各自具有优异的延迟断裂抗力特性的用于冷锻的线材和部件及其制造方法

摘要

本说明书中公开了各自具有优异的延迟断裂抗力特性并且能够应用于高强度螺栓等的用于冷锻的线材和部件；及其制造方法。根据所公开的具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件的一个实施方案，所述部件以重量％计包含：0.3％至0.5％的C；0.01％至0.3％的Si；0.3％至1.0％的Mn；选自0.3％至1.5％的Cr、0.3％至1.5％的Mo和0.01％至0.4％的V中的至少两种类型；以及余量为Fe和其他杂质，所述部件以95％或更大的面积分数包含回火马氏体相作为显微组织，以及以10个/100μm

说明书

技术领域

本公开内容涉及各自具有优异的延迟断裂抗力特性的用于冷锻的线材和部件及其制造方法，并且更具体地，涉及各自具有优异的延迟断裂抗力特性并且适用于高强度螺栓等的用于冷锻的线材和部件及其制造方法。

背景技术

一般的用于冷锻的线材产品通过进行冷拔、球化热处理、冷拔、冷锻、淬火和回火而制造成机械结构和汽车部件。

用于冷锻的钢材的技术开发的近来趋势聚焦于开发通过省略热处理和加工而获得的过程省略型(process omission-type)线材以及开发能够按照全球汽车燃油效率法规(worldwide fuel efficiency regulations of automobiles)减少部件重量的用于冷锻的高强度钢材。然而，这样的用于冷锻的高强度部件应在冷锻之后经历淬火和回火热处理，以及作为由此形成的显微组织的回火马氏体组织在1300MPa或更大的高强度下对氢致延迟断裂极其敏感并因此难以使用所述用于冷轧的高强度部件。

同时，强度和韧性通常彼此不相容，并且观察到其中随着强度提高而韧性劣化的现象。因此，需要通过获得强度和氢致延迟断裂抗力来开发具有优异的延迟断裂抗力特性的部件。

发明内容

技术问题

为了解决上述问题，提供了各自具有优异的延迟断裂抗力特性的用于冷锻的线材和部件及其制造方法。

技术方案

根据用以实现上述目的的本公开内容的一个方面，具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件以重量百分比(重量％)计包含：0.3％至0.5％的C；0.01％至0.3％的Si；0.3％至1.0％的Mn；选自0.3％至1.5％的Cr、0.3％至1.5％的Mo和0.01％至0.4％的V中的至少两种类型；以及余量为Fe和其他杂质，所述具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件以95％或更大的面积分数包含回火马氏体相作为显微组织，以及以10个/100μm

此外，在各个根据本公开内容的具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件中，可以满足以下表达式(1)。

(1)Cr+2.7Mo+6V≥3.56

在此，Cr、Mo和V表示相应元素的重量％。

此外，在各个根据本公开内容的具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件中，基于V的碳化物的纵横比可以为10至1∶1。

此外，根据本公开内容的具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件还可以以20个/100μm

此外，具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件还可以以20个/100μm

此外，在各个具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件中，球形奥氏体的平均晶粒直径可以为10μm或更小。

此外，在各个具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件中，抗拉强度可以为1450MPa或更大。

此外，在各个具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件中，冲击韧性可以为80J或更大。

此外，根据用以实现上述目的的本公开内容的另一个方面，用于制造具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件的方法包括：对线材进行至少一次球化热处理和拉拔以制备钢丝，所述线材以重量百分比(重量％)计包含：0.3％至0.5％的C；0.01％至0.3％的Si；0.3％至1.0％的Mn；选自0.3％至1.5％的Cr、0.3％至1.5％的Mo和0.01％至0.4％的V中的至少两种类型；以及余量为Fe和其他杂质，并且满足以下表达式(1)，对钢丝进行冷锻以制备部件，将部件加热，对经加热的部件进行淬火，将经淬火的部件再加热至850℃至950℃，对经再加热的部件进行再淬火，以及对经再淬火的部件进行回火，其中经再加热的部件以10个/100μm

(1)Cr+2.7Mo+6V≥3.56

在此，Cr、Mo和V表示相应元素的重量％。

此外，根据用以实现上述目的的本公开内容的另一个方面，用于冷锻的线材以重量百分比(重量％)计包含：0.3％至0.5％的C；0.01％至0.3％的Si；0.3％至1.0％的Mn；选自0.3％至1.5％的Cr、0.3％至1.5％的Mo和0.01％至0.4％的V中的至少两种类型；以及余量为Fe和其他杂质，其中显微组织以面积分数计包含85％或更多的贝氏体、2％至10％的马氏体和1％至5％的珠光体。

