：小于0.01％、N：小于0.01％，余量包含Fe和其他不可避免的杂质；
将上述钢材的奥氏体晶粒尺寸AGS控制在5μm～20μm范围；
将上述控制AGS的钢材在Ae3以下～730℃以上的温度下以0.3～2.0的应变量热精轧成线材形状；以及
将上述热精轧后的线材以3℃/s～20℃/s的冷却速度进行冷却。
4.根据权利要求3所述的可缩短软化热处理时间的冷镦线材的制造方法，其特征在于，
上述C优选满足0.4％～0.5％范围。
5.根据权利要求3所述的可缩短软化热处理时间的冷镦线材的制造方法，其特征在于，
对于上述通过冷却来制造的线材，其内部组织包含20面积％～90面积％的先共析铁素体组织、5面积％以下的贝氏体和马氏体组织以及残余珠光体组织，平衡先共析铁素体分数中80％以上是平均粒径为5μm以下的先共析铁素体组织，并且上述每个微细组织的超微硬度满足下述关系式1和关系式2，
[关系式1]
先共析铁素体：硬度Hv≥128+61*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)
[关系式2]
珠光体：硬度Hv≤254+23*([C]+[Si]/8+[Mn]/18)。
6.根据权利要求3所述的可缩短软化热处理时间的冷镦线材的制造方法，其特征在于，
该制造方法还包含对上述冷却后的线材进行球化热处理的工艺。
7.根据权利要求6所述的可缩短软化热处理时间的冷镦线材的制造方法，其特征在于，
上述球化热处理后珠光体中渗碳体的纵横比为2.5以下。
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