專(zhuān)利名稱(chēng)：用于冷鍛的具有優(yōu)良低溫沖擊性能的鋼絲及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼絲或鋼筋(下面稱(chēng)為“鋼絲”)，其用作用于螺栓、軸和PC鋼棒的材料，以應(yīng)用于構(gòu)造具有較高強(qiáng)度的機(jī)械結(jié)構(gòu)的部件。更具體的，本發(fā)明涉及一種用于冷鍛的鋼絲，其能夠被應(yīng)用于冷鍛和冷成形輥軋?zhí)幚聿⑶以谑褂弥芯哂刑岣叩牡蜏仨g性，由此確保優(yōu)良的低溫沖擊性能，本發(fā)明還涉及該鋼絲的制造方法。
背景技術(shù)：
球化材料和非熱處理鋼是公知的用于冷塑加工的傳統(tǒng)鋼材。當(dāng)球化材料用于生產(chǎn)成品例如螺栓時(shí)，其應(yīng)該被另外進(jìn)行淬火/回火，以保證其在冷鍛工藝之后具有作為所需理想性能的抗拉強(qiáng)度，而這是成問(wèn)題的，其使得生產(chǎn)復(fù)雜化，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。
關(guān)于非熱處理鋼，自從其在20世紀(jì)70年代中期產(chǎn)生以來(lái)，主要在日本和歐洲，非熱處理鋼在汽車(chē)和工業(yè)機(jī)械部件中的使用日益增加。對(duì)一種合金的設(shè)計(jì)被適當(dāng)實(shí)施并且在鐵工廠(chǎng)中控制在熱軋期間的冷卻和軋制條件以便調(diào)整材料結(jié)構(gòu)。所以能夠在施行冷鍛處理的同時(shí)保證高強(qiáng)度，而無(wú)需進(jìn)行后續(xù)熱處理(淬火/回火)。因此非熱處理鋼具有過(guò)程簡(jiǎn)化以及生產(chǎn)成本降低的優(yōu)點(diǎn)。
在日本專(zhuān)利申請(qǐng)No.Sho.59-136420中公開(kāi)了一種非熱處理鋼的代表性實(shí)例，其中錳含量較高，并且少量的釩作為析出硬化元素被添加到用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的普通碳鋼中以便在熱鍛之后的冷卻過(guò)程中析出鐵素體基體結(jié)構(gòu)中的少量碳氮化物。由此，強(qiáng)度增加，并且因此能夠省略隨后的淬火/回火處理。然而，上述非熱處理鋼的缺陷在于，由于冷成形性和可切割性不良而不適于用作冷加工材料。
關(guān)于非熱處理鋼的另一個(gè)實(shí)例，日本專(zhuān)利申請(qǐng)No.Hei.7-54940公開(kāi)了一種生產(chǎn)螺栓的工藝，在該工藝中，在熱盤(pán)條被軋制之后的通過(guò)冷鍛工藝生產(chǎn)具有特殊形狀的部件的過(guò)程中，降低碳含量以提高冷加工性，添加少量的鈮以便由于形成細(xì)小的微觀(guān)結(jié)構(gòu)而提高強(qiáng)度和韌性，并且在熱軋之后的冷卻過(guò)程中進(jìn)行熱處理。然而，利用這種非熱處理鋼生產(chǎn)的螺栓的缺點(diǎn)在于，由于其在拉伸和壓縮應(yīng)力沿軸向被反復(fù)施加的環(huán)境中具有不理想的使用壽命，因而不適用于汽車(chē)部件。
美國(guó)專(zhuān)利No.5,554,233公開(kāi)了傳統(tǒng)非熱處理鋼的又一個(gè)實(shí)例，其中當(dāng)含有用于提高強(qiáng)度的加強(qiáng)元素的鋼坯依次經(jīng)受熱鍛和受控冷卻過(guò)程以形成盤(pán)條時(shí)，在最終熱鍛過(guò)程中奧氏體晶粒變得更加細(xì)小，由此在隨后的冷卻過(guò)程中形成細(xì)小的貝氏體結(jié)構(gòu)。上述專(zhuān)利的這種非熱處理鋼的特征在于，由于該細(xì)小貝氏體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度和韌性提高，所以無(wú)需在冷鍛過(guò)程期間另外進(jìn)行熱處理過(guò)程以生產(chǎn)螺栓，并且非熱處理鋼具有殘余壓應(yīng)力。
上述專(zhuān)利指出，由于其低溫韌性，在-40℃時(shí)的沖擊吸收能大約為10J/cm2。