此外，在各个根据本公开内容的用于冷锻的线材中，可以满足以下表达式(1)。

(1)Cr+2.7Mo+6V≥3.56

在此，Cr、Mo和V表示相应元素的重量％。

此外，在各个根据本公开内容的用于冷锻的线材中，球形奥氏体的平均晶粒直径可以为30μm或更小。

有益效果

根据本公开内容的实施方案，通过使引起固溶强化从而使可冷锻性劣化的Si的含量最小化，通过添加Mo以防止强度的降低，通过添加V以提高强度和晶粒细化，在淬火和回火热处理之后，热处理部件可以具有优异的氢致延迟断裂抗力。

根据本公开内容的一个实施方案，通过对包含球形奥氏体的细晶粒的部件进行淬火并且在500℃或更高的高温下对部件进行回火，可以防止在球形奥氏体的晶界中形成呈薄膜形式的碳化物并且可以使球形碳化物分散地分布在晶界内和晶界外。因此，可以改善热处理部件的氢致延迟断裂抗力。

附图说明

图1为分别示出发明例和比较例的抗拉强度的图。

具体实施方式

根据本公开内容的一个实施方案的具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件以重量百分比(重量％)计包含：0.3％至0.5％的C；0.01％至0.3％的Si；0.3％至1.0％的Mn；选自0.3％至1.5％的Cr、0.3％至1.5％的Mo和0.01％至0.4％的V中的至少两种类型；以及余量为Fe和其他杂质，所述具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件以95％或更大的面积分数包含回火马氏体相作为显微组织，以及以10个/100μm

发明实施方式

下文中，现在将描述本公开内容的优选实施方案。然而，本公开内容可以以很多不同的形式实施并且不应被解释为限于本文阐述的实施方案。相反，提供这些实施方案使得本公开内容将是彻底且完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本公开内容的范围。

本文所使用的术语仅用于描述特定的实施方案。因此，除非其在上下文中具有明显不同的含义，否则以单数使用的表达涵盖复数的表达。此外，应理解的是术语例如“包含”或“具有”旨在表明说明书中公开的特征、步骤、功能、组成要素或其组合的存在，并且不旨在排除可以存在或者可以添加一种或更多种其他特征、步骤、功能、组成要素或其组合的可能性。

同时，除非另有定义，否则本文所使用的所有术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。因此，除非本文明确地如此定义，否则这些术语不应以理想化或过度形式的意义来解释。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式旨在也包括复数形式。

此外，在整个说明书中使用的术语“约”、“基本上”等意指当提出自然制造和物质可允许误差时，这样的可允许误差对应一个值或类似于该值，并且这样的值旨在为了清楚地理解本发明或者防止无意识的侵权者非法地使用本发明的公开内容。

根据本公开内容的用于冷锻的线材以重量百分比(重量％)计包含：0.3％至0.5％的C；0.01％至0.3％的Si；0.3％至1.0％的Mn；选自0.3％至1.5％的Cr、0.3％至1.5％的Mo和0.01％至0.4％的V中的至少两种类型；以及余量为Fe和其他杂质。

下文中，将描述对本公开内容的实施方案中的合金组分的含量的数值限制的原因。下文中，除非另有说明，否则单位为重量％。

C为添加以获得产品的强度的元素。当C含量小于0.3％时，难以获得期望的强度并且在最终的淬火/回火(Q/T)热处理之后不容易获得足够的可淬火性。相反，当C含量超过0.5％时，过量地形成碳化物，从而导致疲劳寿命降低的问题。因此，将C含量的上限控制为0.5％。

Si为用于钢的脱氧并且还有利于通过固溶强化来获得强度的元素。在本公开内容中，Si以0.01％或更大的量添加用于脱氧并获得强度。然而，过量的Si可能使可冷锻性劣化，从而导致难以加工具有复杂形状的部件例如螺栓的问题。因此，在本公开内容中将Si含量的上限控制为0.3％。

Mn有利于提高部件的可淬火性以获得强度，作为提高可轧制性并且降低脆性的元素。因此，Mn以0.3％或更大的量添加以获得足够的强度。然而，当Mn含量过量时，在热轧之后的冷却期间可能容易地形成硬质组织，以及以大量形成MnS夹杂物，从而导致疲劳特性的劣化。因此，在本公开内容中将Mn含量的上限控制为1.0％。

