专利名称：高强度和高韧性超细线材及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种高强度、高韧性的线材，以及更特别地，涉及通过控制其微观结构得到的具有优异强度和韧性的线材，及其生产方法。
背景技术：
与汽车工业高度强化和重量减轻的趋势一致，伴随着最近铁合金价格的上涨，持续使用稀有金属资源作为地缘政治交易筹码。因此，需要开发即便不加入铁合金也具有高强度和高延展性的超细晶粒线材。通常，为了精制微观结构，建议使用加入合金元素如铌(Nb)、钛(Ti)和钒(V)的技 术。这些技术可被认为是通过使加入的合金元素形成沉淀并使该沉淀防止奥氏体晶粒的生长而得到精细铁素体相的方法。同样，除了上文详述的方法，已经使用一种受控轧制技术，其中在适用于将晶粒尺寸最小化的温度下进行轧制，并因此已经能够将铁素体晶粒直径精制为约20 μ m。由于对晶粒精制的持续需要，除了受控轧制技术之外，还已经引入热机械控制过程(Thermomechanical Control Process, TMCP),其中通过控制轧制速率和冷却速率精制晶粒结构从而改善机械性能。然而，所有前述晶粒精制技术可适用于制造钢板，但是可能难以用于线材制造。即，由于线材相比于厚钢板具有非常高的断面收缩率，轧制速率可相对更快，可能无法促进冷却速率的控制，且特别地对于水冷却，由于在其表面上形成马氏体晶粒而可能产生表面缺陷。因此，在控制轧制速率和冷却速率中起到关键作用的TMCP技术可能不适用于线材，并且需要适用于线材的制造技术。涉及制造细晶粒、高强度、高韧性线材的技术的专利包括日本专利申请特许公开2009-62574,2009-138251和2009-132958。这些专利局限于除了通过加入合金元素、变化冷却速率、以及控制合金元素和冷却速率之外还通过进行高压缩率轧制(high reductionrolling)使渗碳体晶粒破碎得到分段铁素体和渗碳体结构的方法。在分段铁素体和渗碳体结构的情况下，存在的优势为，分段铁素体晶粒作为细沉淀加固材料，从而显著提高线材强度，但是也可能存在缺陷，在于根据Hall-Petch方程，强度的增大会不可避免的伴随着延展性的减小。同样，由于为了分割渗碳体晶粒等，轧制必须在渗碳体晶粒等形成后进行，因此可能需要加宽两相区，在该两相区中可以形成渗碳体晶粒等，并且，为此目的，加入合金元素可能是很重要的。因此，也可能导致成本增加。其他涉及细晶粒线材的技术包括通过使用精细粉末的粉末冶金方法制造超细晶粒线材。然而，粉末冶金方案中制造的线材在其用途中有局限且存在缺陷，即在烧结过程中由于精细颗粒的烧结性降低，其强度可能下降。同时，其他涉及通过使用轧制或冷却方法制造超细晶粒线材的技术可能在数量上相对有限，且其中大部分可能仅仅是通过控制精轧和铅淬火(lead patenting, LP)温度而限制珠光体结构尺寸的技术。特别地，考虑到珠光体结构自身具有细晶粒，这些技术可能不具有特别的技术意义。因此，使用碳钢制造超细晶粒线材的技术可能具有更高的实用性。然而，由于到目前为止还没有提出令人满意的技术，因此急需研发该技术。
发明内容
技术问题本发明的一个方面是提供一种线材，其通过促进晶粒细化而确保高强度和高韧性，而无需加入合金元素；并提供其制造方法。技术方案根据本发明的一个方面，提供一种碳钢线材，其具有的微观结构包括面积分数为 60%或更多的铁素体结构，和作为剩余部分的渗碳体结构，其中铁素体晶粒的平均晶粒直径为15 μ m或更小。根据本发明的另一方面，提供一种通过加热大钢坯(bloom)或钢坯(billet)、线材轧制、冷却和卷绕制造超细晶粒、高强度、高韧性线材的方法，其包括将进行了线材轧制的线材冷却至150° C至350° C的温度范围，并随后将线材快速冷却至-100° C或更低温度。有益效果根据本发明，可通过使用不含有合金元素的碳钢提供一种超细晶粒、高强度、高韧性线材，其能确保合金钢水平的抗拉强度以及延展率。由于可以不向其中加入相对昂贵的合金成分，如钛(Ti)、铌(Nb)、钒(V)和铬(Cr)，可以获得成本竞争力并获得通过使用粉末冶金方法商业化的关于制造超细晶粒线材的技术。
