CN1894432A - 用于冷锻的具有优良低温冲击性能的钢丝及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于冷锻的钢丝及其制造方法，该钢丝具有优良的低温冲击性能。该钢丝包括 0.10－0.40wt％的C、1.0wt％或更少的Si、0.30－2.0wt％的Mn，0.03wt％或更少的P、0.03wt％或更少的S，并且余量为Fe和杂质。该钢丝的奥氏体晶粒尺寸为5－20μm，在－40℃时冲击吸收能为60J/cm2或更高，并且抗拉强度为70－130kgf/mm2。在－40℃的低温下，根据本发明用于冷成形的钢材具有显著优于传统球化材料或非热处理钢的冲击韧性。

Description

用于冷锻的具有优良低温冲击性能的钢丝及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢丝或钢筋(下面称为“钢丝”)，其用作用于螺栓、轴和PC钢棒的材料，以应用于构造具有较高强度的机械结构的部件。更具体的，本发明涉及一种用于冷锻的钢丝，其能够被应用于冷锻和冷成形辊轧处理并且在使用中具有提高的低温韧性，由此确保优良的低温冲击性能，本发明还涉及该钢丝的制造方法。
背景技术
球化材料和非热处理钢是公知的用于冷塑加工的传统钢材。当球化材料用于生产成品例如螺栓时，其应该被另外进行淬火/回火，以保证其在冷锻工艺之后具有作为所需理想性能的抗拉强度，而这是成问题的，其使得生产复杂化，导致生产成本增加。
关于非热处理钢，自从其在20世纪70年代中期产生以来，主要在日本和欧洲，非热处理钢在汽车和工业机械部件中的使用日益增加。对一种合金的设计被适当实施并且在铁工厂中控制在热轧期间的冷却和轧制条件以便调整材料结构。所以能够在施行冷锻处理的同时保证高强度，而无需进行后续热处理(淬火/回火)。因此非热处理钢具有过程简化以及生产成本降低的优点。
在日本专利申请No.Sho.59-136420中公开了一种非热处理钢的代表性实例，其中锰含量较高，并且少量的钒作为析出硬化元素被添加到用于机械结构的普通碳钢中以便在热锻之后的冷却过程中析出铁素体基体结构中的少量碳氮化物。由此，强度增加，并且因此能够省略随后的淬火/回火处理。然而，上述非热处理钢的缺陷在于，由于冷成形性和可切割性不良而不适于用作冷加工材料。
关于非热处理钢的另一个实例，日本专利申请No.Hei.7-54940公开了一种生产螺栓的工艺，在该工艺中，在热盘条被轧制之后的通过冷锻工艺生产具有特殊形状的部件的过程中，降低碳含量以提高冷加工性，添加少量的铌以便由于形成细小的微观结构而提高强度和韧性，并且在热轧之后的冷却过程中进行热处理。然而，利用这种非热处理钢生产的螺栓的缺点在于，由于其在拉伸和压缩应力沿轴向被反复施加的环境中具有不理想的使用寿命，因而不适用于汽车部件。
美国专利No.5,554,233公开了传统非热处理钢的又一个实例，其中当含有用于提高强度的加强元素的钢坯依次经受热锻和受控冷却过程以形成盘条时，在最终热锻过程中奥氏体晶粒变得更加细小，由此在随后的冷却过程中形成细小的贝氏体结构。上述专利的这种非热处理钢的特征在于，由于该细小贝氏体结构，强度和韧性提高，所以无需在冷锻过程期间另外进行热处理过程以生产螺栓，并且非热处理钢具有残余压应力。
上述专利指出，由于其低温韧性，在-40℃时的冲击吸收能大约为10J/cm2。
并且在严寒地区或者南、北极地区中用于设备或者汽车中的部件要求材料具有优良的低温冲击韧性。然而，包括上述专利非热处理钢的传统非热处理钢具有不良的低温冲击韧性，并且因此存在这样一种需要，即研制具有优良低温冲击性能的新型钢。
发明内容
因此，考虑到用于冷锻的传统钢的缺点和问题，特提出本发明，并且本发明的一个目的在于提供一种用于冷锻的钢丝，其在使用中具有显著提高的低温韧性，由此确保具有优良的低温冲击吸收能，本发明还涉及该钢丝的制造方法。
附图简要说明
结合附图从下面的详细描述可以更加清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1是示出根据本发明在-40℃时低温冲击吸收能作为回火参数函数的曲线图；
图2是示出利用本发明材料、球化材料和非热处理钢制造的9T型螺栓在-40℃时的低温冲击吸收能的柱状图。
具体实施方式