Cr为提高抗氧化性和可淬火性的元素。当Cr含量小于0.3％时，难以获得足够的抗氧化性和可淬火性，从而在Q/T热处理之后无法获得足够的强度。相反，过量的Cr可能过度地提高可淬火性，从而导致部件在淬火之后的变形，并因此需要另外的过程以矫正变形。此外，可能导致冲击韧性降低和伴随着差的氢致延迟断裂抗力的碳化物的粗化的问题。因此，在本公开内容中将Cr含量的上限控制为1.5％。

Mo为通过由于析出细碳化物的析出强化效果和固溶强化效果来提高可淬火性的元素。通过Mo提高可淬火性比通过Mn和Cr提高可淬火性更加有效。当Mo含量小于0.3％时，淬火进行得不充分，从而在Q/T热处理之后无法获得足够的强度。相反，过量的Mo过度地提高可淬火性，从而导致部件在淬火之后的变形，并因此需要另外的过程以矫正变形。因此，在本公开内容中将Mo含量的上限控制为1.5％。

V为通过形成细碳氮化物例如VC、VN和V(C，N)使钢的组织细化的元素。当V含量小于0.01％时，由于V析出物在基材中的低分布而不能固定球形奥氏体的晶界，并因此在将经淬火的部件再加热的过程期间，球形奥氏体的晶粒粗化，从而导致强度降低的问题。然而，当V含量过量时，形成粗大碳氮化物，从而导致冲击韧性的劣化的问题。因此，在本公开内容中将V含量的上限控制为0.4％。

在本公开内容中，可以包含上述合金元素Cr、Mo和V中的至少两者，优选地，考虑到可淬火性、冲击韧性等，可以包含所有合金元素。

本公开内容的组成的剩余组分为铁(Fe)。然而，所述组成可能包含从原材料或周围环境中不可避免地并入的非预期的杂质，并因此不排除添加其他合金组分。由于杂质对于制造领域的任何技术人员而言是已知的，因此在本公开内容中未具体地提及。

本发明人已经发现，在其中Cr、Mo和V的含量的关系满足特定条件的情况下，可以进一步提高用于冷锻的钢材的强度和延迟断裂抗力，并且得到以下合金元素的表达式。根据本公开内容的一个实施方案的用于冷锻的线材可以满足上述合金元素的组成和以下表达式(1)。

(1)Cr+2.7Mo+6V≥3.56

在表达式(1)中，Cr、Mo和V表示相应元素的重量％。此外，对于Cr、Mo和V中不包含在内的合金元素，代入0。

为了提高氢致延迟断裂抗力，应获得能够捕获可扩散氢的细碳化物。各自包含Cr、Mo和V作为主要元素的CrC、MoC和VC碳化物为能够捕获氢的细碳化物。当这样的碳化物的数量高于一定水平时，可以在550℃至650℃的回火温度下获得1450MPa或更高的强度并且可以使氢捕获效果最大化。考虑这一点，可以通过调节合金元素的组成以满足以上表达式(1)来在550℃至650℃的高回火温度下提高热处理部件的强度和氢致延迟断裂抗力。

根据本公开内容的一个实施方案的用于冷锻的线材的显微组织可以以面积分数计包含85％或更多的贝氏体、2％至10％的马氏体和1％至5％的珠光体。

此外，在根据本公开内容的一个实施方案的用于冷锻的线材中，球形奥氏体的平均晶粒直径可以为30μm或更小。在这方面中，线材中的球形奥氏体的平均晶粒直径是指线材在卷取之后并且在冷却之前的奥氏体组织的平均晶粒直径。

首先，将描述根据本公开内容的用于制造用于冷锻的线材的方法。

根据本公开内容的一个实施方案的用于制造用于冷锻的线材的方法可以包括将满足上述合金元素的组成的钢坯加热，由经加热的钢坯制备线材，以及将线材冷却。

在将钢坯加热的步骤中，钢坯可以满足上述合金元素的组成和表达式(1)，以及可以在900℃至1200℃的温度下进行加热。

在使用经加热的钢坯制备线材的步骤中，可以在800℃至1000℃的温度下对将经加热的钢坯进行精轧并且卷取成线材。在这方面中，轧制率可以为80％或更大。

在将线材冷却的步骤中，可以以0.2℃/秒至0.5℃/秒的速率将线材冷却，并且冷却方法没有特别限制，但是可以使用空气冷却型方法。经冷却的线材的显微组织可以以面积分数计包含85％或更多的贝氏体、2％至10％的马氏体和1％至5％的珠光体，以及球形奥氏体的平均晶粒直径可以为30μm或更小。在这方面中，线材的球形奥氏体的平均晶粒直径是指线材在卷取之后并且在冷却之前的奥氏体组织的平均晶粒直径。

下文中，将描述用于使用上述用于冷锻的线材制造具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件的方法。