本发明的上述方面和其他方面、特征和其他优势将通过下述详细记载结合附图更详细地理解，其中图I (a)和I (b)是显微照片，分别示出对比实施例I的微观结构，以及本发明实施例I的钢I的发明实施例I的微观结构；图2是示出对比实施例和本发明实施例I的钢I和2的发明实施例的抗拉强度测定结果图；图3 (a)和3 (b)分别是本发明实施例I的钢2的发明实施例2的电子背散射衍射(EBSD)图和显微照片；以及图4 (a)和4 (b)分别是示出对比实施例2和本发明实施例2的钢2的发明实施例2的线材拉伸和退火后的机械性能图。
具体实施例方式在下文中，将更详细描述本发明。本发明的发明人对制造高强度、高韧性碳钢线材而不使用含有相对昂贵的合金元素如钛(Ti)、铌(Nb)和钒(V)的铁素体合金的方法进行了大量的研究。
根据研究结果，本发明的发明人研发了一种具有如下微观结构的线材面积分数为60%或更多的铁素体结构；以及作为剩余部分的渗碳体结构，其中铁素体晶粒的平均晶粒直径为15μπι或更小。因此，本发明的发明人认为可实现线材的高强度和高韧性，并由此完成了本发明。本发明的线材包括面积分数为60%或更多的铁素体晶粒，和作为剩余部分的渗碳体晶粒。在铁素体晶粒分数少于60%的情况下，由于铁素体晶粒部分的减少而延展性降低，并因此，根据Hall-Petch方程，由于强度的增大而使得强度和韧性的平衡劣化。因此铁素体晶粒分数可以为60%或更多。同样，本发明的线材可具有平均晶粒直径为15 μ m或更小的铁素体晶粒。在铁素体晶粒尺寸减小的情况下，晶粒比表面积增大。因此，其强度可增大，但由于滑动系统(slipsystem)的平滑作用，延展性可以不降低。因此，本发明的线材可确保高抗拉强度，以及同时可确保具有高延展率的韧性。
在铁素体晶粒直径没有细化的情况下，在铁素体晶粒的平均晶粒直径大于15 μ m的情况下，强度增大的效果不仅不明显，而且由于每单位面积的铁素体晶粒所占分数的减少，韧性和延展性也会降低，并且也可能无法获得铁素体晶粒细化所产生的增大强度的效
果O同样，本发明线材中的铁素体晶粒可具有贝氏体形状。具有这种形状的铁素体晶粒被称为“贝氏体铁素体(bainitic ferrite)”。贝氏体铁素体具有针状形状且由板条相(lath phase)结构形成。相对于基体相奥氏体，贝氏体铁素体不包括内部沉淀，且由具有特定惯态面(habitplane)的平行板条组构成。由于所有板条组具有相同变量，其间的取向误差可以相对低，并因此可以形成将随后描述的小角度晶界。因此，本发明的线材由于含有贝氏体铁素体晶粒，可促进铁素体晶粒部分相较于一般铁素体晶粒部分增多，因此可具有同时提高韧性、延展性和强度的作用。本发明的线材的微观结构可具有的晶体取向——其由电子背散射衍射(EBSD)测定——为30度或更小。在晶体取向为30度或更小的情况下，其可被称为低角度晶界。由于本发明的线材可具有低角度晶界，因此精细铁素体晶粒部分可以增加，并因此不仅可以改善强度，也可增大韧性和延展性。因此，可以形成能够改善机械性能的结构。例如，本发明的线材的组成可包括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,该组合物可包括铁(Fe)以及其他不可避免的杂质作为剩余部分。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响本发明的总体技术思路。本发明的线材可具有IlOOMPa或更大的抗拉强度以及20%或更大的延展率，且可具有2000或更大的ECO指数(抗拉强度X延展率)，其代表强度和延展性的相互关系。下文中，将详细描述制造本发明的线材的方法。可在其制造过程中在线材轧制后控制其冷却速率而控制线材的微观结构。因此，将详细描述通过控制冷却速率制造本发明的线材的实施方案。通常，将大钢坯或钢坯加热并进行线材轧制，随后通过冷却和卷绕制造线材。作为制造碳钢线材的实例，在1100° C或更高温度下将碳钢大钢坯或钢坯再次加热，并在900° C至1000° C温度范围内进行线材轧制，随后在冷却后通过卷绕制造碳钢线材。
