CN108368588B

CN108368588B - 具有优异的低温冲击韧性的线材及其制造方法

Info

Publication number: CN108368588B
Application number: CN201680070455.8A
Authority: CN
Inventors: 李炯直; 全英洙
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2036-11-18
Also published as: JP2019502814A; DE112016005557T5; JP6600411B2; KR101726081B1; US11136637B2; CN108368588A; WO2017095049A1; MX2018006542A; US20190078174A1

Abstract

公开了一种具有优异的低温冲击韧性的钢线材及其制造方法。根据本发明的实施方式的具有优异的低温冲击韧性的钢线材按重量百分比计包含：碳(C)：0.40％至0.90％，硅(Si)：0.5％至1.0％，锰(Mn)：11％至2％，铜(Cu)：1.0％至3.0％，磷(P)：0.020％以下，硫(S)：0.020％以下，铝(Al)：0.010％至0.050％，氮(N)：0.0010％至0.0050％，其余为Fe和不可避免的杂质。该钢线材具有包含面积分数为95％以上的奥氏体相的微观组织，并且在奥氏体晶粒内形成的形变孪晶的体积分数为1％至8％。因此，可以提供用于工业机械或汽车部件等的具有优异的低温冲击韧性的钢线材。

Description

具有优异的低温冲击韧性的线材及其制造方法

技术领域

本公开涉及用于工业机械、汽车部件等的具有优异的低温冲击韧性的线材及其制造方法。

背景技术

最近，努力减少被认为是造成环境污染的主要原因之一的二氧化碳的排放已经成为全球性问题。为了迎合这些努力，已经采取有效的步骤来控制车辆废气排放。作为遵循这些控制的措施，汽车制造商正试图通过提高燃油效率来减少排放。但是，为了提高燃料效率，车辆需要减轻重量和更高水平的性能。因此，对汽车材料和由其形成的部件的高强度要求已经提高。另外，由于对外部冲击的震动的抵抗性要求也有所提高，所以冲击韧性也被认为是汽车材料或汽车部件的重要材料特性。

线材中的铁素体组织或珠光体组织在确保高强度和冲击韧性方面存在限制。通常，具有上述组织的材料具有冲击韧性相对较高但强度相对较低的特性。在冷拉材料以提高强度的情况下，可以获得高强度。另一方面，冲击韧性可能与强度的增加成比例地急剧下降。

通常，可以使用贝氏体组织或回火马氏体组织来同时实现高强度和优异的冲击韧性。然而，即使在这种情况下，冲击韧性只是在室温下为优异的，但是在低于0℃的温度下冲击特性会显著地降低。

因此，在大量工业机器和汽车部件的情况下，对高强度以及在相对较低的温度下的优异的冲击韧性的需求持续增加，对这种线材的开发具有很大的需求。

发明内容

技术问题

本公开的一个方面可以提供即使在低温环境下也具有高强度和优异冲击韧性的线材及其制造方法。

虽然以上已经示出和描述了示例性实施方式，但是对于本领域技术人员来说明显的是，可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行修改和变化。

技术方案

根据本公开的一个方面，具有优异的低温冲击韧性的线材按重量百分比计包含碳(C)：0.40％至0.90％，硅(Si)：0.5％至1.0％，锰(Mn)：11％至25％，铜(Cu)：1.0％至3.0％，磷(P)：0.020％以下，硫(S)：0.020％以下，铝(Al)：0.010％至0.050％，氮(N)：0.0010％至0.0050％，作为其余组分的铁(Fe)及不可避免的杂质，C及Mn的含量满足下述关系表达式1，其中，微观组织包含面积分数在95％以上的奥氏体相，并且在奥氏体晶粒中形成的形变孪晶的体积分数在1％至8％的范围内。

[关系表达式1]

9<C×Mn<11，

其中C和Mn中的每一者是元素的按重量计的含量。

根据本公开的一个方面，一种制造具有优异的低温冲击韧性的线材的方法包括：提供满足成分和关系表达式1的钢材；再加热钢材；热轧钢材；冷却钢材；并以10％至30％的断面压缩率冷拉钢材。