根据根据本公开内容的一个实施方案的用于制造具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件的方法，所述方法可以包括：在上述用于制造用于冷锻的线材的方法之后，对经冷却的线材进行至少一次球化热处理和拉拔以制备钢丝，通过对钢丝进行冷锻来制造部件，将部件加热，对经加热的部件进行淬火，将经淬火的部件再加热，对经再加热的部件进行再淬火，以及对经再淬火的部件进行回火。下文中，将详细地描述各步骤。

根据上述制造方法，可以使经冷却的线材经受一次或更多次球化热处理和拉拔以制备钢丝。可以适当地进行球化热处理以在拉拔之前提供钢材的加工量，以及可以考虑拉拔的加工极限来适当地进行拉拔。根据本公开内容，通过对线材进行至少一次球化热处理和拉拔以制备用于制造具有复杂形状的部件的具有小直径的钢丝。

可以对钢丝进行冷锻以制造部件。部件的实例可以包括螺钉、螺栓等。

随后，可以将部件加热。将部件加热的步骤为使在对线材进行轧制时析出的碳化物完全地重熔的步骤。根据一个实施方案，可以在1000℃至1100℃的温度下将部件加热。在这方面中，加热时间可以为1000秒至3000秒。

在对经加热的部件进行淬火的步骤中，可以对经加热的部件进行淬火至40℃至80℃的温度。淬火方法没有特别限制，但是淬火可以通过将经加热的部件浸渍在40℃至80℃的温度的油中来进行。

将经淬火的部件再加热的步骤为通过使细的基于V的碳化物、基于Mo的碳化物和基于Cr的碳化物析出将经再加热的部件中的奥氏体的平均晶粒直径控制为10μm或更小的步骤。

根据本公开内容的一个实施方案的基于V的碳化物可以在热处理部件的显微组织中具有300nm或更小的直径并且可以以10个/100μm

根据本公开内容的一个实施方案的基于Mo的碳化物可以在热处理部件的显微组织中具有500nm或更小的直径并且可以以20个/100μm

根据本公开内容的一个实施方案的基于Cr的碳化物可以在热处理部件的显微组织中具有200nm或更小的直径并且可以以20个/100μm

通过经由基于V的碳化物、基于Mo的碳化物和基于Cr的碳化物的细析出物来将奥氏体的平均晶粒直径控制为小的，经加热的部件可以在随后的Q/T热处理之后获得足够的强度。此外，通过将经淬火的部件再加热的步骤，可以防止在奥氏体晶界中形成呈薄膜形式的碳化物，并且可以使球形碳化物分散地分布在晶界内和晶界外，从而改善氢致延迟断裂抗力。根据一个实施方案，再加热可以通过将经淬火的部件加热至850℃至950℃的温度来进行。在这方面中，在将温度提高至850℃至950℃的温度之后，可以将部件在所述温度范围内保持3000秒至4000秒。

在对经再加热的部件进行再淬火的步骤中，可以对经再加热的部件进行再淬火至40℃至80℃的温度。淬火方法没有特别限制，但是淬火可以通过将经再加热的部件浸渍在40℃至80℃的温度的油中来进行。

对经再淬火的部件进行回火的步骤为将热处理部件的最终显微组织控制为回火马氏体的步骤。根据一个实施方案，可以在高温下对经再淬火的部件进行回火以防止在球形奥氏体的晶界中形成呈薄膜形式的碳化物，并且可以使球形碳化物分散地分布在晶界内和晶界外。因此，可以改善热处理部件的氢致延迟断裂抗力。

根据一个实施方案，回火步骤可以通过在550℃至650℃下的回火热处理来进行。在这方面中，回火热处理时间可以为3000秒至10000秒。

根据上述制造方法制造的根据本公开内容的具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件可以以重量百分比(重量％)计包含：0.3％至0.5％的C；0.1％至0.3％的Si；0.5％至1.0％的Mn；选自0.5％至1.5％的Cr、0.5％至1.5％的Mo和0.01％至0.2％的V中的至少两种类型；以及余量为Fe和其他杂质，以及所述具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件以面积分数计包含95％或更多的回火马氏体相作为显微组织。

此外，根据本公开内容的一个实施方案，满足合金元素的组成的热处理部件可以满足以下表达式(1)。对表达式(1)限制的原因如上所述并且为了描述方便将其省略。

(1)Cr+2.7Mo+6V≥3.56

在表达式(1)中，Cr、Mo和V表示相应元素的重量％。

此外，根据本公开内容的一个实施方案的具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件可以以10个/100μm

此外，根据本公开内容的一个实施方案的具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件可以以20个/100μm

