專利名稱：：具有優良冷鐓性能和淬火特性的鋼絲及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及一種用于冷加工材料的鋼絲的制造方法。特別是涉及一種具有優良冷加工性和淬火特性的鋼絲及其制造方法，該鋼絲即使在鋼絲狀態下不進行球化退火也具有顯著的低強度，從而能容易地冷加工該鋼絲，并確保之后能通過淬火而顯著提高強度。
背景技術：
：通常，由于冷加工比熱加工或切削加工具有更高的生產率，因而其作為制造諸如螺栓、螺母、螺釘等汽車部件和機械部件的有效方法已被廣泛應用。由于冷加工涉及直接對鋼進行鍛造操作而無專門的加熱或切削加工，因此被冷加丁的鋼必須具有適當的機械性能。換言之，該鋼必須具有足夠低的抗拉強度以保證在低外力下具有足夠的成形性，還必須具有良好的延展性以便在進行冷深拉延時不斷裂。然而，由于如上所述冷加工制造的部件包舌諸如螺栓、螺母、螺釘等汽車部件或機械部件，因此這些部件必須具有高強度。總之，用于冷加工的{尤等鋼應當在冷加工前具有低強度和高延展性，而在制造成最終產品的加工過程中具有高強度。由于這些性能是互相矛盾的，因此必須在每個加工階段進行適當的處理，以使鋼同時具有這兩種所需的性能。典型的/慰寸冷加工制成的最終部件進行淬火以獲得高強度。為了通過淬火使該部件滿足所需的強度要求，該鋼應含有適當量的能提高淬火特性的元素。通常，為提高淬火特性，鋼含有高含量的碳。碳是一種提高淬火特性的代表性元素，能M淬火顯著提高部件的強度。但是，當鋼含有如此高含量的碳時，即使不進行淬火，該鋼也具有過高的硬度和強度，以至于不能直接進行冷鍛，因此需要對其進行專門處理。換句話說，當碳溶解于鋼中時，它引發固溶強化，使得鋼的強度提高。其結果是，當鋼進行冷加工以形成工具時，該工具不但使用壽命短，還會因延展性不足而產生裂紋。因此，當冷加工含有高含量碳的鋼時，為避免在機加工該鋼時，其加工性因碳而降低，必須首先實施通過以球狀滲碳體形式析出碳來抑制溶解于鋼基體中的碳導致的固溶強化的處理。上述析出球狀滲碳體的工藝稱為"球^ii火"。因此，為通過加工高碳鋼絲制造高弓驢部件，對該鋼絲依次進行球ttii火、冷加工和淬火，通常進行退火處理作為最終處理以提高部件的韌性。然而，球化退火(spheroidizingannealing)需要數小時乃至數十小時的熱處理，這不僅降低生產率，還增加生產成本。因此如果可能的話最好省略球化退火。為解決i:3i問題，日本公開專利No.2001-0303189公開了一種鋼絲，以重量%計含有B:0.0055X或更少和Zr:0,035Q/^或更少中的至少一種；以及N:0.0005-0.0070%，其中B、Zr和N滿足下述關系以抑制鐵素體晶粒細化，從而抑制在室溫或在工件加熱范圍內應變抗力的提高-O細S[N]-1.3叫0.15問，020。該專利的特征在于，通過加入B或Zr，溶解的碳和氮被釘扎(pin)，鐵素體晶粒的細化受到抑制，從而避免冷加工過程中應變抗力提高。但該發明并不考慮冷加工前鋼的抗拉強度，該強度是不經球化退火制成的鋼絲在冷加工中最重要的因素。盡管本領域眾所周知冷加工前鋼的抗拉強度越低，機加工方面的優點因低應變能而越多，但僅通過抑制鐵素體晶粒細化來降低鋼的強度存在著局限。其結果是，當鋼絲進行冷加工而不進行球化退火時，會引發由該鋼絲制成的工具的壽命縮短或鋼絲產生裂紋等問題
