專利名稱：高強(qiáng)度和高韌性超細(xì)線材及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度、高韌性的線材，以及更特別地，涉及通過控制其微觀結(jié)構(gòu)得到的具有優(yōu)異強(qiáng)度和韌性的線材，及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
與汽車工業(yè)高度強(qiáng)化和重量減輕的趨勢一致，伴隨著最近鐵合金價格的上漲，持續(xù)使用稀有金屬資源作為地緣政治交易籌碼。因此，需要開發(fā)即便不加入鐵合金也具有高強(qiáng)度和高延展性的超細(xì)晶粒線材。通常，為了精制微觀結(jié)構(gòu)，建議使用加入合金元素如鈮(Nb)、鈦(Ti)和釩(V)的技 術(shù)。這些技術(shù)可被認(rèn)為是通過使加入的合金元素形成沉淀并使該沉淀防止奧氏體晶粒的生長而得到精細(xì)鐵素體相的方法。同樣，除了上文詳述的方法，已經(jīng)使用一種受控軋制技術(shù)，其中在適用于將晶粒尺寸最小化的溫度下進(jìn)行軋制，并因此已經(jīng)能夠?qū)㈣F素體晶粒直徑精制為約20 μ m。由于對晶粒精制的持續(xù)需要，除了受控軋制技術(shù)之外，還已經(jīng)引入熱機(jī)械控制過程(Thermomechanical Control Process, TMCP),其中通過控制軋制速率和冷卻速率精制晶粒結(jié)構(gòu)從而改善機(jī)械性能。然而，所有前述晶粒精制技術(shù)可適用于制造鋼板，但是可能難以用于線材制造。即，由于線材相比于厚鋼板具有非常高的斷面收縮率，軋制速率可相對更快，可能無法促進(jìn)冷卻速率的控制，且特別地對于水冷卻，由于在其表面上形成馬氏體晶粒而可能產(chǎn)生表面缺陷。因此，在控制軋制速率和冷卻速率中起到關(guān)鍵作用的TMCP技術(shù)可能不適用于線材，并且需要適用于線材的制造技術(shù)。涉及制造細(xì)晶粒、高強(qiáng)度、高韌性線材的技術(shù)的專利包括日本專利申請?zhí)卦S公開2009-62574,2009-138251和2009-132958。這些專利局限于除了通過加入合金元素、變化冷卻速率、以及控制合金元素和冷卻速率之外還通過進(jìn)行高壓縮率軋制(high reductionrolling)使?jié)B碳體晶粒破碎得到分段鐵素體和滲碳體結(jié)構(gòu)的方法。在分段鐵素體和滲碳體結(jié)構(gòu)的情況下，存在的優(yōu)勢為，分段鐵素體晶粒作為細(xì)沉淀加固材料，從而顯著提高線材強(qiáng)度，但是也可能存在缺陷，在于根據(jù)Hall-Petch方程，強(qiáng)度的增大會不可避免的伴隨著延展性的減小。同樣，由于為了分割滲碳體晶粒等，軋制必須在滲碳體晶粒等形成后進(jìn)行，因此可能需要加寬兩相區(qū)，在該兩相區(qū)中可以形成滲碳體晶粒等，并且，為此目的，加入合金元素可能是很重要的。因此，也可能導(dǎo)致成本增加。其他涉及細(xì)晶粒線材的技術(shù)包括通過使用精細(xì)粉末的粉末冶金方法制造超細(xì)晶粒線材。然而，粉末冶金方案中制造的線材在其用途中有局限且存在缺陷，即在燒結(jié)過程中由于精細(xì)顆粒的燒結(jié)性降低，其強(qiáng)度可能下降。同時，其他涉及通過使用軋制或冷卻方法制造超細(xì)晶粒線材的技術(shù)可能在數(shù)量上相對有限，且其中大部分可能僅僅是通過控制精軋和鉛淬火(lead patenting, LP)溫度而限制珠光體結(jié)構(gòu)尺寸的技術(shù)。特別地，考慮到珠光體結(jié)構(gòu)自身具有細(xì)晶粒，這些技術(shù)可能不具有特別的技術(shù)意義。因此，使用碳鋼制造超細(xì)晶粒線材的技術(shù)可能具有更高的實用性。然而，由于到目前為止還沒有提出令人滿意的技術(shù)，因此急需研發(fā)該技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的一個方面是提供一種線材，其通過促進(jìn)晶粒細(xì)化而確保高強(qiáng)度和高韌性，而無需加入合金元素；并提供其制造方法。