制造本发明线材的方法包括将进行了线材轧制的线材冷却至150° C至350° C的温度范围，随后快速冷却至-150° C至-100° C或更低的温度。将进行了线材轧制的线材冷却至150° C至350° C温度的过程可使用空气冷却方法进行。快速冷却不是指一般的水冷却或空气冷却，而是表示线材在几秒钟的时间内快速冷却。通常，认为在加热的钢淬火时得到马氏体结构。然而，本发明偏离这一传统观念。在本发明中，进行快速冷却，并因此可以抑制冷却过程中的扩散从而防止晶粒生长，且由于快速冷却，在轧制后可产生一种微观结构立刻进行再结晶的状态，即一种晶粒冻结过程，其在结构中形成类似于贝氏体结构中的类似束状(sheaf-like)的板条。因此，可以形成由具有精细晶粒的铁素体晶粒和渗碳体晶粒组成的微观结构。换句话说，可通过快速冷却防止铁素体晶粒的生长而形成超细晶粒结构，且可抑 制通常发生在碳钢中的转变，并因此可以形成一种结构，其包括60%或更多铁素体晶粒和作为剩余部分的渗碳体晶粒。特别地，铁素体晶粒作为贝氏体铁素体晶粒形成。快速冷却的冷却速率可以在100° C/秒至150° C/秒范围内。快速冷却不是指一般的水冷却，而是指通过冷却剂冻结晶粒，所述冷却剂在下文记载。因此冷却速率必须为100° C/秒或更快，且可以在100° C/秒至150° C/秒范围内。可以使用液氮和干冰作为冷却剂用于快速冷却，并且也可使用用于冷却线材的聚合物溶液。例如，聚合物溶液可以由15%至30%的聚亚烷基二醇(PAG)和70%至85%的水(H2O)构成。例如，冷却剂可以是液氮。在快速冷却中，线材被冷却至-100° C或更低的温度且可被冷却至-100° C至-150° C的温度范围。在温度低于-150° C的情况下，线材的表面被快速冷却并因此可能在线材本身上产生表面缺陷。在温度高于-100° C的情况下，可能无法得到足够的冷却效果，并因此可能不能控制本发明中需要的线材结构。快速冷却可以通过将线材浸入冷却剂进行，且此时浸泡时间可以在I分钟至10分钟的范围内。在浸泡时间少于I分钟的情况下，线材的冷却可能不充分，并因此无法形成本发明中需要的结构。在浸泡时间相对长、长于10分钟的情况下，用于制造线材的加工时间会变得相对更长，并因此生产力会降低。
具体实施例方式在下文中，将根据具体实施例更详细描述本发明。然而，下述实施例仅提供用于更清楚的理解本发明，而不是限制其范围。(实施例I)根据美国材料试验学会(AmericanSociety for Testing Materials,ASTM)制备S45C钢(下文中，称为“钢I”)和45F钢(下文中，称为“钢2”)，并随后在其上进行用于制造线材的线材轧制。随后，将其中一部分切割并冷却至300° C，随后将该部分浸入-150° C的液氮中5分钟进行快速冷却。为了模拟卷绕，使样品恢复室温。在下文中，进行本发明操作的样品分别归类为钢I的发明实施例I和钢2的发明实施例2。反之，未进行快速冷却的样品归类为钢I的对比实施例I和钢2的对比实施例2。使用光学显微镜观察每个样品的微观结构并观察其电子背散射衍射(EBSD)图像，其结果分别在图I和3中给出。测定每个样品的抗拉强度，结果在图2中表示。图I (a)和I (b)是显微照片，分别示出钢I的对比实施例I的微观结构和发明实施例I的微观结构。如图I (a)所示,对比实施例I的样品由两相构成,所述两相包括晶粒直径为约35 μ m至约40 μ m的铁素体晶粒和渗碳体晶粒。然而，对于图I (b)示出的发明实施例I，可以确定样品由晶粒直径约12 μ m的形状类似贝氏体的超细铁素体晶粒(贝氏体铁素体晶粒)和渗碳体晶粒组成。图2是展示钢I和2的对比实施例和发明实施例的抗拉强度测定结果图。如图2所示，可以确定在钢I和2中发明实施例的抗拉强度相比于对比实施例增大到约I. 5倍至约2. O倍。其原因是由于发明实施例中的快速冷却，晶粒生长可以被抑制，从而降低铁素体晶粒的尺寸。