有利效果

根据本公开的一个方面，可以通过调整堆垛层错能和微观组织以达到特定的水平来提供具有工业机器以及汽车材料或部件中所需的高强度和低温冲击韧性的线材。

因此，钢材料可以被广泛地应用于现有技术的高强度钢由于低温冲击韧性的劣化而不能应用于的领域。

具体实施方式

在下文中，将详细描述示例性实施方式的线材。

首先，将详细描述示例性实施方式的线材。示例性实施方式的线材按重量百分比包含碳(C)：0.40％至0.90％，硅(Si)：0.5％至1.0％，锰(Mn)：11％至25％，铜(Cu)：1.0％至3.0％，磷(P)：0.020％以下，硫(S)：0.020％以下，铝(Al)：0.010％至0.050％，氮(N)：0.0010％至0.0050％，作为其余组分的铁(Fe)以及不可避免的杂质。

在下文中，将详细描述示例性实施方式的线材的钢组分和成分范围(以下，按重量百分比计)。

碳(C)：0.40％至0.90％

C是用于确保强度所必需的元素，并且C溶解在钢中以改变堆垛层错能，由此改变冷加工期间的变形模式。在C含量小于0.40％的情况下，堆垛层错能太低以至于不能有效地发生位错增殖和形变孪晶的形成。因此，难以获得目标强度。在C含量超过0.90％的情况下，过量的C含量可能在冷却过程中引起晶界碳化物的形成，从而可能产生晶界脆化。因而延展性和冲击韧性可能会迅速降低。因此，在示例性实施方式中，C含量可以在0.40％至0.90％的范围内。

硅(Si)：0.5％至1.0％

Si是在添加到钢材时通过钢材的固溶强化、位错强化和通过溶解在奥氏体中以形成形变孪晶而有效地增强强度的元素。具体而言，Si的添加导致堆垛层错能改变，由此允许位错增殖和形变孪晶的形成变得活跃。因此，强度改善效果显著。在Si含量小于0.5％的情况下，其添加效果不明显。在Si含量超过1.0％的情况下，强度显著增加，但延展性和冲击韧性可能迅速降低。因此，在示例性实施方式中，Si含量在0.5％至1.0％的范围内。

锰(Mn)：11％至25％

Mn是溶解于奥氏体中以显著地稳定奥氏体相并增加堆垛层错能，从而促进位错增殖和形变孪晶的形成的元素。在Mn含量小于11％的情况下，堆垛层错能低，因此在冷拉或冷加工期间可能产生ε-马氏体(伊普西龙马氏体)。因此，可能产生脆性。Mn含量超过25％的情况不仅在经济上是不利的，而且由于在用于热轧的再加热期间内部氧化变得严重，所以可能引起表面质量降低的问题。因此，在示例性实施方式中，Mn含量在11％至25％的范围内。

铜(Cu)：1.0％至3.0％

Cu是稳定奥氏体相的主要元素之一。即使在冷拉期间，铜也会增加堆垛层错能，从而对位错增殖和形变孪晶的形成做出显著贡献。另外，Cu是显著提高对氢致延迟断裂的抗性的元素，氢致延迟断裂在高强度钢中被认为是重要的。在Cu含量小于1.0％的情况下，难以期待其添加效果。在Cu含量超过3.0％的情况下，热轧性能可能降低，由此导致表面缺陷。因此，在示例性实施方式中，Cu含量在1.0％至3.0％的范围内。

磷(P)：0.020％以下

P是由于在晶界处偏析而导致韧性和延迟断裂抗性降低的主要原因，由此优选地不包含P。因此，在示例性实施方式中，其上限限制为0.020％。

硫(S)：0.020％以下

S在晶界处偏析，降低韧性并允许形成低熔点乳状液使得热轧受到抑制。由此优选地不包含S。因此，在本公开中其上限限制为0.020％。

铝(Al)：0.010％至0.050％

Al是强有力的脱氧元素，并且允许将氧从钢中去除以提高纯净度。此外，Al与溶解在钢中的氮结合形成氮化铝(AlN)，并通过晶粒细化提高冲击韧性。在Al含量小于0.010％的情况下，难以期待其添加效果。在Al含量超过0.050％的情况下，会产生相对大量的氧化铝夹杂物，显著降低机械特性。因此，在示例性实施方式中，Al含量可以在0.010％至0.050％的范围内。