为了研制出新型钢以实现本发明目的，本发明人进行了广泛的研究和反复实验，并且获得如下发现。当钢丝在低温(-40℃)经受冲击实验时，与利用传统方法(在球化过程之后进行淬火/回火过程)进行制造的情形相比，可以看出钢丝具有优良的低温冲击吸收能。制造该钢丝的方法包括：将能够被淬火的用于机械结构的普通碳钢快速加热至Ac3转换点或者更高以将奥氏体晶粒尺寸限制为5-20μm，在水或者油中对被加热的钢进行淬火，并且在回火条件下对淬火钢进行回火，以使得在21800到30000范围内的回火参数(P)下的抗拉强度为70-130kgf/mm2，该参数由下面的等式1定义。
等式1
P＝1.8×(T+273)×(14.44+logt)
其中，T为回火温度(℃)，并且t为回火时间(秒)。
换句话说，本发明特征在于，如果材料在回火条件下回火从而在21800到30000范围内的回火参数下的抗拉强度为70-130kgf/mm2，同时该材料被淬火从而奥氏体晶粒尺寸变得非常细小，在5-20μm的范围内，则所形成的材料尽管其具有高强度，在-40℃的低温时仍具有60J/cm2或者更高的Charpy(夏比)冲击吸收能，并且因此与传统钢相比该材料具有优良的冲击性能。
在用于机械结构的钢材中，含有特殊成分的钢材应该被适当进行淬火和回火以便生产具有根据本发明的上述特征的钢材。关于这一点，生产根据本发明的钢材所需的钢材化学成分及其热处理如下。
根据本发明的钢材主要包括C-Si-Mn成分，其中具有0.10-0.40wt％的C、1.0wt％或更少的Si、0.30-2.0wt％的Mn，并且余量为Fe和杂质。如果需要，该钢材可进一步包括选自由0.05-2.0wt％的Cr、0.05-1.5wt％的Mo和0.0003-0.0050wt％的B所构成的组的至少一种成分。对各个成分的范围加以限制的原因如下。
C：0.10-0.40wt％
C是用于在淬火过程中提高强度所必需的非常重要的元素，并且产生碳化物以增加强度。然而，它是一种不利地影响到缺口韧性的强合金元素，即，它提高了冲击转变温度并且降低了断裂能。当C的含量低于0.10wt％时，淬火的硬化效果可以忽略，并且当含量高于0.40wt％时，大量碳化物析出，造成冲击韧性降低。
Si：1.0wt％或更少
Si是一种用于对钢材脱氧的元素，并且使得固溶体硬化以提高强度。当Si的含量高于1.0wt％时，由于大量的Si固溶在碳化物析出物中，在回火过程中碳的运动被阻碍，碳化物球化被妨碍，从而导致冲击韧性降低。因此，必须将含量限制为1.0wt％或更少。
Mn：0.30-2.0wt％
Mn是一种用于固溶体硬化的元素，并且用于防止由于使用过量的C和Si而引起的冲击韧性降低，并且用于补偿具有低的C和Si含量的钢材的强度降低。为了实现这些目的，必须使用至少0.30wt％的量的Mn。然而，如果Mn的使用过量，则韧性和变形阻力增加。因此，Mn的含量不应该超过2.0wt％。
Cr：0.05-2.0wt％
Cr是用于提高强度、淬火硬度和韧性的元素。当Cr含量低于0.05wt％时，对上述物理特性的改进可以忽略。当含量高于2.0wt％时，经济效率降低，因为Cr较为昂贵。因此，Cr含量的下限和上限分别被设定为0.05wt％和2.0wt％。
Mo：0.05-1.5wt％
通过使用Mo而产生的效果与Cr几乎相同。当Mo含量低于0.05wt％时，可获得微不足道的结果。当含量高于1.5wt％时，由于关于冷加工的变形阻力增加，所以含量被设定为1.5wt％或者更低。
B：0.0003-0.0050wt％
B是用于提高淬硬性的元素。当B含量低于0.0003wt％时，B的效果可以忽略。在另一方面，当含量高于0.0050wt％时，淬硬性降低。而且，在所使用的结构中B可与N相结合以形成BN，这使得晶界脆化。因此，通常与B一起地添加0.01-0.05wt％的Ti以增强由于使用B而产生的效果，与B相比，Ti与N具有更强的亲和力。而且，优选添加Zr、Nb或Al中的一种或多种元素，它们的作用与Ti的作用等同。
P和S是钢材中不可避免的杂质。在回火过程中它们造成晶界偏析，由此降低冲击韧性。而且，在冷加工过程中它们降低了变形比。因此，必须将它们中的每一种元素的含量在可能的范围内限制为0.030wt％或者更低。
本发明人使用具有上述成分的钢材对生产根据本发明的钢的方法进行了广泛的研究，并且获得如下发现，即在进行淬火/回火的钢材中，奥氏体晶粒尺寸和回火条件(析出碳化物的分布状态和形状、铁素体的比率等)是影响低温冲击吸收能的非常重要的因素。
在本发明的方法中，在淬火过程之后奥氏体晶粒尺寸被限制为5-20μm的原因如下。通过反复实验，可以确定，当尺寸大于20μm时，在-40℃低温下的冲击韧性显著降低，并且难以通过普通的淬火/回火过程生产尺寸小于5μm的晶粒。
当生产根据本发明的在低温(-40℃)时具有优良冲击吸收能的淬火/回火钢丝时，回火条件受到限制以使得等式1的参数从21800到30000变化的原因如下。