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图3 (a)和3 (b)分别是钢2的发明实施例2的EBSD图和显微照片。如图3 (a)所示，可以确定在发明实施例2的样品中形成具有30度或更小晶体取向的低角度晶界，且如图3 (b)所示，可以确定铁素体晶粒的晶粒尺寸为约12 μ m或更小。(实施例2)同时，进行以下实施例，以便在使用本发明的线材进行拉伸的情况下确定机械性能。通过以80%的比例干法拉伸钢2的对比实施例2制备样品，且拉伸的样品分别在500° C和600° C下退火制备退火样品。通过以80%的比例干法拉伸钢2的发明实施例2制备拉伸线材。测定其机械性能且结果在图4中表示。图4(a)是示出使用对比实施例2制造的干法拉伸样品和退火样品的机械性能图，且4 (b)是同时示出使用发明实施例2制造的拉伸线材的机械性能图。如图4 (a)所示，对于以80%比例干法拉伸的对比实施例2的拉伸线材，可以确定抗拉强度提高至约1600MPa，但依据常规Hall-Petch作用，延展率小于约10%。也可以确定在进行退火以退火集中位错(anneal concentrated dislocation)后,延展性没有提高。原因在于由于在干法拉伸过程中位错会堆积，从而位错可增加，通过严重变形可使晶粒尺寸减小，且同时，由于位错密度增大而延展性会降低。然而，如图4(b)所示，对于发明实施例2，可以确定尽管抗拉强度为约1150MPa或更大，延展率平均为约23%。其原因是由于每单位面积的铁素体晶粒分数增大同时铁素体晶粒的比表面积增大，滑动体系可平滑作用从而提高延展性。同时，对于示出超细晶粒特征的发明实施例2，EC0指数(抗拉强度X延展性)为2200或更大。然而，对于对比实施例2，可以确定ECO指数不大于1500的最大值。虽然本发明已经结合示例的实施方案进行说明和描述，对本领域技术人员来说显而易见的是，在不偏离所附权利要求中定义的本发明的主旨和范围的情况下可以进行改进和变化。
权利要求
1.一种超细晶粒、高强度、高韧性的线材，其具有一种微观结构，包括 一种铁素体结构，其具有的面积分数为60%或更多，和 一种渗碳体结构，其作为剩余部分， 其中铁素体晶粒的平均晶粒直径为15 μ m或更小。
2.权利要求1的超细晶粒、高强度、高韧性的线材，其中所述线材含有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％的锰(Mn)，和铁(Fe)以及其他不可避免的杂质作为剩余部分。
3.权利要求1的超细晶粒、闻强度、闻朝性的线材，其中铁素体晶粒具有贝氏体铁素体的形状。
4.权利要求1的超细晶粒、高强度、高韧性的线材，其中通过电子背散射衍射(EBSD)测定的铁素体具有的晶体取向为30度或更小。
5.权利要求1的超细晶粒、高强度、高韧性的线材，其中线材具有的抗拉强度为.1lOOMPa或更大，延展率为20%或更大。
6.权利要求1的超细晶粒、高强度、高韧性的线材，其中线材具有的ECO指数(抗拉强度X延展性)为2000或更大。
7.—种通过加热大钢坯或钢坯、线材轧制、冷却和卷绕制造超细晶粒、高强度、高韧性的线材的方法，该方法包括 将进行了线材轧制的线材冷却至150° C至350° C的温度；并且 将该线材快速冷却至-100° C或更低温度。
8.权利要求7的方法，其中快速冷却在-150°C至-100° C范围内的温度进行。
9.权利要求7的方法，其中快速冷却以100°C/秒至150° C/秒的冷却速率进行。
10.权利要求7的方法，其中快速冷却通过使用液氮、干冰或聚合物溶液中任意一种作为冷却剂进行。
11.权利要求10的方法，其中快速冷却通过将线材浸入冷却剂中进行，且浸泡进行I分钟至10分钟。
12.权利要求10的方法，其中聚合物溶液由15%至30%的聚亚烷基二醇(PAG)和70%至85%的水构成。
全文摘要
本发明提供一种高强度、高韧性的超细线材以及其制备方法，其中的线材是一种高强度和高韧性的超细碳钢线材，其是通过进行过程控制而控制微观结构而制造，且无需加入相对昂贵的合金元素。该碳钢线材的微观结构包括一种铁素体结构，其具有的面积分数为60%或更多，以及一种渗碳体结构作为剩余部分，其中铁素体晶粒的平均晶粒直径为15μm或更小。
文档编号C21D8/06GK102884211SQ201180022757
公开日2013年1月16日 申请日期2011年5月6日 优先权日2010年5月6日
发明者金东炫, 辛宇基, 李侑焕 申请人:Posco公司