用於冷鍛的具有優良低溫衝擊性能的鋼絲及其製造方法
2023-06-04 23:43:56
專利名稱：用於冷鍛的具有優良低溫衝擊性能的鋼絲及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼絲或鋼筋(下面稱為「鋼絲」)，其用作用於螺栓、軸和PC鋼棒的材料，以應用於構造具有較高強度的機械結構的部件。更具體的，本發明涉及一種用於冷鍛的鋼絲，其能夠被應用於冷鍛和冷成形輥軋處理並且在使用中具有提高的低溫韌性，由此確保優良的低溫衝擊性能，本發明還涉及該鋼絲的製造方法。
背景技術：
球化材料和非熱處理鋼是公知的用於冷塑加工的傳統鋼材。當球化材料用於生產成品例如螺栓時，其應該被另外進行淬火/回火，以保證其在冷鍛工藝之後具有作為所需理想性能的抗拉強度，而這是成問題的，其使得生產複雜化，導致生產成本增加。
關於非熱處理鋼，自從其在20世紀70年代中期產生以來，主要在日本和歐洲，非熱處理鋼在汽車和工業機械部件中的使用日益增加。對一種合金的設計被適當實施並且在鐵工廠中控制在熱軋期間的冷卻和軋制條件以便調整材料結構。所以能夠在施行冷鍛處理的同時保證高強度，而無需進行後續熱處理(淬火/回火)。因此非熱處理鋼具有過程簡化以及生產成本降低的優點。
在日本專利申請No.Sho.59-136420中公開了一種非熱處理鋼的代表性實例，其中錳含量較高，並且少量的釩作為析出硬化元素被添加到用於機械結構的普通碳鋼中以便在熱鍛之後的冷卻過程中析出鐵素體基體結構中的少量碳氮化物。由此，強度增加，並且因此能夠省略隨後的淬火/回火處理。然而，上述非熱處理鋼的缺陷在於，由於冷成形性和可切割性不良而不適於用作冷加工材料。
關於非熱處理鋼的另一個實例，日本專利申請No.Hei.7-54940公開了一種生產螺栓的工藝，在該工藝中，在熱盤條被軋制之後的通過冷鍛工藝生產具有特殊形狀的部件的過程中，降低碳含量以提高冷加工性，添加少量的鈮以便由於形成細小的微觀結構而提高強度和韌性，並且在熱軋之後的冷卻過程中進行熱處理。然而，利用這種非熱處理鋼生產的螺栓的缺點在於，由於其在拉伸和壓縮應力沿軸向被反覆施加的環境中具有不理想的使用壽命，因而不適用於汽車部件。
美國專利No.5,554,233公開了傳統非熱處理鋼的又一個實例，其中當含有用於提高強度的加強元素的鋼坯依次經受熱鍛和受控冷卻過程以形成盤條時，在最終熱鍛過程中奧氏體晶粒變得更加細小，由此在隨後的冷卻過程中形成細小的貝氏體結構。上述專利的這種非熱處理鋼的特徵在於，由於該細小貝氏體結構，強度和韌性提高，所以無需在冷鍛過程期間另外進行熱處理過程以生產螺栓，並且非熱處理鋼具有殘餘壓應力。
上述專利指出，由於其低溫韌性，在-40℃時的衝擊吸收能大約為10J/cm2。
並且在嚴寒地區或者南、北極地區中用於設備或者汽車中的部件要求材料具有優良的低溫衝擊韌性。然而，包括上述專利非熱處理鋼的傳統非熱處理鋼具有不良的低溫衝擊韌性，並且因此存在這樣一種需要，即研製具有優良低溫衝擊性能的新型鋼。
發明內容
因此，考慮到用於冷鍛的傳統鋼的缺點和問題，特提出本發明，並且本發明的一個目的在於提供一種用於冷鍛的鋼絲，其在使用中具有顯著提高的低溫韌性，由此確保具有優良的低溫衝擊吸收能，本發明還涉及該鋼絲的製造方法。
附圖簡要說明結合附圖從下面的詳細描述可以更加清楚地理解本發明的上述和其它目的、特徵和其它優點，其中
圖1是示出根據本發明在-40℃時低溫衝擊吸收能作為回火參數函數的曲線圖；圖2是示出利用本發明材料、球化材料和非熱處理鋼製造的9T型螺栓在-40℃時的低溫衝擊吸收能的柱狀圖。
具體實施例方式