氮(N)：0.0010％至0.0050％

氮是能够改变堆垛层错能并导致强度增加的元素。在N含量小于0.0010％的情况下，难以期待其添加效果。在N含量超过0.0050％的情况下，可能对冲击韧性造成不利影响。因此，在示例性实施方式中，N含量可以在0.0010％至0.0050％的范围内。

除了上述成分之外，其余组分包括Fe和不可避免的杂质。在示例性实施方式中，不排除添加除上述合金成分之外的其他合金的情况。

同时，示例性实施方式的线材可以包含C和Mn，使得C和Mn可以满足下面的关系表达式1，

[关系表达式1]

9<C×Mn<11

此处，在关系表达式1中，C和Mn分别是元素的按重量计的含量。

C和Mn增加堆垛层错能。可以利用堆垛层错能随着温度降低而减小的现象适当地调整C和Mn的含量，由此将堆垛层错能调整到20mJ/m²至25mJ/m²的范围内。在示例性实施方式中，在室温下利用孪晶诱导塑性(TWIP)提供高强度非热处理钢线材，同时在相对较低的温度下可以通过形变诱发马氏体相变诱导塑性(TRIP)来获得优异的冲击韧性。

更具体地，示例性实施方式的线材可以通过在室温下冷加工来促进位错增殖和形变孪晶的形成，使得应变硬化率可以显著增加，并且可以获得目标高强度。另外，当使用示例性实施方式的线材时，在相对较低的温度下施加外部应变或冲击的情况下，与位错增殖和形变孪晶的形成相比，马氏体相变更容易发生，从而显着提高冲击韧性。

发明人基于上面提供的描述反复进行研究和实验。其结果是，发明人已经证实，当C和Mn之间的重量百分比满足以上提出的关系表达式1：9<C×Mn<11时，可以提供具有低温冲击韧性优异的奥氏体组织的线材。在C×Mn的值为9以下的条件下，堆垛层错能非常低，以至于在室温下的相变期间TWIP可能不会出现。在该值为11以上的条件下，堆垛层错能过高，以致于在室温下的相变期间可能会出现由于孪晶而导致的强度提高的效果，但在相对较低的温度期间难以确保由于TRIP而引起的冲击韧性提高的效果。

在下文中，将详细描述示例性实施方式的微观组织。

在示例性实施方式的线材中，微观组织可以由奥氏体单相形成。线材可以具有由面积分数为100％的奥氏体相形成的微观组织。然而，考虑到操作过程，为了实现示例性实施方式的技术效果，线材可以由面积分数为95％以上的奥氏体形成。

在钢中产生ε-马氏体或晶界碳化物的情况下，钢材容易产生脆性。因此，如果可能的话，该组织可以不包括在其中。ε-马氏体或晶界碳化物可以被包含并且其面积分数在5％以下，该范围是不损害本公开的物理性质的范围。为了防止产生ε马氏体或晶界碳化物，在示例性实施方式中，可以在钢材热轧后的冷却期间调节冷却速率，同时进行下面描述的适当的成分控制，从而有效地实现上述目的。

同时，在示例性实施方式的线材中，奥氏体晶粒尺寸可以为30μm以下。在奥氏体晶粒尺寸超过30μm的情况下，冲击韧性提高效果不足。因此，通过控制热轧温度和冷却速率，将奥氏体粒径控制在30μm以下。同时，在下面将要描述的示例性实施方式的制造方法中执行冷拉工艺的情况下，晶粒沿长度方向伸长，但平均晶粒尺寸没有明显变化。

另外，在示例性实施方式的线材中，可以在奥氏体晶粒中形成1％至8％的体积分数的形变孪晶。在形变孪晶的体积分数小于1％的情况下，可能无法确保目标强度。在形变孪晶超过8％的情况下，其强度可能超过目标强度，并且冲击韧性可能急剧降低。

形变孪晶的厚度可以在15nm至35nm的范围内，而孪晶的层间间距可以在40nm至100nm的范围内。在形变孪晶的厚度小于15nm或者层间间距小于40nm的情况下，其强度超过目标强度，而这是不合意的。如下文所述，可以通过将冷拉期间的压缩率控制10％至30％而有效地获得形变孪晶的特性。

另外，在示例性实施方式中，线材可以形成为具有<111>或<100>纤维织构。晶粒在冷拉期间在<111>和<100>方向上旋转以允许容易地形成形变孪晶，并且通过有效形成形变孪晶来改善应变硬化率，从而获得目标强度。