并且在嚴(yán)寒地區(qū)或者南、北極地區(qū)中用于設(shè)備或者汽車(chē)中的部件要求材料具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。然而，包括上述專(zhuān)利非熱處理鋼的傳統(tǒng)非熱處理鋼具有不良的低溫沖擊韌性，并且因此存在這樣一種需要，即研制具有優(yōu)良低溫沖擊性能的新型鋼。

發(fā)明內(nèi)容
因此，考慮到用于冷鍛的傳統(tǒng)鋼的缺點(diǎn)和問(wèn)題，特提出本發(fā)明，并且本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種用于冷鍛的鋼絲，其在使用中具有顯著提高的低溫韌性，由此確保具有優(yōu)良的低溫沖擊吸收能，本發(fā)明還涉及該鋼絲的制造方法。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明結(jié)合附圖從下面的詳細(xì)描述可以更加清楚地理解本發(fā)明的上述和其它目的、特征和其它優(yōu)點(diǎn)，其中

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明在-40℃時(shí)低溫沖擊吸收能作為回火參數(shù)函數(shù)的曲線(xiàn)圖；圖2是示出利用本發(fā)明材料、球化材料和非熱處理鋼制造的9T型螺栓在-40℃時(shí)的低溫沖擊吸收能的柱狀圖。
具體實(shí)施例方式
為了研制出新型鋼以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明人進(jìn)行了廣泛的研究和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，并且獲得如下發(fā)現(xiàn)。當(dāng)鋼絲在低溫(-40℃)經(jīng)受沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)，與利用傳統(tǒng)方法(在球化過(guò)程之后進(jìn)行淬火/回火過(guò)程)進(jìn)行制造的情形相比，可以看出鋼絲具有優(yōu)良的低溫沖擊吸收能。制造該鋼絲的方法包括將能夠被淬火的用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的普通碳鋼快速加熱至Ac3轉(zhuǎn)換點(diǎn)或者更高以將奧氏體晶粒尺寸限制為5-20μm，在水或者油中對(duì)被加熱的鋼進(jìn)行淬火，并且在回火條件下對(duì)淬火鋼進(jìn)行回火，以使得在21800到30000范圍內(nèi)的回火參數(shù)(P)下的抗拉強(qiáng)度為70-130kgf/mm2，該參數(shù)由下面的等式1定義。
等式1P＝1.8×(T+273)×(14.44+logt)其中，T為回火溫度(℃)，并且t為回火時(shí)間(秒)。
換句話(huà)說(shuō)，本發(fā)明特征在于，如果材料在回火條件下回火從而在21800到30000范圍內(nèi)的回火參數(shù)下的抗拉強(qiáng)度為70-130kgf/mm2，同時(shí)該材料被淬火從而奧氏體晶粒尺寸變得非常細(xì)小，在5-20μm的范圍內(nèi)，則所形成的材料盡管其具有高強(qiáng)度，在-40℃的低溫時(shí)仍具有60J/cm2或者更高的Charpy(夏比)沖擊吸收能，并且因此與傳統(tǒng)鋼相比該材料具有優(yōu)良的沖擊性能。
在用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的鋼材中，含有特殊成分的鋼材應(yīng)該被適當(dāng)進(jìn)行淬火和回火以便生產(chǎn)具有根據(jù)本發(fā)明的上述特征的鋼材。關(guān)于這一點(diǎn)，生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的鋼材所需的鋼材化學(xué)成分及其熱處理如下。
根據(jù)本發(fā)明的鋼材主要包括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，并且余量為Fe和雜質(zhì)。如果需要，該鋼材可進(jìn)一步包括選自由0.05-2.0wt％的Cr、0.05-1.5wt％的Mo和0.0003-0.0050wt％的B所構(gòu)成的組的至少一種成分。對(duì)各個(gè)成分的范圍加以限制的原因如下。