為了研製出新型鋼以實現本發明目的，本發明人進行了廣泛的研究和反覆實驗，並且獲得如下發現。當鋼絲在低溫(-40℃)經受衝擊實驗時，與利用傳統方法(在球化過程之後進行淬火/回火過程)進行製造的情形相比，可以看出鋼絲具有優良的低溫衝擊吸收能。製造該鋼絲的方法包括將能夠被淬火的用於機械結構的普通碳鋼快速加熱至Ac3轉換點或者更高以將奧氏體晶粒尺寸限制為5-20μm，在水或者油中對被加熱的鋼進行淬火，並且在回火條件下對淬火鋼進行回火，以使得在21800到30000範圍內的回火參數(P)下的抗拉強度為70-130kgf/mm2，該參數由下面的等式1定義。
等式1P＝1.8×(T+273)×(14.44+logt)其中，T為回火溫度(℃)，並且t為回火時間(秒)。
換句話說，本發明特徵在於，如果材料在回火條件下回火從而在21800到30000範圍內的回火參數下的抗拉強度為70-130kgf/mm2，同時該材料被淬火從而奧氏體晶粒尺寸變得非常細小，在5-20μm的範圍內，則所形成的材料儘管其具有高強度，在-40℃的低溫時仍具有60J/cm2或者更高的Charpy(夏比)衝擊吸收能，並且因此與傳統鋼相比該材料具有優良的衝擊性能。
在用於機械結構的鋼材中，含有特殊成分的鋼材應該被適當進行淬火和回火以便生產具有根據本發明的上述特徵的鋼材。關於這一點，生產根據本發明的鋼材所需的鋼材化學成分及其熱處理如下。
根據本發明的鋼材主要包括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，並且餘量為Fe和雜質。如果需要，該鋼材可進一步包括選自由0.05-2.0wt％的Cr、0.05-1.5wt％的Mo和0.0003-0.0050wt％的B所構成的組的至少一種成分。對各個成分的範圍加以限制的原因如下。
C0.10-0.40wt％C是用於在淬火過程中提高強度所必需的非常重要的元素，並且產生碳化物以增加強度。然而，它是一種不利地影響到缺口韌性的強合金元素，即，它提高了衝擊轉變溫度並且降低了斷裂能。當C的含量低於0.10wt％時，淬火的硬化效果可以忽略，並且當含量高於0.40wt％時，大量碳化物析出，造成衝擊韌性降低。
Si1.0wt％或更少Si是一種用於對鋼材脫氧的元素，並且使得固溶體硬化以提高強度。當Si的含量高於1.0wt％時，由於大量的Si固溶在碳化物析出物中，在回火過程中碳的運動被阻礙，碳化物球化被妨礙，從而導致衝擊韌性降低。因此，必須將含量限制為1.0wt％或更少。
Mn0.30-2.0wt％Mn是一種用於固溶體硬化的元素，並且用於防止由於使用過量的C和Si而引起的衝擊韌性降低，並且用於補償具有低的C和Si含量的鋼材的強度降低。為了實現這些目的，必須使用至少0.30wt％的量的Mn。然而，如果Mn的使用過量，則韌性和變形阻力增加。因此，Mn的含量不應該超過2.0wt％。
Cr0.05-2.0wt％Cr是用於提高強度、淬火硬度和韌性的元素。當Cr含量低於0.05wt％時，對上述物理特性的改進可以忽略。當含量高於2.0wt％時，經濟效率降低，因為Cr較為昂貴。因此，Cr含量的下限和上限分別被設定為0.05wt％和2.0wt％。
Mo0.05-1.5wt％通過使用Mo而產生的效果與Cr幾乎相同。當Mo含量低於0.05wt％時，可獲得微不足道的結果。當含量高於1.5wt％時，由於關於冷加工的變形阻力增加，所以含量被設定為1.5wt％或者更低。