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種碳鋼線材，其具有的微觀結(jié)構(gòu)包括面積分?jǐn)?shù)為 60%或更多的鐵素體結(jié)構(gòu)，和作為剩余部分的滲碳體結(jié)構(gòu)，其中鐵素體晶粒的平均晶粒直徑為15 μ m或更小。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種通過加熱大鋼坯(bloom)或鋼坯(billet)、線材軋制、冷卻和卷繞制造超細(xì)晶粒、高強(qiáng)度、高韌性線材的方法，其包括將進(jìn)行了線材軋制的線材冷卻至150° C至350° C的溫度范圍，并隨后將線材快速冷卻至-100° C或更低溫度。有益效果根據(jù)本發(fā)明，可通過使用不含有合金元素的碳鋼提供一種超細(xì)晶粒、高強(qiáng)度、高韌性線材，其能確保合金鋼水平的抗拉強(qiáng)度以及延展率。由于可以不向其中加入相對昂貴的合金成分，如鈦(Ti)、鈮(Nb)、釩(V)和鉻(Cr)，可以獲得成本競爭力并獲得通過使用粉末冶金方法商業(yè)化的關(guān)于制造超細(xì)晶粒線材的技術(shù)。


本發(fā)明的上述方面和其他方面、特征和其他優(yōu)勢將通過下述詳細(xì)記載結(jié)合附圖更詳細(xì)地理解，其中圖I (a)和I (b)是顯微照片，分別示出對比實施例I的微觀結(jié)構(gòu)，以及本發(fā)明實施例I的鋼I的發(fā)明實施例I的微觀結(jié)構(gòu)；圖2是示出對比實施例和本發(fā)明實施例I的鋼I和2的發(fā)明實施例的抗拉強(qiáng)度測定結(jié)果圖；圖3 (a)和3 (b)分別是本發(fā)明實施例I的鋼2的發(fā)明實施例2的電子背散射衍射(EBSD)圖和顯微照片；以及圖4 (a)和4 (b)分別是示出對比實施例2和本發(fā)明實施例2的鋼2的發(fā)明實施例2的線材拉伸和退火后的機(jī)械性能圖。
具體實施例方式在下文中，將更詳細(xì)描述本發(fā)明。本發(fā)明的發(fā)明人對制造高強(qiáng)度、高韌性碳鋼線材而不使用含有相對昂貴的合金元素如鈦(Ti)、鈮(Nb)和釩(V)的鐵素體合金的方法進(jìn)行了大量的研究。
根據(jù)研究結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)明人研發(fā)了一種具有如下微觀結(jié)構(gòu)的線材面積分?jǐn)?shù)為60%或更多的鐵素體結(jié)構(gòu)；以及作為剩余部分的滲碳體結(jié)構(gòu)，其中鐵素體晶粒的平均晶粒直徑為15μπι或更小。因此，本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)為可實現(xiàn)線材的高強(qiáng)度和高韌性，并由此完成了本發(fā)明。本發(fā)明的線材包括面積分?jǐn)?shù)為60%或更多的鐵素體晶粒，和作為剩余部分的滲碳體晶粒。在鐵素體晶粒分?jǐn)?shù)少于60%的情況下，由于鐵素體晶粒部分的減少而延展性降低，并因此，根據(jù)Hall-Petch方程，由于強(qiáng)度的增大而使得強(qiáng)度和韌性的平衡劣化。因此鐵素體晶粒分?jǐn)?shù)可以為60%或更多。同樣，本發(fā)明的線材可具有平均晶粒直徑為15 μ m或更小的鐵素體晶粒。在鐵素體晶粒尺寸減小的情況下，晶粒比表面積增大。因此，其強(qiáng)度可增大，但由于滑動系統(tǒng)(slipsystem)的平滑作用，延展性可以不降低。因此，本發(fā)明的線材可確保高抗拉強(qiáng)度，以及同時可確保具有高延展率的韌性。
在鐵素體晶粒直徑?jīng)]有細(xì)化的情況下，在鐵素體晶粒的平均晶粒直徑大于15 μ m的情況下，強(qiáng)度增大的效果不僅不明顯，而且由于每單位面積的鐵素體晶粒所占分?jǐn)?shù)的減少，韌性和延展性也會降低，并且也可能無法獲得鐵素體晶粒細(xì)化所產(chǎn)生的增大強(qiáng)度的效
