專利名稱：用于冷鍛以提高模具使用壽命的高強(qiáng)度鋼線及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于冷鍛的高強(qiáng)度預(yù)熱處理鋼線，其用作發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤和轉(zhuǎn)向裝置等的部件(螺栓和軸)的材料；更具體地，本發(fā)明涉及用于冷鍛的鋼線和制備該鋼線的方法，其中在淬火和回火后，以適合的截面收縮率對(duì)該鋼線進(jìn)行冷拉，即使在大于1200Mpa的高拉伸強(qiáng)度下，冷鍛也可以實(shí)行，并且模具的使用壽命能夠得到顯著的提高。
背景技術(shù)：
已公知的作為現(xiàn)有技術(shù)中代表性的冷鍛鋼線是球化退火材料和非熱處理鋼。球化退火材料是一種可以在低溫中進(jìn)行鍛造的材料，通過熱處理工序期間的球化碳化物析出以增加延展性。即，在約700°C的溫度下加熱13 17小時(shí)析出的碳化物是球化的，從而該材料的拉伸強(qiáng)度降低至50(T600Mpa以便于該材料的鍛造。但是，其是有缺陷的，因?yàn)樵阱懺旃ぁに嚭?，必須進(jìn)行額外的熱處理以增加拉伸強(qiáng)度，從而給加工工藝增加了難度同時(shí)提高了生產(chǎn)成本。因此，近年來迅速地發(fā)展出非熱處理鋼，其通過省去鍛造工藝后的淬火和回火的熱處理從而實(shí)現(xiàn)成本的降低。大多數(shù)非熱處理鋼是鐵素體和珠光體的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)并添加有多種合金元素，所以它們?cè)阱懺鞛榫哂行∮赟OOMPa的拉伸強(qiáng)度的相對(duì)簡(jiǎn)單和低加工性的部件時(shí)是沒有問題的。但是，在實(shí)際中，鍛造為復(fù)雜形狀的具有高于900MPa的拉伸強(qiáng)度的部件(例如六角法蘭螺栓等)是不可能的，因?yàn)樽鳛閷訝钚螤畲嬖谟谥楣怏w中的滲碳體早已斷裂。同時(shí)，考慮到用于冷鍛的常規(guī)鋼線的所述問題，本發(fā)明的申請(qǐng)人已經(jīng)開發(fā)出一種鋼線，作為具有新理念的用于冷鍛的高強(qiáng)度鋼線，其即使在70(Tl300MPa的非常高的拉伸強(qiáng)度下、在如螺栓等部件的冷鍛造過程中也不會(huì)產(chǎn)生裂紋，其已經(jīng)被登記為第046971號(hào)韓國(guó)專利。近年來，根據(jù)汽車制造商對(duì)地球環(huán)境保護(hù)和輕質(zhì)汽車的研制的不斷追求，對(duì)具有120(Tl600MPa范圍的超高強(qiáng)度并能夠進(jìn)行冷鍛的鋼線的開發(fā)已經(jīng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的需求。然而，上述此種范圍的拉伸強(qiáng)度太高，它們?cè)诶溴懝に嚻陂g容易產(chǎn)生裂紋并顯著地縮短冷鍛模具的使用壽命。因此，以現(xiàn)有技術(shù)水平，實(shí)際上不可能進(jìn)一步提高鋼線的拉伸強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題因此，本發(fā)明是基于用于冷鍛的常規(guī)鋼線的上述問題以及近來對(duì)開發(fā)更高強(qiáng)度冷鍛鋼線的需求做出的，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于冷鍛的高強(qiáng)度鋼線及其制造方法，其中盡管該材料具有范圍在120(Tl600MPa的超高拉伸強(qiáng)度，在冷鍛造構(gòu)造部件及汽車部件期間不會(huì)產(chǎn)生裂紋并且顯著地提高了模具的使用壽命。技術(shù)方案基于至今不為公知的新事實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的，S卩如果以特定范圍的截面收縮率對(duì)已經(jīng)淬火和回火的高強(qiáng)度鋼線進(jìn)行冷拉，由于降低了變形抗力能，其能夠獲得良好的冷鍛造性能而不會(huì)引發(fā)形成裂紋。