C0.10-0.40wt％C是用于在淬火過(guò)程中提高強(qiáng)度所必需的非常重要的元素，并且產(chǎn)生碳化物以增加強(qiáng)度。然而，它是一種不利地影響到缺口韌性的強(qiáng)合金元素，即，它提高了沖擊轉(zhuǎn)變溫度并且降低了斷裂能。當(dāng)C的含量低于0.10wt％時(shí)，淬火的硬化效果可以忽略，并且當(dāng)含量高于0.40wt％時(shí)，大量碳化物析出，造成沖擊韌性降低。
Si1.0wt％或更少Si是一種用于對(duì)鋼材脫氧的元素，并且使得固溶體硬化以提高強(qiáng)度。當(dāng)Si的含量高于1.0wt％時(shí)，由于大量的Si固溶在碳化物析出物中，在回火過(guò)程中碳的運(yùn)動(dòng)被阻礙，碳化物球化被妨礙，從而導(dǎo)致沖擊韌性降低。因此，必須將含量限制為1.0wt％或更少。
Mn0.30-2.0wt％Mn是一種用于固溶體硬化的元素，并且用于防止由于使用過(guò)量的C和Si而引起的沖擊韌性降低，并且用于補(bǔ)償具有低的C和Si含量的鋼材的強(qiáng)度降低。為了實(shí)現(xiàn)這些目的，必須使用至少0.30wt％的量的Mn。然而，如果Mn的使用過(guò)量，則韌性和變形阻力增加。因此，Mn的含量不應(yīng)該超過(guò)2.0wt％。
Cr0.05-2.0wt％Cr是用于提高強(qiáng)度、淬火硬度和韌性的元素。當(dāng)Cr含量低于0.05wt％時(shí)，對(duì)上述物理特性的改進(jìn)可以忽略。當(dāng)含量高于2.0wt％時(shí)，經(jīng)濟(jì)效率降低，因?yàn)镃r較為昂貴。因此，Cr含量的下限和上限分別被設(shè)定為0.05wt％和2.0wt％。
Mo0.05-1.5wt％通過(guò)使用Mo而產(chǎn)生的效果與Cr幾乎相同。當(dāng)Mo含量低于0.05wt％時(shí)，可獲得微不足道的結(jié)果。當(dāng)含量高于1.5wt％時(shí)，由于關(guān)于冷加工的變形阻力增加，所以含量被設(shè)定為1.5wt％或者更低。
B0.0003-0.0050wt％B是用于提高淬硬性的元素。當(dāng)B含量低于0.0003wt％時(shí)，B的效果可以忽略。在另一方面，當(dāng)含量高于0.0050wt％時(shí)，淬硬性降低。而且，在所使用的結(jié)構(gòu)中B可與N相結(jié)合以形成BN，這使得晶界脆化。因此，通常與B一起地添加0.01-0.05wt％的Ti以增強(qiáng)由于使用B而產(chǎn)生的效果，與B相比，Ti與N具有更強(qiáng)的親和力。而且，優(yōu)選添加Zr、Nb或Al中的一種或多種元素，它們的作用與Ti的作用等同。
P和S是鋼材中不可避免的雜質(zhì)。在回火過(guò)程中它們?cè)斐删Ы缙?，由此降低沖擊韌性。而且，在冷加工過(guò)程中它們降低了變形比。因此，必須將它們中的每一種元素的含量在可能的范圍內(nèi)限制為0.030wt％或者更低。
本發(fā)明人使用具有上述成分的鋼材對(duì)生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的鋼的方法進(jìn)行了廣泛的研究，并且獲得如下發(fā)現(xiàn)，即在進(jìn)行淬火/回火的鋼材中，奧氏體晶粒尺寸和回火條件(析出碳化物的分布狀態(tài)和形狀、鐵素體的比率等)是影響低溫沖擊吸收能的非常重要的因素。
在本發(fā)明的方法中，在淬火過(guò)程之后奧氏體晶粒尺寸被限制為5-20μm的原因如下。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，可以確定，當(dāng)尺寸大于20μm時(shí)，在-40℃低溫下的沖擊韌性顯著降低，并且難以通過(guò)普通的淬火/回火過(guò)程生產(chǎn)尺寸小于5μm的晶粒。
當(dāng)生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的在低溫(-40℃)時(shí)具有優(yōu)良沖擊吸收能的淬火/回火鋼絲時(shí)，回火條件受到限制以使得等式1的參數(shù)從21800到30000變化的原因如下。