果O同樣，本發(fā)明線材中的鐵素體晶?？删哂胸愂象w形狀。具有這種形狀的鐵素體晶粒被稱為“貝氏體鐵素體(bainitic ferrite)”。貝氏體鐵素體具有針狀形狀且由板條相(lath phase)結(jié)構(gòu)形成。相對于基體相奧氏體，貝氏體鐵素體不包括內(nèi)部沉淀，且由具有特定慣態(tài)面(habitplane)的平行板條組構(gòu)成。由于所有板條組具有相同變量，其間的取向誤差可以相對低，并因此可以形成將隨后描述的小角度晶界。因此，本發(fā)明的線材由于含有貝氏體鐵素體晶粒，可促進(jìn)鐵素體晶粒部分相較于一般鐵素體晶粒部分增多，因此可具有同時提高韌性、延展性和強(qiáng)度的作用。本發(fā)明的線材的微觀結(jié)構(gòu)可具有的晶體取向——其由電子背散射衍射(EBSD)測定——為30度或更小。在晶體取向為30度或更小的情況下，其可被稱為低角度晶界。由于本發(fā)明的線材可具有低角度晶界，因此精細(xì)鐵素體晶粒部分可以增加，并因此不僅可以改善強(qiáng)度，也可增大韌性和延展性。因此，可以形成能夠改善機(jī)械性能的結(jié)構(gòu)。例如，本發(fā)明的線材的組成可包括O. 15重量％至O. 5重量％的碳(C)、O. I重量％至O. 2重量％的娃(Si)、以及O. I重量％至O. 7重量％的猛(Mn)。除了上述成分,該組合物可包括鐵(Fe)以及其他不可避免的雜質(zhì)作為剩余部分。除了上述成分之外也可加入其他成分，但其他成分的加入不能影響本發(fā)明的總體技術(shù)思路。本發(fā)明的線材可具有IlOOMPa或更大的抗拉強(qiáng)度以及20%或更大的延展率，且可具有2000或更大的ECO指數(shù)(抗拉強(qiáng)度X延展率)，其代表強(qiáng)度和延展性的相互關(guān)系。下文中，將詳細(xì)描述制造本發(fā)明的線材的方法。可在其制造過程中在線材軋制后控制其冷卻速率而控制線材的微觀結(jié)構(gòu)。因此，將詳細(xì)描述通過控制冷卻速率制造本發(fā)明的線材的實施方案。通常，將大鋼坯或鋼坯加熱并進(jìn)行線材軋制，隨后通過冷卻和卷繞制造線材。作為制造碳鋼線材的實例，在1100° C或更高溫度下將碳鋼大鋼坯或鋼坯再次加熱，并在900° C至1000° C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行線材軋制，隨后在冷卻后通過卷繞制造碳鋼線材。
制造本發(fā)明線材的方法包括將進(jìn)行了線材軋制的線材冷卻至150° C至350° C的溫度范圍，隨后快速冷卻至-150° C至-100° C或更低的溫度。將進(jìn)行了線材軋制的線材冷卻至150° C至350° C溫度的過程可使用空氣冷卻方法進(jìn)行?？焖倮鋮s不是指一般的水冷卻或空氣冷卻，而是表示線材在幾秒鐘的時間內(nèi)快速冷卻。通常，認(rèn)為在加熱的鋼淬火時得到馬氏體結(jié)構(gòu)。然而，本發(fā)明偏離這一傳統(tǒng)觀念。在本發(fā)明中，進(jìn)行快速冷卻，并因此可以抑制冷卻過程中的擴(kuò)散從而防止晶粒生長，且由于快速冷卻，在軋制后可產(chǎn)生一種微觀結(jié)構(gòu)立刻進(jìn)行再結(jié)晶的狀態(tài)，即一種晶粒凍結(jié)過程，其在結(jié)構(gòu)中形成類似于貝氏體結(jié)構(gòu)中的類似束狀(sheaf-like)的板條。因此，可以形成由具有精細(xì)晶粒的鐵素體晶粒和滲碳體晶粒組成的微觀結(jié)構(gòu)。換句話說，可通過快速冷卻防止鐵素體晶粒的生長而形成超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，且可抑 制通常發(fā)生在碳鋼中的轉(zhuǎn)變，并因此可以形成一種結(jié)構(gòu)，其包括60%或更多鐵素體晶粒和作為剩余部分的滲碳體晶粒。特別地，鐵素體晶粒作為貝氏體鐵素體晶粒形成?？焖倮鋮s的冷卻速率可以在100° C/秒至150° C/秒范圍內(nèi)?？焖倮鋮s不是指一般的水冷卻，而是指通過冷卻劑凍結(jié)晶粒，所述冷卻劑在下文記載。因此冷卻速率必須為100° C/秒或更快，且可以在100° C/秒至150° C/秒范圍內(nèi)?？梢允褂靡旱透杀鳛槔鋮s劑用于快速冷卻，并且也可使用用于冷卻線材的聚合物溶液。例如，聚合物溶液可以由15%至30%的聚亞烷基二醇(PAG)和70%至85%的水(H2O)構(gòu)成。例如，冷卻劑可以是液氮。在快速冷卻中，線材被冷卻至-100° C或更低的溫度且可被冷卻至-100° C至-150° C的溫度范圍。