B0.0003-0.0050wt％B是用於提高淬硬性的元素。當B含量低於0.0003wt％時，B的效果可以忽略。在另一方面，當含量高於0.0050wt％時，淬硬性降低。而且，在所使用的結構中B可與N相結合以形成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以增強由於使用B而產生的效果，與B相比，Ti與N具有更強的親和力。而且，優選添加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。在回火過程中它們造成晶界偏析，由此降低衝擊韌性。而且，在冷加工過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範圍內限制為0.030wt％或者更低。
本發明人使用具有上述成分的鋼材對生產根據本發明的鋼的方法進行了廣泛的研究，並且獲得如下發現，即在進行淬火/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和形狀、鐵素體的比率等)是影響低溫衝擊吸收能的非常重要的因素。
在本發明的方法中，在淬火過程之後奧氏體晶粒尺寸被限制為5-20μm的原因如下。通過反覆實驗，可以確定，當尺寸大於20μm時，在-40℃低溫下的衝擊韌性顯著降低，並且難以通過普通的淬火/回火過程生產尺寸小於5μm的晶粒。
當生產根據本發明的在低溫(-40℃)時具有優良衝擊吸收能的淬火/回火鋼絲時，回火條件受到限制以使得等式1的參數從21800到30000變化的原因如下。
本發明人將具有15mm直徑的JIS G 4105SCM420和JIS G 4051S22C盤條進行拉伸從而各個盤條具有13.7mm的直徑，將拉伸的鋼絲快速加熱至Ac3轉換點或者更高從而奧氏體晶粒尺寸為8-14μm，在水或者油中對加熱的鋼絲淬火，並且在70-130kgf/mm2的抗拉強度範圍內通過控制加熱溫度和加熱時間改變回火參數而對該淬火鋼絲進行回火。而且，在-40℃對所形成的鋼絲進行V型缺口樣本和Charpy衝擊實驗。結果示於圖1。
如圖1所示，當回火參數在21800-30000時，在-40℃時的衝擊吸收能為60J/cm2或更高。
在這方面，將衝擊吸收能限制為60J/cm2或更高的原因在於，當SCM435球化材料進行冷鍛、淬火和回火以生產傳統的高強度螺栓時，衝擊吸收能在-40℃時大約為60J/cm2。
根據材料成分在期望的抗拉強度範圍內通過適當控制淬火和回火過程的加熱溫度、加熱時間、加熱速率等可以確保在21800-30000範圍內的回火參數。
因此，關於淬火/回火鋼絲的低溫衝擊韌性，如果對具有細小晶粒和適當成分的淬火材料進行回火從而等式1的回火參數在21800-30000範圍內，則顯然能夠生產出在-40℃的低溫時具有優良衝擊吸收能的鋼絲。因此，在生產具有優良低溫衝擊性能的淬火/回火鋼絲的過程中，它可被視為一個非常重要的因素。
通過下述實例可以更好地理解根據本發明的鋼絲及其製造方法，所給出的實例用於進行示意，而不應該被理解為是對本發明進行限制。
實例將具有下表1所示化學成分(wt％)和16mm直徑的熱軋盤條拉伸至14.7mm的直徑，然後使用包括順序過程的高頻感應加熱器進行淬火/回火。在此階段製造樣本，同時控制加熱溫度、加熱時間和加熱速率以改變回火參數從而奧氏體晶粒尺寸為5-20μm並且抗拉強度為70-140kgf/mm2。
表1
對在上述條件下生產的樣本進行加工以形成JIS Z 2202No.4試樣(V型缺口，10mm×10mm)，並且根據JIS Z 2242在-40℃的低溫下對試樣進行Charpy衝擊實驗以計算衝擊吸收能。結果示於下表2中。
表2