本發(fā)明人將具有15mm直徑的JIS G 4105SCM420和JIS G 4051S22C盤(pán)條進(jìn)行拉伸從而各個(gè)盤(pán)條具有13.7mm的直徑，將拉伸的鋼絲快速加熱至Ac3轉(zhuǎn)換點(diǎn)或者更高從而奧氏體晶粒尺寸為8-14μm，在水或者油中對(duì)加熱的鋼絲淬火，并且在70-130kgf/mm2的抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)通過(guò)控制加熱溫度和加熱時(shí)間改變回火參數(shù)而對(duì)該淬火鋼絲進(jìn)行回火。而且，在-40℃對(duì)所形成的鋼絲進(jìn)行V型缺口樣本和Charpy沖擊實(shí)驗(yàn)。結(jié)果示于圖1。
如圖1所示，當(dāng)回火參數(shù)在21800-30000時(shí)，在-40℃時(shí)的沖擊吸收能為60J/cm2或更高。
在這方面，將沖擊吸收能限制為60J/cm2或更高的原因在于，當(dāng)SCM435球化材料進(jìn)行冷鍛、淬火和回火以生產(chǎn)傳統(tǒng)的高強(qiáng)度螺栓時(shí)，沖擊吸收能在-40℃時(shí)大約為60J/cm2。
根據(jù)材料成分在期望的抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)通過(guò)適當(dāng)控制淬火和回火過(guò)程的加熱溫度、加熱時(shí)間、加熱速率等可以確保在21800-30000范圍內(nèi)的回火參數(shù)。
因此，關(guān)于淬火/回火鋼絲的低溫沖擊韌性，如果對(duì)具有細(xì)小晶粒和適當(dāng)成分的淬火材料進(jìn)行回火從而等式1的回火參數(shù)在21800-30000范圍內(nèi)，則顯然能夠生產(chǎn)出在-40℃的低溫時(shí)具有優(yōu)良沖擊吸收能的鋼絲。因此，在生產(chǎn)具有優(yōu)良低溫沖擊性能的淬火/回火鋼絲的過(guò)程中，它可被視為一個(gè)非常重要的因素。
通過(guò)下述實(shí)例可以更好地理解根據(jù)本發(fā)明的鋼絲及其制造方法，所給出的實(shí)例用于進(jìn)行示意，而不應(yīng)該被理解為是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。
實(shí)例將具有下表1所示化學(xué)成分(wt％)和16mm直徑的熱軋盤(pán)條拉伸至14.7mm的直徑，然后使用包括順序過(guò)程的高頻感應(yīng)加熱器進(jìn)行淬火/回火。在此階段制造樣本，同時(shí)控制加熱溫度、加熱時(shí)間和加熱速率以改變回火參數(shù)從而奧氏體晶粒尺寸為5-20μm并且抗拉強(qiáng)度為70-140kgf/mm2。
表1

對(duì)在上述條件下生產(chǎn)的樣本進(jìn)行加工以形成JIS Z 2202No.4試樣(V型缺口，10mm×10mm)，并且根據(jù)JIS Z 2242在-40℃的低溫下對(duì)試樣進(jìn)行Charpy沖擊實(shí)驗(yàn)以計(jì)算沖擊吸收能。結(jié)果示于下表2中。
表2

Exam.＝實(shí)例 Co.Ex.＝對(duì)照實(shí)例從表2可以看出，當(dāng)對(duì)本發(fā)明樣本進(jìn)行熱處理從而奧氏體晶粒尺寸為5-20μm并且回火參數(shù)為21800-30000時(shí)，樣本在-40℃的低溫下具有60J/cm2或更高的優(yōu)良的沖擊吸收能，由此可保證優(yōu)良的低溫沖擊韌性。而且，可以看出，即使抗拉強(qiáng)度彼此相同，如果奧氏體晶粒尺寸或者回火參數(shù)彼此不同，則沖擊吸收能的數(shù)值彼此間顯著不同。
而且，為了證實(shí)本發(fā)明的優(yōu)越性，使用本發(fā)明的材料以及傳統(tǒng)的球化材料和非熱處理鋼按照J(rèn)IS標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)9T型螺栓，并且從這些螺栓采集試樣。在-40℃時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行加工從而使其具有V型缺口，由此形成具有10mm×10mm尺寸的標(biāo)準(zhǔn)件。對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行Charpy沖擊實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相互比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于表2中。