在溫度低于-150° C的情況下，線材的表面被快速冷卻并因此可能在線材本身上產(chǎn)生表面缺陷。在溫度高于-100° C的情況下，可能無法得到足夠的冷卻效果，并因此可能不能控制本發(fā)明中需要的線材結(jié)構(gòu)?？焖倮鋮s可以通過將線材浸入冷卻劑進(jìn)行，且此時浸泡時間可以在I分鐘至10分鐘的范圍內(nèi)。在浸泡時間少于I分鐘的情況下，線材的冷卻可能不充分，并因此無法形成本發(fā)明中需要的結(jié)構(gòu)。在浸泡時間相對長、長于10分鐘的情況下，用于制造線材的加工時間會變得相對更長，并因此生產(chǎn)力會降低。
具體實施例方式在下文中，將根據(jù)具體實施例更詳細(xì)描述本發(fā)明。然而，下述實施例僅提供用于更清楚的理解本發(fā)明，而不是限制其范圍。(實施例I)根據(jù)美國材料試驗學(xué)會(AmericanSociety for Testing Materials,ASTM)制備S45C鋼(下文中，稱為“鋼I”)和45F鋼(下文中，稱為“鋼2”)，并隨后在其上進(jìn)行用于制造線材的線材軋制。隨后，將其中一部分切割并冷卻至300° C，隨后將該部分浸入-150° C的液氮中5分鐘進(jìn)行快速冷卻。為了模擬卷繞，使樣品恢復(fù)室溫。在下文中，進(jìn)行本發(fā)明操作的樣品分別歸類為鋼I的發(fā)明實施例I和鋼2的發(fā)明實施例2。反之，未進(jìn)行快速冷卻的樣品歸類為鋼I的對比實施例I和鋼2的對比實施例2。使用光學(xué)顯微鏡觀察每個樣品的微觀結(jié)構(gòu)并觀察其電子背散射衍射(EBSD)圖像，其結(jié)果分別在圖I和3中給出。測定每個樣品的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果在圖2中表示。圖I (a)和I (b)是顯微照片，分別示出鋼I的對比實施例I的微觀結(jié)構(gòu)和發(fā)明實施例I的微觀結(jié)構(gòu)。如圖I (a)所示,對比實施例I的樣品由兩相構(gòu)成,所述兩相包括晶粒直徑為約35 μ m至約40 μ m的鐵素體晶粒和滲碳體晶粒。然而，對于圖I (b)示出的發(fā)明實施例I，可以確定樣品由晶粒直徑約12 μ m的形狀類似貝氏體的超細(xì)鐵素體晶粒(貝氏體鐵素體晶粒)和滲碳體晶粒組成。圖2是展示鋼I和2的對比實施例和發(fā)明實施例的抗拉強(qiáng)度測定結(jié)果圖。如圖2所示，可以確定在鋼I和2中發(fā)明實施例的抗拉強(qiáng)度相比于對比實施例增大到約I. 5倍至約2. O倍。其原因是由于發(fā)明實施例中的快速冷卻，晶粒生長可以被抑制，從而降低鐵素體晶粒的尺寸。
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圖3 (a)和3 (b)分別是鋼2的發(fā)明實施例2的EBSD圖和顯微照片。如圖3 (a)所示，可以確定在發(fā)明實施例2的樣品中形成具有30度或更小晶體取向的低角度晶界，且如圖3 (b)所示，可以確定鐵素體晶粒的晶粒尺寸為約12 μ m或更小。(實施例2)同時，進(jìn)行以下實施例，以便在使用本發(fā)明的線材進(jìn)行拉伸的情況下確定機(jī)械性能。通過以80%的比例干法拉伸鋼2的對比實施例2制備樣品，且拉伸的樣品分別在500° C和600° C下退火制備退火樣品。通過以80%的比例干法拉伸鋼2的發(fā)明實施例2制備拉伸線材。測定其機(jī)械性能且結(jié)果在圖4中表示。圖4(a)是示出使用對比實施例2制造的干法拉伸樣品和退火樣品的機(jī)械性能圖，且4 (b)是同時示出使用發(fā)明實施例2制造的拉伸線材的機(jī)械性能圖。如圖4 (a)所示，對于以80%比例干法拉伸的對比實施例2的拉伸線材，可以確定抗拉強(qiáng)度提高至約1600MPa，但依據(jù)常規(guī)Hall-Petch作用，延展率小于約10%。也可以確定在進(jìn)行退火以退火集中位錯(anneal concentrated dislocation)后,延展性沒有提高。原因在于由于在干法拉伸過程中位錯會堆積，從而位錯可增加，通過嚴(yán)重變形可使晶粒尺寸減小，且同時，由于位錯密度增大而延展性會降低。然而，如圖4(b)所示，對于發(fā)明實施例2，可以確定盡管抗拉強(qiáng)度為約1150MPa或更大，延展率平均為約23%。