专利名称：用于冷锻以提高模具使用寿命的高强度钢线及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于冷锻的高强度预热处理钢线，其用作发动机、底盘和转向装置等的部件(螺栓和轴)的材料；更具体地，本发明涉及用于冷锻的钢线和制备该钢线的方法，其中在淬火和回火后，以适合的截面收缩率对该钢线进行冷拉，即使在大于1200Mpa的高拉伸强度下，冷锻也可以实行，并且模具的使用寿命能够得到显著的提高。
背景技术：
已公知的作为现有技术中代表性的冷锻钢线是球化退火材料和非热处理钢。球化退火材料是一种可以在低温中进行锻造的材料，通过热处理工序期间的球化碳化物析出以增加延展性。即，在约700°C的温度下加热13 17小时析出的碳化物是球化的，从而该材料的拉伸强度降低至50(T600Mpa以便于该材料的锻造。但是，其是有缺陷的，因为在锻造工·艺后，必须进行额外的热处理以增加拉伸强度，从而给加工工艺增加了难度同时提高了生产成本。因此，近年来迅速地发展出非热处理钢，其通过省去锻造工艺后的淬火和回火的热处理从而实现成本的降低。大多数非热处理钢是铁素体和珠光体的复合材料结构并添加有多种合金元素，所以它们在锻造为具有小于SOOMPa的拉伸强度的相对简单和低加工性的部件时是没有问题的。但是，在实际中，锻造为复杂形状的具有高于900MPa的拉伸强度的部件(例如六角法兰螺栓等)是不可能的，因为作为层状形状存在于珠光体中的渗碳体早已断裂。同时，考虑到用于冷锻的常规钢线的所述问题，本发明的申请人已经开发出一种钢线，作为具有新理念的用于冷锻的高强度钢线，其即使在70(Tl300MPa的非常高的拉伸强度下、在如螺栓等部件的冷锻造过程中也不会产生裂纹，其已经被登记为第046971号韩国专利。近年来，根据汽车制造商对地球环境保护和轻质汽车的研制的不断追求，对具有120(Tl600MPa范围的超高强度并能够进行冷锻的钢线的开发已经产生了强烈的需求。然而，上述此种范围的拉伸强度太高，它们在冷锻工艺期间容易产生裂纹并显著地缩短冷锻模具的使用寿命。因此，以现有技术水平，实际上不可能进一步提高钢线的拉伸强度。
发明内容
技术问题因此，本发明是基于用于冷锻的常规钢线的上述问题以及近来对开发更高强度冷锻钢线的需求做出的，本发明的一个目的是提供一种用于冷锻的高强度钢线及其制造方法，其中尽管该材料具有范围在120(Tl600MPa的超高拉伸强度，在冷锻造构造部件及汽车部件期间不会产生裂纹并且显著地提高了模具的使用寿命。技术方案基于至今不为公知的新事实能够实现上述目的，S卩如果以特定范围的截面收缩率对已经淬火和回火的高强度钢线进行冷拉，由于降低了变形抗力能，其能够获得良好的冷锻造性能而不会引发形成裂纹。
本发明的发明人在为开发拉伸强度基本上高于1200MPa、可以进行冷锻并提高模具使用寿命的新型钢线而进行的大量测试和反复的实验期间发现了上述事实。到目前为止，在相关的工业中，普遍认为研究人员不可能对拉伸强度高于1300MPa并且只经过淬火和回火的钢线进行冷锻。但是，在冷锻造由在淬火和回火后经特定量拉伸获得的钢线时，可以注意到与锻造前的线相比，虽然增加了拉伸强度，但由于拉伸，钢线以相反的方向向金属结构变形方向上加工，从而显著地降低了变形抗力能以提高冷可锻性并提闻1旲具的使用寿命。接下来将对其做更详细的描述。将能够淬火并用于机械结构的碳素钢迅速加热至Ac3转变点之上，并保持在加热状态。然后将该碳素钢迅速地通过水或油冷却并在5000C (Al转变点)进行回火，获得拉伸强度为110(Tl400MPa的线。在此后以25 40%的截面收缩率(area reduction rate)进行拉伸时，可以注意到虽然具有1200 1600MPa的非常高的拉伸强度，制造的线也能够进行冷锻造而不产生裂纹并且能够显著地提高模具的使用 寿命。用于本发明方法的线的化学组成具有基本的组成体系，包括0. 15、.40被％的C、少于I. 5wt%的Si、0. 30 2. 0wt%的Mn、少于O. 03wt%的P、少于O. 03wt%的S，且余量包括Fe和不可避免的杂质。根据情形，向上述组成中可以添加下列组分中至少一种或多种O. 05 2. 0wt% 的 Cr,O. 05 I. 5wt% 的 Mo,O. 01 O. 10wt% 的 Ti,O. 0003 O. 0050wt% 的 B 和O. 0Γ0. 05wt%的Al。限定每一种元素的含量范围的原因如下。C:0. 15 O. 40wt%C是所添加的最重要的元素，其用于在淬火时提高强度。本领域已公知，通过淬火热处理少于O. 15wt%的C很难预期到硬化效应。相反,如果添加量超过O. 