本發(fā)明的發(fā)明人在為開發(fā)拉伸強(qiáng)度基本上高于1200MPa、可以進(jìn)行冷鍛并提高模具使用壽命的新型鋼線而進(jìn)行的大量測(cè)試和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)了上述事實(shí)。到目前為止，在相關(guān)的工業(yè)中，普遍認(rèn)為研究人員不可能對(duì)拉伸強(qiáng)度高于1300MPa并且只經(jīng)過淬火和回火的鋼線進(jìn)行冷鍛。但是，在冷鍛造由在淬火和回火后經(jīng)特定量拉伸獲得的鋼線時(shí)，可以注意到與鍛造前的線相比，雖然增加了拉伸強(qiáng)度，但由于拉伸，鋼線以相反的方向向金屬結(jié)構(gòu)變形方向上加工，從而顯著地降低了變形抗力能以提高冷可鍛性并提聞1旲具的使用壽命。接下來將對(duì)其做更詳細(xì)的描述。將能夠淬火并用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的碳素鋼迅速加熱至Ac3轉(zhuǎn)變點(diǎn)之上，并保持在加熱狀態(tài)。然后將該碳素鋼迅速地通過水或油冷卻并在5000C (Al轉(zhuǎn)變點(diǎn))進(jìn)行回火，獲得拉伸強(qiáng)度為110(Tl400MPa的線。在此后以25 40%的截面收縮率(area reduction rate)進(jìn)行拉伸時(shí)，可以注意到雖然具有1200 1600MPa的非常高的拉伸強(qiáng)度，制造的線也能夠進(jìn)行冷鍛造而不產(chǎn)生裂紋并且能夠顯著地提高模具的使用 壽命。用于本發(fā)明方法的線的化學(xué)組成具有基本的組成體系，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和不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)情形，向上述組成中可以添加下列組分中至少一種或多種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。限定每一種元素的含量范圍的原因如下。C:0. 15 O. 40wt%C是所添加的最重要的元素，其用于在淬火時(shí)提高強(qiáng)度。本領(lǐng)域已公知，通過淬火熱處理少于O. 15wt%的C很難預(yù)期到硬化效應(yīng)。相反,如果添加量超過O. 40wt%,由于大量碳化物的析出而導(dǎo)致韌性降低而變形抗力提高，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并在冷軋輥鍛期間降低工具的使用壽命。Si:少于 I. 5wt%所添加的Si元素用于對(duì)鋼進(jìn)行脫氧，通過固溶體強(qiáng)化作用提高強(qiáng)度。如果Si的添加量超過I. 5wt%，韌性降低從而在冷軋輥鍛時(shí)增加變形抗力，這會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生而降低工具的使用壽命。原因在于Si存在于析出的碳化物的固溶體中，阻礙了碳的移動(dòng)，從而抑制碳化物的球化。Mn:O. 30^2. 0wt%Mn是固溶體強(qiáng)化作用的有效元素。它的加入能夠避免在過量添加C和Si時(shí)可能發(fā)生的變形抗力的增加。另外，Mn是一種用于補(bǔ)充低添加量C和Si的鋼強(qiáng)度下降的元素。因此。為了實(shí)現(xiàn)上述效果，至少需要添加O. 30wt°/c^^Mn。如果添加的量超過了上述量，其會(huì)增加韌性和變形抗力。因此，Mn的添加量不能超過2. 0wt%。Cr :0. 05^2. 0wt%Cr是一種提升淬火硬度和韌度的元素。當(dāng)Cr的添加量少于O. 05wt%時(shí)，上述性質(zhì)的改善效果不顯著。Cr是一種昂貴的元素，所以如果超過2. 