本发明人将具有15mm直径的JIS G 4105SCM420和JIS G 4051S22C盘条进行拉伸从而各个盘条具有13.7mm的直径，将拉伸的钢丝快速加热至Ac3转换点或者更高从而奥氏体晶粒尺寸为8-14μm，在水或者油中对加热的钢丝淬火，并且在70-130kgf/mm2的抗拉强度范围内通过控制加热温度和加热时间改变回火参数而对该淬火钢丝进行回火。而且，在-40℃对所形成的钢丝进行V型缺口样本和Charpy冲击实验。结果示于图1。
如图1所示，当回火参数在21800-30000时，在-40℃时的冲击吸收能为60J/cm2或更高。
在这方面，将冲击吸收能限制为60J/cm2或更高的原因在于，当SCM435球化材料进行冷锻、淬火和回火以生产传统的高强度螺栓时，冲击吸收能在-40℃时大约为60J/cm2。
根据材料成分在期望的抗拉强度范围内通过适当控制淬火和回火过程的加热温度、加热时间、加热速率等可以确保在21800-30000范围内的回火参数。
因此，关于淬火/回火钢丝的低温冲击韧性，如果对具有细小晶粒和适当成分的淬火材料进行回火从而等式1的回火参数在21800-30000范围内，则显然能够生产出在-40℃的低温时具有优良冲击吸收能的钢丝。因此，在生产具有优良低温冲击性能的淬火/回火钢丝的过程中，它可被视为一个非常重要的因素。
通过下述实例可以更好地理解根据本发明的钢丝及其制造方法，所给出的实例用于进行示意，而不应该被理解为是对本发明进行限制。
实例
将具有下表1所示化学成分(wt％)和16mm直径的热轧盘条拉伸至14.7mm的直径，然后使用包括顺序过程的高频感应加热器进行淬火/回火。在此阶段制造样本，同时控制加热温度、加热时间和加热速率以改变回火参数从而奥氏体晶粒尺寸为5-20μm并且抗拉强度为70-140kgf/mm2。
    表1
  样本   C   Si   Mn   P   S   Cr   Mo   B   Fe
  1   0.15   0.92   0.62   0.010   0.009   -   -   -   余量
  2   0.20   0.25   1.37   0.012   0.008   -   -   -   余量
  3   0.21   0.23   0.95   0.012   0.007   -   -   0.0025   余量
  4   0.21   0.25   0.73   0.013   0.011   1.03   -   -   余量
  5   0.23   0.29   0.83   0.009   0.009   1.12   0.27   -   余量
  6   0.35   0.97   0.75   0.010   0.009   0.97   0.22   -   余量
对在上述条件下生产的样本进行加工以形成JIS Z 2202No.4试样(V型缺口，10mm×10mm)，并且根据JIS Z 2242在-40℃的低温下对试样进行Charpy冲击实验以计算冲击吸收能。结果示于下表2中。
表2
样本   抗拉强度(kgf/mm2)   晶粒尺寸(μm) 回火参数 冲击吸收能(J/cm2)
样本1   Exam.l   73.2   8.2   27320   181.9
  Exam.2   102.2   12.3   22568   88.3
  CO.EX.1   109.8   14.1   21010   36.5
  CO.EX.2   95.4   23.7   24150   51.6
样本2   Exam.3   75.3   16.4   29074   120.7
  Exam.4   105.7   16.2   22165   71.4
  CO.EX.3   89.6   11.2   30850   32.5
  CO.EX.4   90.7   27.5   25140   50.8
样本3   CO.EX.5   123.8   13.5   19550   25.3
  Exam.5   91.3   10.6   28266   198.5
  CO.EX.6   84.6   11.2   30742   43.4
  CO.EX.7   82.9   35.0   27990   58.8
样本4   Exam.6   117.9   10.9   22456   69.8
  Exam.7   93.2   12.1   27351   179.8
  CO.EX.8   102.5   11.2   30728   48.9