發明內容技術問題為解決現有技術中存在的上述問題而完成了本發明，本發明的目的之一是提供一種具有優良冷加工性和淬火特性的鋼絲及其制造方法，該鋼絲即使不進行球化退火也具有足夠低的強度以提供冷加工性方面的優勢，并確保之后能通過淬火顯著提高強度。技術手段根據本發明的一方面，上述以及其它目的通過提供下述鋼絲而實現，該鋼絲以重量％計含有C:0.1-0.4%,Si:0.3-1.5%，Mm0.3-1.7%，P:0.015%或更低，S:0.015%或更低，Cr:0.05-1.7%，Al:0.05%或更低，B:0.001-0.005%，Th0.01^0.05%，N:0.015%或更低，余量為Fe及其它不可避免的雜質。亍，地，Ti與N之比(Ti/N)為1.39或更高(基于原子量)，B與Cr的重量比(B/Cr)為0.04或更低。優選地，該鋼絲含有鐵素體和珠光體結構。fm地，該鋼絲含有50%或更高的鐵素體結構。tti^地，該鋼絲含有總量為0.5%或更低的貝氏體禾嗎氏體結構。優選地，該鋼絲具有590MPa或更低的抗拉強度以保證冷加工性，該抗拉強度以下述等式表示TS(MPah258+959"C]+112^Si]+ll"[Mn]+5"Cr]+439"Ti]-0.7^鐵素體的比率]本發明的另一方面是提供一種制造鋼絲的方法，包括將鋼坯加熱至誦-110(TC，該鋼坯以重量％計含有C:0.1-0.4%,Si:0.3-1.5%，Mn:0.3-1.7%，P:0.015%或更低，S:0.015%或更低，Cr:0.05-1.7%,Al:0.05%或更低，B:0.001-0.005%,Ti:0.01-0.05%，N:0.015%或更低，余量為Fe及其它不可避免的雜質，將該鋼坯軋制成鋼絲，隨后以0.1-5。C/秒的速度將該鋼絲冷卻至50crc或更低。tti^地，車L制鋼坯包括在850。C或更低的精軋(finishrolling)^it下進行精軋。優選地，Ti與N之比(Ti/N)為1.39或更高(基于原子量(intermsofatomicweight)),B與Cr的重量比(B/Cr)為0.04或更低。《腿地，該鋼絲具有590MPa或更低的抗拉強度以保證冷加工性，該抗拉強度以下述等式表示TS(MPa)=258+959*[C]+l12*[Si]+l11*,]+5*+439*[^]-0.7*[鐵素體的比率]有益效果從上述內容可見，本發明提供了即使不為冷加工而進行熱處理也具有良好冷加工性的金屬部件及其制造方法。由本發明所述方法制成的部件可應用于多種需要高強度的領域，例如機械部件、汽車部件、建筑結構材料等。基于下述與附圖相關的詳細描述，將更清楚地理解本發明的上述及其它目的、特征以及其它優點，其中圖1是表示本發明鋼與作為對比的常規鋼的)t^模具(colddice)壽命的圖表；圖2是表示本發明鋼與作為對比的對比鋼的淬火特性的圖表。發明的最佳實施方式現在結合附圖詳細說明本發明的t^選實施方案。本發明的發明人為發現鋼絲的理想機械性能而進行了廣泛的研究，并得出結論590MPa或更低的抗拉^驢以及ffi31淬火使弓驢提高100MPa頗高即可獲得理想的機械性能。基于這些結論，發明人試圖開發出滿足這些要求的鋼絲及其制造方法。鋼絲的成分為提高冷加工性和淬火特性，本發明所述鋼絲必須具有下述成分。注意在下文中除非有其它指示，每個組分的含量均以重量％表示。發明人發5見，鋼絲具有該成分十分重要，該成分能顯著提高淬火特性，從而使鋼絲在為了不經球化退火而提高冷鍛性時以鋼絲狀態具有低強度，并在淬火及回火后具有高抗拉強度。