0wt%，成本效益會(huì)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與添加Cr的效果幾乎相同。當(dāng)Mo的添加量少于O. 05wt%時(shí)，其未提供實(shí)質(zhì)性的影響。當(dāng)Mo的添加量超過I. 5wt%時(shí)，冷加工的變形抗力提高，因此其添加量必須限定在不超過I. 5wt% 。B: O. 0003 O. 0050wt%B是一種用于改善淬火-可淬性的有效元素。當(dāng)其添加量少于O. 0003被％時(shí)，其添加的效果不明顯。當(dāng)添加量超過O. 0050wt%時(shí)，其甚至?xí)档痛慊?可淬性。Ti:O. ΟΓΟ. 10wt%Ti與B共存，能夠有效提升淬火強(qiáng)度，但是其對(duì)奧氏體晶粒細(xì)化有很大影響。但是，當(dāng)Ti的添加量少于O. 01wt%時(shí)，其效果不充分。當(dāng)超過O. lwt%時(shí)，其增加了間質(zhì)從而降低所需的各種物理性質(zhì)。Al:O. ΟΓΟ. 05wt%Al與氮(N)結(jié)合并且具有限制奧氏體晶粒的生長(zhǎng)的作用。當(dāng)加入大量Al時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的氧化鋁間質(zhì)，其會(huì)降低延展性。因此，為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，Al量的優(yōu)選范圍是O. ΟΓΟ. 05wt%oP和S元素是鋼中不可避免的雜質(zhì)，它們?cè)趯?shí)行回火工藝時(shí)在晶界處析出，從而惡化沖擊韌性并在冷加工時(shí)降低應(yīng)變。因此，需要盡快將它們的含量分別限制在不超過O.030wt%o下面將以具有如上所述化學(xué)組成的鋼材料來描述本發(fā)明制造用于冷鍛的高強(qiáng)度鋼線的方法。本發(fā)明制造用于冷鍛的高強(qiáng)度鋼線的方法，包含步驟對(duì)線材進(jìn)行冷拉，該線材含有 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和不可避免的雜質(zhì)；在一系列高頻感應(yīng)加熱設(shè)備中將該冷拉的線材迅速加熱到Ac3轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上3(Γ90秒并保持此種加熱的狀態(tài)；用水或油將該加熱狀態(tài)下的線材迅速冷卻；通過將線材加熱到500°C (Al轉(zhuǎn)變點(diǎn))3(Γ90秒(包括在此溫度下保持的時(shí)間)來進(jìn)行回火處理；用水冷卻該加熱的線材以獲得拉伸強(qiáng)度為110(Tl400MPa的線材；以25 40%的截面收縮率對(duì)線材進(jìn)行冷拉，從而獲得120(Tl600MPa的拉伸強(qiáng)度。在本發(fā)明中對(duì)具有上述化學(xué)組成的鋼材料進(jìn)行熱處理時(shí)，選擇淬火/回火的原因在于淬火后回火時(shí)析出的碳化物具有細(xì)晶粒，因此如果在Al轉(zhuǎn)變點(diǎn)的500°C高溫下進(jìn)行回火，析出的碳化物被球化從而顯著地降低在冷鍛造時(shí)的裂紋產(chǎn)生率。另外，將淬火和回火后得到的拉伸強(qiáng)度限定在110(Tl400MPa范圍內(nèi)的原因在于在以25 40%的截面收縮率對(duì)已淬火和回火的鋼線進(jìn)行拉制時(shí)，確保目標(biāo)終產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度為 1200 1600MPa。本發(fā)明特有的技術(shù)形態(tài)就在于以25 40%的截面收縮率對(duì)已經(jīng)淬火和回火的鋼線進(jìn)行拉制。該結(jié)果是本發(fā)明人通過改變冷拉條件對(duì)本發(fā)明的鋼材料組合物進(jìn)行大量測(cè)試而得到的，其可以通過圖I的線圖得到證實(shí)，圖I示出了根據(jù)拉制的截面收縮率(%)測(cè)定的變形抗力能(J/m3)。即，如圖I所示，當(dāng)對(duì)已淬火和回火并具有1150MPa拉伸強(qiáng)度等級(jí)的鋼線進(jìn)行冷軋輥鍛時(shí)，可以注意到以25 40%的截面收縮率拉制的鋼線具有最低的變形抗力能。此外，使用的鋼線的化學(xué)組成具有三種類型的鋼，以重量％計(jì)含有O. 2%C - I. 0%Cr、