在此階段，對(duì)根據(jù)本發(fā)明方法使用SCM 420(JIS G 4105)作為本發(fā)明材料制造的9T型盤(pán)條進(jìn)行冷鍛和成形輥軋?zhí)幚硪陨a(chǎn)螺栓。對(duì)于根據(jù)傳統(tǒng)方法通過(guò)在760℃下將SCM 435(JIS G 4105)加熱6個(gè)小時(shí)而進(jìn)行球化的傳統(tǒng)球化材料，對(duì)其進(jìn)行冷鍛和成形輥軋?zhí)幚聿⑶掖慊?回火以生產(chǎn)9T型螺栓。關(guān)于傳統(tǒng)的非熱處理鋼，當(dāng)含有SMn433(JISG 4106)成分的鋼坯被熱軋成盤(pán)條時(shí)，進(jìn)行受控?zé)彳埡屠鋮s過(guò)程以使得結(jié)構(gòu)變得細(xì)小從而生產(chǎn)具有9T水平的抗拉強(qiáng)度的非熱處理鋼。對(duì)形成的非熱處理鋼進(jìn)行冷鍛和成形輥軋?zhí)幚硪陨a(chǎn)螺栓。
從圖2的結(jié)果，可以看出與利用傳統(tǒng)球化材料或者非熱處理鋼制造的螺栓相比，利用本發(fā)明材料制造的螺栓具有優(yōu)良的沖擊韌性。
如上所述，本發(fā)明的鋼材具有優(yōu)良的低溫沖擊吸收能，其在-40C的低溫下約為傳統(tǒng)材料的3.7倍，約為傳統(tǒng)非熱處理鋼的20倍。
權(quán)利要求
1.一種用于冷鍛的鋼絲，具有優(yōu)良的低溫沖擊性能，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，并且余量為Fe和雜質(zhì)，其中奧氏體晶粒尺寸為5-20μm，在-40℃時(shí)沖擊吸收能為60J/cm2或更高，并且抗拉強(qiáng)度為70-130kgf/mm2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼絲，還包括至少一種成分，該成分選自由0.05-2.0wt％的Cr、0.05-1.5wt％的Mo和0.0003-0.0050wt％的B所構(gòu)成的組。
3.一種用于冷鍛的鋼絲的生產(chǎn)方法，該鋼絲具有優(yōu)良的低溫沖擊性能，該方法包括將鋼材快速加熱至Ac3轉(zhuǎn)換點(diǎn)或者更高從而奧氏體晶粒尺寸為5-20μm，其中該鋼材含有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，并且余量為Fe和雜質(zhì)；將加熱的鋼材冷卻；并且對(duì)冷卻的鋼材進(jìn)行熱處理，以使得在從21800到30000范圍的回火參數(shù)(P)下的抗拉強(qiáng)度為70-130kgf/mm2，從而在-40℃時(shí)沖擊吸收能為60J/cm2或更高，該參數(shù)由下面的等式1表達(dá)，等式1P＝1.8×(T+273)×(14.44+logt)其中，T為回火溫度(℃)，并且t為回火時(shí)間(秒)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，該鋼材還包括至少一種成分，該成分選自由0.05-2.0wt％的Cr、0.05-1.5wt％的Mo和0.0003-0.0050wt％的B所構(gòu)成的組。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種用于冷鍛的鋼絲及其制造方法，該鋼絲具有優(yōu)良的低溫沖擊性能。該鋼絲包括 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，并且余量為Fe和雜質(zhì)。該鋼絲的奧氏體晶粒尺寸為5－20μm，在－40℃時(shí)沖擊吸收能為60J/cm
文檔編號(hào)C21D1/25GK1894432SQ200480037913
公開(kāi)日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2004年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月18日
發(fā)明者安順泰 申請(qǐng)人:三和鋼棒株式會(huì)社