為實現這一目的，發明人以如下方式實施了初步試驗將鋼絲i舒羊在88(TC加熱，隨后油冷，以證實淬火特性依賴于含有圖1的圖表所示的幾種主要元素的成分體系而有所提高。他們從上述初步試驗的結果發現，含有C-Si-Mn-G-B作為主要元素的成分體系的鋼絲達到最優異的淬火特性。在該圖表中，以淬火并回火的部件的硬度相對于用于該部件的鋼絲淬火前硬度的增加率表示淬火特性。C:0.1-0.4wt%由于過量添加碳會導致冷加工性變差，因此碳必須以適當的范圍加入鋼中。如果齢量鵬0.4wt7。，鋼中珠光體的比例將達到50%或更高，導致^f義(coldheading)性能變差。另一方面，如果g量非常低，低于0.1wt。/。，則淬火特性降低，導驗終產品的抗拉纟雖或疲勞S驢體。因此齢量雌在0.1-0.4wt。/。范圍內。Si:0.3-1.5wt%一般而言，硅是鋼材制造過程中必要的脫氧元素，并用于確保最終產品的強度。但如果硅含量超過1.5wt%，不利的是在冷加工過程中應變抗力顯著提高，使得冷鐓性能腿降低。另一方面，如果硅含量低于0.3^%，不僅在淬火和回火后難以獲得理想的強度，車L制后還會獲得50X或更高的鐵素體比例。因此硅含量優選在0.3-1.5wt。/。范圍內。Mn:0.3-1.7wt%Mn是用于提高淬火特性、同時提高強度而不損害沖擊韌性的元素。如果Mn含量低于0.3wt%，則難以獲得這些效果。另一方面，如果Mn含量超過1.7wt%，熱軋后鋼絲的抗拉強度過分提高，從而使冷鐓性能變差。因此，Mn含量,在0.3-1.7wt。/。范圍內。P:0.015城％或更亍氐磷很可能在晶粒邊界偏析，并損害鋼的韌性和抗氫脆性能。因此磷含量優選0.015wtX或更低。S:0.015wt。/o或更低硫也在晶粒邊界偏析，并損害鋼的韌性和抗氫致裂紋(fflc)性能。因此硫含量4腿0.015wt^或更低。Cr:0.05-1.7wt%鉻通過抑制馬氏體快速軟化，在提高鋼強度的同時改善其淬火特性，從而在淬火后生成穩定的馬氏體結構。如果Cr含量過低，則難以獲得這些效果。另一方面，如果Cr含量過高，則該效果飽和。因此，Cr含量雌在0.05-1.7wt0/。范圍內。Al:0.05wt。/。或更低鋁是用于脫氧的元素，因此tti^以0.05wt。/。或更低的量添加。B:0.001-0.005wt%少量的硼顯著提高淬火特性，使得鋼即使碳含量降低也具有淬火特性。如果以0.005wt。/a或更高的量或以0.001wt。/。或更低的量加入硼，淬火特性fflil變差。因此硼含量4雄在0.001力.005wty。范圍內。Ti:0.01-0.05wt%鈦是通過加入硼將氮釘扎在鋼中而確保淬火特性的必要元素。在淬火前加熱鋼時，Ti能夠M抑制奧氏體晶粒長大而抑制鋼的疲勞斷裂。為保證這些效果，Ti的含量最好為0.01wtX或更高。如果鈦含量皿0.05wt%，鋼絲會出現諸如由于Ti基析出物和固溶體使得^S提高、冷鐓性能的問題。因此鈦含量tti^在0.01-0.05wtX范圍內。N:0.015wt。/o或更低氮可能與硼結合形成BN。因此氮含量最好盡可能低。如果氮含量超過0.015wt%，則難以獲得足夠的淬火效果。Ti/N:1.39或更高(以原子數計)如上所述，氮與硼結合、通過斷氏硼的有效量(Beff)而損害鋼絲的淬火特性，因此鋼絲中的氮含量最好盡可能低。但是在鋼的生產過程中難以清除氮，因此采用其它方法有效地降低氮的活性。