在下文中，将详细描述示例性实施方式的制造方法。示例性实施方式的制造线材的方法包括提供满足上述成分的钢材；再加热钢材；热轧钢材；冷却钢材；以及冷拉钢材。

首先，提供满足上述成分范围的钢材。随后，对钢材进行再加热。示例性实施方式中采用的再加热温度的范围可以是950℃至1050℃。在再加热温度低于950℃的情况下，在热轧期间钢材的温度显著下降，由此产生表面缺陷。在再加热温度超过1050℃的情况下，奥氏体晶粒粗糙化，由此降低机械性能。因此，再加热温度可以在950℃至1050℃的范围内。

随后，将对已经再加热的钢材进行热轧。热轧中的精热轧温度可以控制在750℃至850℃的范围内。在精热轧温度低于750℃的情况下，容易产生钢材的表面缺陷。在精热轧温度超过850℃的情况下，晶粒无法变细，因此可能无法获得期望的机械性能。因此，精热轧温度可以在750℃至850℃的范围内。

在执行上述精热轧之后，将已经热轧的钢材冷却。在从冷却开始温度到冷却结束温度的区间内，可以以1℃/s至5℃/s的冷却速率进行冷却。在冷却速率低于1℃/s的情况下，可能形成晶界碳化物，由此急剧降低延展性和冲击韧性。在冷却速率超过5℃/s的情况下，难以确保均匀的微观组织。因此，冷却速率可以在1℃/s至5℃/s的范围内。冷却开始温度没有特别限定，而是指热精轧后的温度。冷却结束温度是指当钢材的温度达到室温时的冷却结束的点。

对已经冷却的钢材进行冷加工。在冷加工中，可以使用用于冷拉的模具。在这种情况下，冷压缩率可以在10％至30％的范围内。在冷压缩率低于10％的情况下，难以确保在示例性实施方式中所实施的强度。在冷压缩率超过30％的情况下，其强度超过所需强度的范围，延展性显著降低。因此，冷压缩率可以在10％至30％的范围内。

如上所述，为了确保目标强度和低温冲击韧性，在示例性实施方式的线材中，可以在奥氏体晶粒中形成1％至8％的体积分数的形变孪晶。线材的形变孪晶的厚度可以在15nm至35nm的范围内，而形变孪晶的层间间距可以在40nm至100nm的范围内。以上描述可以通过控制冷拉期间的冷压缩率来实现。

示例性实施方式的线材即使在室温下和-40℃下也可以确保1400MPa至1600MPa的拉伸强度和100J/cm²至150J/cm²的冲击值。

工业应用性

在下文中，将详细描述示例性实施方式。下面描述的示例性实施方式是为了理解本公开的目的而提供的，而不应该被解释为限制本公开。

(示例性实施方式)

在铸造具有下表1的组成成分的钢水之后，获得钢材，将钢材在1100℃下再加热，并且对钢材进行热轧。在800℃下对线材进行精轧制，并且按下述表2所示的冷却速率冷却钢材，由此制造直径20mm的线材。测量所获得的每个线材的奥氏体晶粒尺寸并将其示于表2中。

随后，在对使用上述方法制造的线材以表2中的压缩率进行冷拉处理之后，测量拉伸强度和冲击值并将其示于表2中。

在下面的表2中，使用图像分析器测量奥氏体晶粒尺寸，并且使用透射电子显微镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)装置测量形变孪晶的厚度、层间间距和体积分数。还使用EBSD装置分析晶体结构。另外，为了测量而进行室温拉伸试验，其中，在到屈服点前的十字头速度为0.9mm/min并且随后十字头速度为6mm/min，以测量拉伸强度和伸长率。此外，为了测量而使用冲击测试仪在室温下以及在-40℃下进行冲击试验，其中，冲击样品的撞击件的边缘部分的曲率为2mm，测试容量为500J。

[表1]

(在表1中，关系表达式1为C×Mn，并且其余组分为Fe和不可避免的杂质。)

[表2]

(在表2中，γ晶粒尺寸为奥氏体晶粒的尺寸。)