此外，根据本公开内容的一个实施方案的具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件可以以20个/100μm

此外，根据本公开内容的一个实施方案的具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件的球形奥氏体的平均晶粒直径可以为10μm或更小。在这方面中，热处理部件的球形奥氏体的平均晶粒直径是指部件在再加热之后并且在再淬火之前的奥氏体组织的平均晶粒直径。

此外，根据本公开内容的一个实施方案的具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件的抗拉强度可以为1450MPa或更大。

此外，根据本公开内容的一个实施方案的具有优异的延迟断裂抗力特性的热处理部件的冲击韧性可以为80J或更大。

下文中，将参照以下实施例更详细地描述本公开内容。然而，提供以下实施例仅用于例示本公开内容，并且本公开内容的范围不限于此。

{实施例}

将具有表1中示出的合金元素的组成的钢坯加热至900℃至1200℃的温度，并且在800℃至1000℃的温度下对其进行精轧和卷取以制备线材。将所制备的线材以0.2℃/秒至0.5℃/秒的速率冷却。在完成冷却后，各线材的显微组织以面积分数计包含85％或更多的贝氏体、2％至10％的马氏体和1％至5％的珠光体。

同时，在表1中，“表达式(1)”通过将相应元素Cr、Mo和V的含量(重量％)代入到本文所公开的“Cr+2.7Mo+6V”的关系中而得到。

使各经冷却的线材经受球化热处理和拉拔以制备钢丝并且对所述钢丝进行冷锻以制备部件。随后，将部件在1000℃至1100℃的温度下加热2000秒并且通过将部件浸渍在60℃的油中来对其进行淬火。然后，将部件再加热至880℃并且保持3600秒，然后通过将部件浸渍在60℃的油中来对其进行再淬火。随后，通过在550℃至650℃的高温下热处理3000秒至10000秒来对部件进行回火，然后通过拉伸测试来进行测试。作为拉伸测试的结果，在下表1和图1中示出了抗拉强度和冲击韧性。

[表1]

所有发明例均满足由本公开内容限定的合金元素的组成并且表达式(1)的值为3.56或更大。然而，虽然比较例满足由本公开内容限定的合金元素的组成，但是表达式(1)的值低于3.56。

参照表1和图1，虽然所有发明例均表现出1450MPa或更大的抗拉强度，但是比较例的抗拉强度小于1450MPa并且在比较例中观察到强度随着回火温度提高而显著降低，从而无法获得足够的强度。

同时，为了比较在应用普通热处理以及应用再加热热处理的情况下发明例与比较例之间的物理特性，在普通热处理和再加热热处理的两种情况下制备发明例和比较例。除了该条件之外，在如表1中示出的相同条件下制备样品。

在这方面中，再加热热处理意指以淬火→再加热→再淬火→回火的顺序进行的根据本公开内容的热处理的过程。相反，普通热处理意指以淬火→回火的顺序进行的热处理，作为普通Q/T热处理，与以淬火→再加热→再淬火→回火的顺序进行的根据本公开内容的热处理不同。

应用普通热处理和应用再加热热处理的情况的拉伸测试的结果示于下表2中。

[表2]

在发明例和比较例中，与应用再加热热处理的情况相比，在应用普通热处理的情况下，抗拉强度和冲击韧性降低。基于此，确定了在其中不应用根据本公开内容的再加热热处理的情况下，由于不能将球形奥氏体的平均晶粒直径控制为小的，因此在淬火和回火热处理之后不能获得足够的强度，以及由于在球形奥氏体的晶界中形成了呈薄膜形式的碳化物，因此冲击韧性劣化。

基于上述结果可以确定，根据本公开内容的一个实施方案，通过使引起固溶强化从而使可冷锻性劣化的Si的含量最小化，通过添加Mo以防止强度降低，通过添加V以提高强度和晶粒细化，热处理部件在淬火和回火热处理之后具有优异的氢致延迟断裂抗力。

根据本公开内容的一个实施方案，通过对包含球形奥氏体的晶粒的部件进行淬火并且在500℃或更高的高温下对部件进行回火，可以防止在球形奥氏体的晶界中形成呈薄膜形式的碳化物并且可以使球形碳化物分散地分布在晶界内和晶界外。因此，改善了热处理部件的氢致延迟断裂抗力。

虽然已经参照示例性实施方案具体地描述了本公开内容，但是本领域技术人员应理解在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化。

工业适用性

根据本公开内容，可以提供各自具有优异的延迟断裂抗力特性并且适用于机械结构和汽车部件的用于冷锻的线材和部件及其制造方法。