特別是，鈦是與氮具有親和力的元素之一，因此如果鋼絲同時含有鈦和氮，就可能通過形成TiN等來降低氮的活性。氮的活性降低削弱了形成BN的驅動力，因此氮的活性降低使得有效硼的含量提高，改善鋼絲的淬火特性。為了如上戶;fM過降低氮的活性來提高有效硼的含量，Ti/N必須為1.39或更高。如果Ti/N低于1.39，就無法通過添加Ti獲得充分的釘扎氮的效果，從而不能充分提高淬火特性。B/Cr:0.04或更低(以重量計)發明A^寸提高鋼絲淬火特性的因素進行了諸多研究，發現鋼中同時含有硼和鉻與僅含有硼相比，能非常有效地改善淬火特性。鉻和硼之間的比例B/G優選為0.04或更低。微結構根據本發明，該鋼絲伏選具有以面積計50%或更高的鐵素體。如果鋼絲具有50%或更高的其它微結構，貝嗍絲細驢提高，導致成形性降低。特別是，4皿馬氏體和貝氏體的總量為0.5%或更低。如果鋼絲中形成諸如馬氏體和貝氏體的硬質微結構，這些微結構會導致鋼絲的成形性明顯降低。因此，本發明提供的鋼絲中主要微結構優選由鐵素體和珠光體組成，其中以面積計鐵素體的比例為50%或更高，馬氏體和貝氏體的總比例為0.5Q"或更低，余量為珠光體。制造鋼絲的方法如上所述，為了獲得本發明所述的鐵素體占50%或更高、馬氏體和貝氏體的總比例為0.5%或更低、余量為珠光體的微結構，該鋼絲應當在如下斜牛下制造。通常將鋼坯在鋼絲的典型加熱劍牛即1000-1IO(TC加熱，隨后以850。C或更低的精軋出口端^UJt(finishrollingdeliverysidetemperature)將其熱軋成鋼絲，以便在熱軋中使鋼中的奧氏體晶粒細化。為了在冷卻鋼絲時促進鐵素體從細化晶粒成核和提高鐵素體比例，以0.1-5。C/秒的冷卻速率使經熱軋的鋼絲冷卻至500。C。再次加熱鋼坯的^j度1000-1IO(TC優選在IOOO-UO(TC再次加熱鋼坯。該條件與鋼絲的典型加熱irf牛相同。鋼絲的冷卻速率0.1-5TV秒當鋼坯熱軋成鋼絲后，優選以0.1-5r/秒的冷卻速率冷卻該鋼絲。如上所述，由于本發明關注通過冷加工鋼絲而制造金屬部件的方法，因此鋼絲的強度過高會導致高應變抗力，這會降低模具(dice)壽命。因此，以盡可能漫的慢速冷卻模式冷卻該鋼絲。如果冷卻速率超過5X:/秒，如上戶服鋼絲的弓驢會提高，使得難以進行有效的冷加工。另一方面，根據本發明，冷卻速率的下限為o.rc/秒，這是因為低于o.rc/秒的冷卻速率實際上難以冷卻該鋼絲。冷卻停止溫度5cxrc或更低用控制冷卻方法(TMCP)以上述冷卻速率冷卻鋼絲，直到鋼絲的溫度達到5(xrc或更低。當鋼絲的溫度達到5cxrc或更低，就不再有改變鋼絲的結構或強度的原因，并且如果保持該緩慢冷卻^^牛，就有可能損害生產率。因此，該控制冷卻停止于50(TC或更低的、鵬。在上述條件下，優選以85(TC或更低的精軋出口端^JS軋制鋼坯。如此限制精軋出口端^it是為了獲得微細晶粒。如果在超過s5crc的^t精軋鋼坯，貝u晶粒較粗大。晶粒粗化會不利地導致鐵素體的成核點數量減少，從而可能提高鐵素體的比例以及馬氏體和貝氏體的總比例。通過在全部上述剝牛下生產鋼絲，鋼絲可以具有590MPa或更低的抗拉強發明的實施方式實施例結合實施例詳細說明本發明。應注意這些實施例用于例證性目的而非限制本發明的范圍。表1所示為發明例和對比例的成分。對于每種情況，鋼材制造過程中P和S都控制在0.02wt。/。或更低。