40wt%,由于大量碳化物的析出而导致韧性降低而变形抗力提高，从而导致裂纹产生并在冷轧辊锻期间降低工具的使用寿命。Si:少于 I. 5wt%所添加的Si元素用于对钢进行脱氧，通过固溶体强化作用提高强度。如果Si的添加量超过I. 5wt%，韧性降低从而在冷轧辊锻时增加变形抗力，这会导致裂纹的产生而降低工具的使用寿命。原因在于Si存在于析出的碳化物的固溶体中，阻碍了碳的移动，从而抑制碳化物的球化。Mn:O. 30^2. 0wt%Mn是固溶体强化作用的有效元素。它的加入能够避免在过量添加C和Si时可能发生的变形抗力的增加。另外，Mn是一种用于补充低添加量C和Si的钢强度下降的元素。因此。为了实现上述效果，至少需要添加O. 30wt°/c^^Mn。如果添加的量超过了上述量，其会增加韧性和变形抗力。因此，Mn的添加量不能超过2. 0wt%。Cr :0. 05^2. 0wt%Cr是一种提升淬火硬度和韧度的元素。当Cr的添加量少于O. 05wt%时，上述性质的改善效果不显著。Cr是一种昂贵的元素，所以如果超过2. 0wt%，成本效益会降低。因此，Cr添加量的下限是O. 05wt%，而其添加量的上限是2. 0wt%。Mo: O. 05 I. 5wt%Mo与添加Cr的效果几乎相同。当Mo的添加量少于O. 05wt%时，其未提供实质性的影响。当Mo的添加量超过I. 5wt%时，冷加工的变形抗力提高，因此其添加量必须限定在不超过I. 5wt% 。B: O. 0003 O. 0050wt%B是一种用于改善淬火-可淬性的有效元素。当其添加量少于O. 0003被％时，其添加的效果不明显。当添加量超过O. 0050wt%时，其甚至会降低淬火-可淬性。Ti:O. ΟΓΟ. 10wt%Ti与B共存，能够有效提升淬火强度，但是其对奥氏体晶粒细化有很大影响。但是，当Ti的添加量少于O. 01wt%时，其效果不充分。当超过O. lwt%时，其增加了间质从而降低所需的各种物理性质。Al:O. ΟΓΟ. 05wt%Al与氮(N)结合并且具有限制奥氏体晶粒的生长的作用。当加入大量Al时，会产生大量的氧化铝间质，其会降低延展性。因此，为了实现本发明的目的，Al量的优选范围是O. ΟΓΟ. 05wt%oP和S元素是钢中不可避免的杂质，它们在实行回火工艺时在晶界处析出，从而恶化冲击韧性并在冷加工时降低应变。因此，需要尽快将它们的含量分别限制在不超过O.030wt%o下面将以具有如上所述化学组成的钢材料来描述本发明制造用于冷锻的高强度钢线的方法。本发明制造用于冷锻的高强度钢线的方法，包含步骤对线材进行冷拉，该线材含有 O. 15 O. 40wt% 的 C、少于 I. 5wt% 的 Si、0. 30 2· Owt% 的 Mn、少于 O. 03wt% 的 P、少于O. 03被％的S，且余量包括Fe和不可避免的杂质；在一系列高频感应加热设备中将该冷拉的线材迅速加热到Ac3转变点以上3(Γ90秒并保持此种加热的状态；用水或油将该加热状态下的线材迅速冷却；通过将线材加热到500°C (Al转变点)3(Γ90秒(包括在此温度下保持的时间)来进行回火处理；用水冷却该加热的线材以获得拉伸强度为110(Tl400MPa的线材；以25 40%的截面收缩率对线材进行冷拉，从而获得120(Tl600MPa的拉伸强度。在本发明中对具有上述化学组成的钢材料进行热处理时，选择淬火/回火的原因在于淬火后回火时析出的碳化物具有细晶粒，因此如果在Al转变点的500°C高温下进行回火，析出的碳化物被球化从而显著地降低在冷锻造时的裂纹产生率。另外，将淬火和回火后得到的拉伸强度限定在110(Tl400MPa范围内的原因在于在以25 40%的截面收缩率对已淬火和回火的钢线进行拉制时，确保目标终产品的拉伸强度为 1200 1600MPa。本发明特有的技术形态就在于以25 40%的截面收缩率对已经淬火和回火的钢线进行拉制。该结果是本发明人通过改变冷拉条件对本发明的钢材料组合物进行大量测试而得到的，其可以通过图I的线图得到证实，图I示出了根据拉制的截面收缩率(%)测定的变形抗力能(J/m3)。即，如图I所示，当对已淬火和回火并具有1150MPa拉伸强度等级的钢线进行冷轧辊锻时，可以注意到以25 40%的截面收缩率拉制的钢线具有最低的变形抗力能。此外，使用的钢线的化学组成具有三种类型的钢，以重量％计含有O. 2%C - I. 0%Cr、
O.2%C - I. l%Cr - 0. 2%Mo 和 0. 3%C - I. 0%Si。
有益效果在现有技术中，只通过实行淬火和回火制造的、具有大于1300MPa的拉伸强度的热线材，由于非常短的模具使用寿命，从而不能用于冷锻造，并且不能商业化。根据本发明的方法得到的钢线使以下情形成为可能在高达1600MPa的拉伸强度下稳定地实行冷锻造工艺，从而其能够延长模具的使用寿命、并为创新性轻量化的汽车部件提供材料以减少温室气体的排放，进而提高该钢线的工业可应用性。