Exam.＝實例 Co.Ex.＝對照實例從表2可以看出，當對本發明樣本進行熱處理從而奧氏體晶粒尺寸為5-20μm並且回火參數為21800-30000時，樣本在-40℃的低溫下具有60J/cm2或更高的優良的衝擊吸收能，由此可保證優良的低溫衝擊韌性。而且，可以看出，即使抗拉強度彼此相同，如果奧氏體晶粒尺寸或者回火參數彼此不同，則衝擊吸收能的數值彼此間顯著不同。
而且，為了證實本發明的優越性，使用本發明的材料以及傳統的球化材料和非熱處理鋼按照JIS標準生產9T型螺栓，並且從這些螺栓採集試樣。在-40℃時對試樣進行加工從而使其具有V型缺口，由此形成具有10mm×10mm尺寸的標準件。對這些標準件進行Charpy衝擊實驗，並且對實驗結果進行相互比較。實驗結果示於表2中。
在此階段，對根據本發明方法使用SCM 420(JIS G 4105)作為本發明材料製造的9T型盤條進行冷鍛和成形輥軋處理以生產螺栓。對於根據傳統方法通過在760℃下將SCM 435(JIS G 4105)加熱6個小時而進行球化的傳統球化材料，對其進行冷鍛和成形輥軋處理並且淬火/回火以生產9T型螺栓。關於傳統的非熱處理鋼，當含有SMn433(JISG 4106)成分的鋼坯被熱軋成盤條時，進行受控熱軋和冷卻過程以使得結構變得細小從而生產具有9T水平的抗拉強度的非熱處理鋼。對形成的非熱處理鋼進行冷鍛和成形輥軋處理以生產螺栓。
從圖2的結果，可以看出與利用傳統球化材料或者非熱處理鋼製造的螺栓相比，利用本發明材料製造的螺栓具有優良的衝擊韌性。
如上所述，本發明的鋼材具有優良的低溫衝擊吸收能，其在-40C的低溫下約為傳統材料的3.7倍，約為傳統非熱處理鋼的20倍。
權利要求
1.一種用於冷鍛的鋼絲，具有優良的低溫衝擊性能，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，並且餘量為Fe和雜質，其中奧氏體晶粒尺寸為5-20μm，在-40℃時衝擊吸收能為60J/cm2或更高，並且抗拉強度為70-130kgf/mm2。
2.根據權利要求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所構成的組。
3.一種用於冷鍛的鋼絲的生產方法，該鋼絲具有優良的低溫衝擊性能，該方法包括將鋼材快速加熱至Ac3轉換點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，並且餘量為Fe和雜質；將加熱的鋼材冷卻；並且對冷卻的鋼材進行熱處理，以使得在從21800到30000範圍的回火參數(P)下的抗拉強度為70-130kgf/mm2，從而在-40℃時衝擊吸收能為60J/cm2或更高，該參數由下面的等式1表達，等式1P＝1.8×(T+273)×(14.44+logt)其中，T為回火溫度(℃)，並且t為回火時間(秒)。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，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所構成的組。
全文摘要
本發明公開一種用於冷鍛的鋼絲及其製造方法，該鋼絲具有優良的低溫衝擊性能。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，並且餘量為Fe和雜質。該鋼絲的奧氏體晶粒尺寸為5－20μm，在－40℃時衝擊吸收能為60J/cm
文檔編號C21D1/25GK1894432SQ200480037913
公開日2007年1月10日 申請日期2004年11月29日 優先權日2003年12月18日
發明者安順泰 申請人:三和鋼棒株式會社