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>正發明例，CE:對比例在表1中，發明例l一7滿足本發明所述的成分。而對比例1的C和Si含量不滿足本發明所述成分，并且不含本發明中為獲得有利效果應當添加的Cr、B和Ti。對比例2的Ti含量超過本發明的上限。對比例3和5的Si含量低于本發明的下限。對比例4的Ti含量偏離了本發明的成分。對比例6不含Cr，對比例7不含B和Ti。以表2所示條件，采用具有表1所述成分的鋼材制成鋼絲i對羊。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>IE:發明例，CE:對比例在上述實施例中，在本發明所述條件下生產不滿足本發明成分的對比例1一6，以便對比各成分的效果。其中的例外是，制顏比例1時冷卻停止驗高于本發明所述的50(TC，以便對比冷卻停止溫芰的效果。而且，為對比制造條件的效果，發明例4和5分別在^31精軋出口端溫度的^Jt進行精軋。在本發明所述條件下制造發明例1一3、6和7。表3示出了在表2戶脫剝牛下制造的鋼絲說羊的物理分析結果，以及經淬火和回火的螺栓的微結構分析結果，該螺栓是通過冷軋、不進行特定的球化退火而加工上述鋼絲i式樣制造成的。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>IE發明例，CE:對比例，F:鐵素體比例，B+M:貝氏體和馬氏體的總比例，TS:抗拉強度，Q:淬火，T:回火由表3可見，由于發明例1—3、6和7同葉滿足本發明所述的成分和制造割牛，其鐵素體比例超過50%，馬氏體和貝氏體的總比例低于0.5%。此外，所有這些發明例都具有550MPa或更低的抗拉強度，并具有使一個模具育,M:直接冷鍛、不進行特定球化退火而制造出99,000或更多螺栓的性能。發明例4和5是在精軋出口端溫窆高于本發明所述溫度的情況下車L制的，并滿足本發明所述成分，其鐵素體比例降低，馬氏體和貝氏體的總比例因粗化晶粒而提高，使ff74^性能卩對氐。對于不滿足本發明所述成分、在本發明所述條件下制造而成的對比例1一7，不但生成大量馬氏體和貝氏體，而且其強度高于600MPa，使得難以對其進行冷鍛加工。此外，對這些比較例進行冷鍛加工時，模具的壽命也顯著降低，淬火和回火后強度的提高程度也不高。概括地說，可以認為當鐵素體比例提高、馬氏體和貝氏體的總比例降低時，鋼絲的冷鐓性能提高。從上述結果可以發現，為確保冷鐓性能，鐵素體比例為50%或更高、馬氏體和貝氏體的總比例為0.5%或更低。圖2所示圖表表示用本發明所述條件制造的發明例1與通常用于球化退火后冷鍛的禾射己為SWRCH45的鋼試樣的模具壽命對比結果。從該圖表中可見，發明例1表現出與經過球化退火的SWRCH45基本相同的模具壽命，因此可以證實本發明所述鋼絲及其制造方法優于常規鋼絲及其制造方法。圖1所示圖表表示依賴、于成分體系的淬火特性的對比結果，以觀察各成分體系的影響情況。圖l中，C-Mn、C-Mn-B、C-Mn-Cr和C-Mn-Cr-B分別表示對比例1、6和7以及發明例2。從圖1可見，發明例2具有更好的淬火特性。基于上述通過觀察成分對抗拉強度的影響所得到的結果，發明人獲得了下述回歸方程TS(MPah258+9591C]+112^Si]+llP[Mn]+51Cr]+4391Ti]-0.71鐵素體比用該方程式可以較精確地預測鋼絲的抗拉強度，因此基于該回歸方，呈，擇成分和制造劍牛，可以制造具有所需抗拉強度的鋼絲。