图I表示根据拉制的截面收缩率测定的变形抗力能(J/m3)。
具体实施例方式下文将描述本发明的详细实施方式。 下表I中描述了用于本发明实施例中的钢材料的化学组成。将直径为18mm的热轧线材冷拉为16mm直径的线材。然后将该冷拉线迅速加热到Ac3转变点之上3(Γ90秒并保持在其加热状态，之后迅速通过水或油冷却。接着，在500°C -Al转变点回火3(Γ90秒，从而获得了拉伸强度范围为110(Tl400MPa的线。再次，以25 40%的截面收缩率对该线进行冷拉以最终形成具有120(Tl600MPa的拉伸强度的实例钢线。同时，在如上所述的工艺中制造的钢线上用于拉伸强度试验的样本是6. 25mm直径的ASTM E8标准样本。制作IOmm直径和15mm高的样本，通过100吨容量的专用压缩试验机进行抗压测试。在这一点上，通过在绘制的真实应力-真实应变曲线上获得相当于O. 9的应变图形区域来计算变形抗力能。另外，为了评价模具的使用寿命，当冷锻最终制造的钢线时，锻造法兰螺栓MlO并测量模具的寿命直至该模具破裂，然后对测量结果进行比较。此处，出于经济的考虑，模具的目标使用寿命是至少超过50000次冲击(blow)。通常，具有大于1200MPa拉伸强度等级的钢线的冲击次数远低于50000。表I
权利要求
1.一种用于冷锻、具有提高的模具使用寿命的高强度钢线，包含O. 15、.40被％的(、少于I. 5wt%的Si、0. 30 2· Owt%的Mn、少于O. 03wt%的P、少于O. 03wt%的S，且余量包括Fe和不可避免的杂质， 其中该钢线经过冷拉，依次进行淬火和回火，然后以25 40%的截面收缩率进行拉制以获得120(Tl600MPa的拉伸强度。
2.根据权利要求I所述的钢线，进一步包含下列组分中的至少一种或多种O. 05 2. 0wt% 的 Cr,O. 05 I. 5wt% 的 Mo,O. 01 O. 10wt% 的 Ti,O. 0003 O. 0050wt% 的 B 和O. OI O. 05wt% 的 Al。
3.一种用于冷锻的高强度钢线的制造方法，包含步骤 对线材进行冷拉，该线材含有O. 15 O. 40wt%的C、少于I. 5wt%的Si,O. 30 2· 0wt%的Mn、少于O. 03wt%的P、少于O. 03wt%的S、余量为Fe和不可避免的杂质； 在一系列高频感应加热设备中迅速地将该经冷拉的线材加热到Ac3转变点之上3(Γ90秒并保持此种加热状态； 用水或油迅速地冷却该加热状态的线材； 通过将所述线材加热到500°C -Al转变点3(Γ90秒来进行回火工艺，该段时间包括在此温度下的保温时间； 用水冷却该加热的线材，以获得拉伸强度为110(Tl400MPa的线材；和 以25 40%的截面对该线材进行冷拉，以获得120(Tl600MPa的拉伸强度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述的钢线包含下列组分中的至少一种或多种O. 05 2. 0wt% 的 Cr,O. 05 I. 5wt% 的 Mo,O. 01 O. 10wt% 的 Ti,O. 0003 O. 0050wt% 的 B 和O. OI O. 05wt% 的 Al。
全文摘要
本发明涉及一种用于冷锻的高强度预热处理钢线，其用作发动机、底盘和转向装置等的部件(螺栓和轴)的材料。方法包含对线材进行冷拉，该线材含有0.15~0.40wt%的C、少于1.5wt%的Si、0.30~2.0wt%的Mn、少于0.03wt%的P、少于0.03wt%的S，且余量包括Fe和不可避免的杂质；在一系列高频感应加热设备中迅速地将该经冷拉的线材加热到Ac3转变点之上30~90秒并保持此种加热状态；用水或油迅速地冷却该加热状态的线材；通过将所述线材加热到500℃-A1转变点30~90秒来进行回火工艺，该段时间包括在此温度下的保温时间；用水冷却该加热的线材，以获得拉伸强度为1100~1400MPa的线材；并且以25~40%的截面收缩率对该线材进行冷拉，以获得1200~1600MPa的拉伸强度。尽管本发明的钢线具有大于1200MPa的拉伸强度，但其仍然可以进行冷锻并给模具的使用寿命带来显著的提高。
文档编号B21C1/00GK102971095SQ201180024164
公开日2013年3月13日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年6月2日
发明者安顺泰 申请人:三和钢棒株式会社