如表1和2所示，钢组成成分在示例性实施方式的范围内并且满足关系表达式1(9<C×Mn<11)。可以确认的是，在满足示例性实施方式的制造方法的发明示例1至6的情况下，获得了奥氏体单相组织，满足了形变孪晶的微观结构特性，并且机械性能还表现出1400MPa至1600MPa的拉伸强度以及100J/cm²至150J/cm²的冲击值。由于堆垛层错能被控制在特定水平而获得了机械性能，由此在冷拉期间获得了具有相对较高的应变硬化水平的目标强度，并且在相对较低的温度下的冲击情况下通过马氏体相变来吸收冲击。

另一方面，比较示例7和10是其中C和Mn的含量分别在本公开的范围之外并且不满足关系表达式1的情况。因此，即使在执行冷拉时，位错增殖和形变孪晶的形成也不活跃，因此拉伸强度可能不会达到目标性能。

比较示例8是C含量超出本公开的范围且在关系表达式1之外的情况。因此，堆垛层错能增加，使得有效地产生位错增殖和形变孪晶的形成。因此，可以确认，由于在冷拉期间快速加工硬化，拉伸强度超过目标强度，但冲击韧性降低。

比较示例9是其中Si在本公开的范围之外的情况。可以确认比较示例9满足关系表达式1，但冲击韧性由于Si的强化效果而降低。

另外，比较示例11是其中钢组成成分满足本公开的范围，但是关系表达式1不满足本公开的范围的情况。可以确定的是，由于冷拉期间的加工硬化，可以确保足够的强度，但是在相对较低温度下的冲击的情况下不会发生马氏体相变，因此在相对较低的温度下冲击韧性迅速降低。

比较示例12是其中钢组成成分和关系表达式1满足本公开范围的情况，但是由于在制造过程中冷却速率显著减缓，奥氏体晶粒尺寸变得过大。结果，产生了晶界碳化物，从而降低冲击韧性。比较示例13至15是钢组成成分满足本公开和关系表达式1的范围，且冷拉量超过30％的情况。强度迅速增加，但延展性降低，从而显著降低冲击韧性。

尽管以上已经示出和描述了示例性实施方式，但是对于本领域技术人员来说明显的是，可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行修改和变化。

Claims

1.一种具有优异的低温冲击韧性的线材，包括：

按重量百分比计，碳(C)：0.40％至0.90％，硅(Si)：0.5％至1.0％，锰(Mn)：11％至25％，铜(Cu)：1.0％至3.0％，磷(P)：0.020％以下，硫(S)：0.020％以下，铝(Al)：0.010％至0.050％，氮(N)：0.0010％至0.0050％，作为其余组分的铁(Fe)和不可避免的杂质，其中，C和Mn的含量满足下述关系表达式1，

其中，微观组织包含面积分数为95％以上的奥氏体相，并且奥氏体晶粒内形成的形变孪晶的体积分数在1％至8％的范围内，

[关系表达式1]

9<C×Mn<11，

其中，C和Mn中的每一者是元素的按重量计的含量。

2.根据权利要求1所述的具有优异的低温冲击韧性的线材，其中，所述奥氏体晶粒的尺寸为30μm以下。

3.根据权利要求1所述的具有优异的低温冲击韧性的线材，其中，所述孪晶的厚度为15nm至35nm。

4.根据权利要求1所述的具有优异的低温冲击韧性的线材，其中，所述形变孪晶的层间间距为40nm至100nm。

5.根据权利要求1所述的具有优异的低温冲击韧性的线材，还包含<111>或<100>纤维织构。

6.一种制造具有优异的低温冲击韧性的线材的方法，包括：

提供钢材，所述钢材按重量百分比计包含：碳(C)：0.40％至0.90％，硅(Si)：0.5％至1.0％，锰(Mn)：11％至25％，铜(Cu)：1.0％至3.0％，磷(P)：0.020％以下，硫(S)：0.020％以下，铝(Al)：0.010％至0.050％，氮(N)：0.0010％至0.0050％，作为其余组分的铁(Fe)和不可避免的杂质，其中，C和Mn的含量满足下述关系表达式1；

再加热所述钢材；

热轧所述钢材；

以1℃/s至5℃/s的速率冷却所述钢材；以及

以10％至30％的断面压缩率冷拉所述钢材，

[关系表达式1]

9<C×Mn<11，

其中，C和Mn中的每一者是元素的按重量计的含量。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在950℃至1050℃的温度下执行所述再加热。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述热轧中，在750℃至850℃的温度下执行精热轧。