其原因是由于每單位面積的鐵素體晶粒分?jǐn)?shù)增大同時鐵素體晶粒的比表面積增大，滑動體系可平滑作用從而提高延展性。同時，對于示出超細(xì)晶粒特征的發(fā)明實施例2，EC0指數(shù)(抗拉強(qiáng)度X延展性)為2200或更大。然而，對于對比實施例2，可以確定ECO指數(shù)不大于1500的最大值。雖然本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合示例的實施方案進(jìn)行說明和描述，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，在不偏離所附權(quán)利要求中定義的本發(fā)明的主旨和范圍的情況下可以進(jìn)行改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一種超細(xì)晶粒、高強(qiáng)度、高韌性的線材，其具有一種微觀結(jié)構(gòu)，包括 一種鐵素體結(jié)構(gòu)，其具有的面積分?jǐn)?shù)為60%或更多，和 一種滲碳體結(jié)構(gòu)，其作為剩余部分， 其中鐵素體晶粒的平均晶粒直徑為15 μ m或更小。
2.權(quán)利要求1的超細(xì)晶粒、高強(qiáng)度、高韌性的線材，其中所述線材含有0.15重量％至.0.5重量％的碳(C)、0. I重量％至O. 2重量％的硅(Si)、0. 1重量％至O. 7重量％的錳(Mn)，和鐵(Fe)以及其他不可避免的雜質(zhì)作為剩余部分。
3.權(quán)利要求1的超細(xì)晶粒、聞強(qiáng)度、聞朝性的線材，其中鐵素體晶粒具有貝氏體鐵素體的形狀。
4.權(quán)利要求1的超細(xì)晶粒、高強(qiáng)度、高韌性的線材，其中通過電子背散射衍射(EBSD)測定的鐵素體具有的晶體取向為30度或更小。
5.權(quán)利要求1的超細(xì)晶粒、高強(qiáng)度、高韌性的線材，其中線材具有的抗拉強(qiáng)度為.1lOOMPa或更大，延展率為20%或更大。
6.權(quán)利要求1的超細(xì)晶粒、高強(qiáng)度、高韌性的線材，其中線材具有的ECO指數(shù)(抗拉強(qiáng)度X延展性)為2000或更大。
7.—種通過加熱大鋼坯或鋼坯、線材軋制、冷卻和卷繞制造超細(xì)晶粒、高強(qiáng)度、高韌性的線材的方法，該方法包括 將進(jìn)行了線材軋制的線材冷卻至150° C至350° C的溫度；并且 將該線材快速冷卻至-100° C或更低溫度。
8.權(quán)利要求7的方法，其中快速冷卻在-150°C至-100° C范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行。
9.權(quán)利要求7的方法，其中快速冷卻以100°C/秒至150° C/秒的冷卻速率進(jìn)行。
10.權(quán)利要求7的方法，其中快速冷卻通過使用液氮、干冰或聚合物溶液中任意一種作為冷卻劑進(jìn)行。
11.權(quán)利要求10的方法，其中快速冷卻通過將線材浸入冷卻劑中進(jìn)行，且浸泡進(jìn)行I分鐘至10分鐘。
12.權(quán)利要求10的方法，其中聚合物溶液由15%至30%的聚亞烷基二醇(PAG)和70%至85%的水構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高強(qiáng)度、高韌性的超細(xì)線材以及其制備方法，其中的線材是一種高強(qiáng)度和高韌性的超細(xì)碳鋼線材，其是通過進(jìn)行過程控制而控制微觀結(jié)構(gòu)而制造，且無需加入相對昂貴的合金元素。該碳鋼線材的微觀結(jié)構(gòu)包括一種鐵素體結(jié)構(gòu)，其具有的面積分?jǐn)?shù)為60%或更多，以及一種滲碳體結(jié)構(gòu)作為剩余部分，其中鐵素體晶粒的平均晶粒直徑為15μm或更小。
文檔編號C21D8/06GK102884211SQ201180022757
公開日2013年1月16日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者金東炫, 辛宇基, 李侑煥 申請人:Posco公司