  CO.EX.9   127.3   12.6   21668   53.2
样本5   Exam.8   87.4   13.2   29550   91.6
  Exam.9   128.1   11.6   22070   69.3
  CO.EX.10   132.9   10.9   21000   50.5
  CO.EX.11   120.3   26.8   25630   51.7
样本6   CO.EX.12   135.4   14.5   21532   55.8
  Exam.10   101.2   13.7   28465   181.6
  Exam.11   95.9   6.4   29680   70.5
  CO.EX.13   98.7   10.5   30742   56.3
Exam.＝实例                 Co.Ex.＝对照实例
从表2可以看出，当对本发明样本进行热处理从而奥氏体晶粒尺寸为5-20μm并且回火参数为21800-30000时，样本在-40℃的低温下具有60J/cm2或更高的优良的冲击吸收能，由此可保证优良的低温冲击韧性。而且，可以看出，即使抗拉强度彼此相同，如果奥氏体晶粒尺寸或者回火参数彼此不同，则冲击吸收能的数值彼此间显著不同。
而且，为了证实本发明的优越性，使用本发明的材料以及传统的球化材料和非热处理钢按照JIS标准生产9T型螺栓，并且从这些螺栓采集试样。在-40℃时对试样进行加工从而使其具有V型缺口，由此形成具有10mm×10mm尺寸的标准件。对这些标准件进行Charpy冲击实验，并且对实验结果进行相互比较。实验结果示于表2中。
在此阶段，对根据本发明方法使用SCM 420(JIS G 4105)作为本发明材料制造的9T型盘条进行冷锻和成形辊轧处理以生产螺栓。对于根据传统方法通过在760℃下将SCM 435(JIS G 4105)加热6个小时而进行球化的传统球化材料，对其进行冷锻和成形辊轧处理并且淬火/回火以生产9T型螺栓。关于传统的非热处理钢，当含有SMn433(JISG 4106)成分的钢坯被热轧成盘条时，进行受控热轧和冷却过程以使得结构变得细小从而生产具有9T水平的抗拉强度的非热处理钢。对形成的非热处理钢进行冷锻和成形辊轧处理以生产螺栓。
从图2的结果，可以看出与利用传统球化材料或者非热处理钢制造的螺栓相比，利用本发明材料制造的螺栓具有优良的冲击韧性。
如上所述，本发明的钢材具有优良的低温冲击吸收能，其在-40C的低温下约为传统材料的3.7倍，约为传统非热处理钢的20倍。

Claims (4)

1.一种用于冷锻的钢丝，具有优良的低温冲击性能，包括0.10-0.40wt％的C、1.0wt％或更少的Si、0.30-2.0wt％的Mn，0.03wt％或更少的P、0.03wt％或更少的S，并且余量为Fe和杂质，其中奥氏体晶粒尺寸为5-20μm，在-40℃时冲击吸收能为60J/cm2或更高，并且抗拉强度为70-130kgf/mm2。
2.根据权利要求1所述的钢丝，还包括至少一种成分，该成分选自由0.05-2.0wt％的Cr、0.05-1.5wt％的Mo和0.0003-0.0050wt％的B所构成的组。
3.一种用于冷锻的钢丝的生产方法，该钢丝具有优良的低温冲击性能，该方法包括：
将钢材快速加热至Ac3转换点或者更高从而奥氏体晶粒尺寸为5-20μm，其中该钢材含有0.10-0.40wt％的C、1.0wt％或更少的Si、0.30-2.0wt％的Mn，0.03wt％或更少的P、0.03wt％或更少的S，并且余量为Fe和杂质；
将加热的钢材冷却；并且
对冷却的钢材进行热处理，以使得在从21800到30000范围的回火参数(P)下的抗拉强度为70-130kgf/mm2，从而在-40℃时冲击吸收能为60J/cm2或更高，该参数由下面的等式1表达，
等式1：P＝1.8×(T+273)×(14.44+logt)
其中，T为回火温度(℃)，并且t为回火时间(秒)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该钢材还包括至少一种成分，该成分选自由0.05-2.0wt％的Cr、0.05-1.5wt％的Mo和0.0003-0.0050wt％的B所构成的组。
CNA2004800379135A 2003-12-18 2004-11-29 用于冷锻的具有优良低温冲击性能的钢丝及其制造方法 Pending CN1894432A (zh)

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