因而該方程式可用于制造具有本發明所述目標強度即590MPa或更低的抗拉強度的鋼絲。從上述方程式可見，為降低鋼絲的抗拉強度，必須限制C、Si、Mn、Q"、Ti等的含量。但這些元素的含量減少使得難以確保淬火特性，這導致無^i呆證在對諸如螺栓等采用該鋼絲的機械零件進行機加工后的強度。為克服這一問題，本發明所述鋼絲含有硼，硼是一種用于在不提高鋼絲抗拉強度的情況下保證機械零件強度的元素。權利要求1.一種具有優良冷鐓性能和淬火特性的鋼絲，以重量％計含有C0.1-0.4％，Si0.3-1.5％，Mn0.3-1.7％，P0.015％或更低，S0.015％或更低，Cr0.05-1.7％，Al0.05％或更低，B0.001-0.005％，Ti0.01-0.05％，N0.015％或更低，余量為Fe及其它不可避免的雜質。2.如權禾頓求l戶腿的鋼絲，其中，基于原子量，Ti與N之比(Ti/N)為1.39或更高，且B與Cr的重量比(B/Cr)為0.04或更低。3.如權利要求1或2所述的鋼絲，其中該鋼絲含有鐵素體和珠光體結構。4.如權利要求3所述的鋼絲，其中該鋼絲含有50%或更高的鐵素體結構。5.如權利要求4所述的鋼絲，其中該鋼絲含有總量為0.5%或更低的貝氏體和馬氏體組織。6.如權禾頓求5所述的鋼絲，其中該鋼絲具有590MPa或更低的抗招驢，該抗拉強度以下述等式表示TS(MPa)=258+959*[C]+l12*[Si]+l11*[^]+5*+439*[丁。-0.7*[鐵素體的比率]7.—種制造具有優良冷鐓性能和淬火特性的鋼絲的方法，包括將鋼坯加熱至1000-1100。C，該鋼坯以重量X計含有C:0.1-0.4%，Si:0.3-1.5%，Mn:03-1.7%，P:0.015%或更低，S:0.015%或更低，Cr:0.05-1.7%，Al:0.05%或更低，B:0.001-0.005%,Ti:0.01-0.05%，N:0.015%或更低，余量為Fe及其它不可避免的雜質；將該鋼坯軋制成鋼絲，隨后以0.1-5T7秒的，將該鋼絲冷卻至500。C或更低。8.如權禾腰求7戶脫的方法，其中軋制鋼坯包括在850。C或更低的精車L溫度進行精軋。9.如權利要求7或8所述的方法，其中，基于原子量，Ti與N之比(Ti/N)為1.39或更高，且B與Cr的重量比(B/Cr)為0.04或更低。10.如權利要求7或8戶;M的方法，其中該鋼絲具有590MPa或更低的抗拉強度，該抗拉強度以下述等式表示TS(MPa)=258+959*[C]+l12*[Si]+l11承[Mn]+5"Cr]+439"Ti]-0.71鐵素體的比率]。全文摘要提供一種具有優良冷鐓性能和淬火特性的鋼絲及其制造方法。該鋼絲即使不進行球化退火也具有顯著的低強度，從而能容易地冷加工該鋼絲，并確保之后能通過淬火而顯著提高強度。該鋼絲以重量％計含有，C0.1-0.4％，Si0.3-1.5％，Mn0.3-1.7％，P0.015％或更低，S0.015％或更低，Cr0.05-1.7％，Al0.05％或更低，B0.001-0.005％，Ti0.01-0.05％，N0.015％或更低，余量為Fe及其它不可避免的雜質。文檔編號C22C38/00GK101365819SQ200680048139公開日2009年2月11日申請日期2006年12月18日優先權日2005年12月27日發明者姜模昌,崔相佑,李德洛,李相潤,鄭烋安申請人:Posco公司