O.2%C - I. l%Cr - 0. 2%Mo 和 0. 3%C - I. 0%Si。
有益效果在現(xiàn)有技術(shù)中，只通過實(shí)行淬火和回火制造的、具有大于1300MPa的拉伸強(qiáng)度的熱線材，由于非常短的模具使用壽命，從而不能用于冷鍛造，并且不能商業(yè)化。根據(jù)本發(fā)明的方法得到的鋼線使以下情形成為可能在高達(dá)1600MPa的拉伸強(qiáng)度下穩(wěn)定地實(shí)行冷鍛造工藝，從而其能夠延長(zhǎng)模具的使用壽命、并為創(chuàng)新性輕量化的汽車部件提供材料以減少溫室氣體的排放，進(jìn)而提高該鋼線的工業(yè)可應(yīng)用性。


圖I表示根據(jù)拉制的截面收縮率測(cè)定的變形抗力能(J/m3)。
具體實(shí)施例方式下文將描述本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施方式。 下表I中描述了用于本發(fā)明實(shí)施例中的鋼材料的化學(xué)組成。將直徑為18mm的熱軋線材冷拉為16mm直徑的線材。然后將該冷拉線迅速加熱到Ac3轉(zhuǎn)變點(diǎn)之上3(Γ90秒并保持在其加熱狀態(tài)，之后迅速通過水或油冷卻。接著，在500°C -Al轉(zhuǎn)變點(diǎn)回火3(Γ90秒，從而獲得了拉伸強(qiáng)度范圍為110(Tl400MPa的線。再次，以25 40%的截面收縮率對(duì)該線進(jìn)行冷拉以最終形成具有120(Tl600MPa的拉伸強(qiáng)度的實(shí)例鋼線。同時(shí)，在如上所述的工藝中制造的鋼線上用于拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)的樣本是6. 25mm直徑的ASTM E8標(biāo)準(zhǔn)樣本。制作IOmm直徑和15mm高的樣本，通過100噸容量的專用壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓測(cè)試。在這一點(diǎn)上，通過在繪制的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線上獲得相當(dāng)于O. 9的應(yīng)變圖形區(qū)域來計(jì)算變形抗力能。另外，為了評(píng)價(jià)模具的使用壽命，當(dāng)冷鍛最終制造的鋼線時(shí)，鍛造法蘭螺栓MlO并測(cè)量模具的壽命直至該模具破裂，然后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。此處，出于經(jīng)濟(jì)的考慮，模具的目標(biāo)使用壽命是至少超過50000次沖擊(blow)。通常，具有大于1200MPa拉伸強(qiáng)度等級(jí)的鋼線的沖擊次數(shù)遠(yuǎn)低于50000。表I
權(quán)利要求
1.一種用于冷鍛、具有提高的模具使用壽命的高強(qiáng)度鋼線，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和不可避免的雜質(zhì)， 其中該鋼線經(jīng)過冷拉，依次進(jìn)行淬火和回火，然后以25 40%的截面收縮率進(jìn)行拉制以獲得120(Tl600MPa的拉伸強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋼線，進(jìn)一步包含下列組分中的至少一種或多種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。
3.一種用于冷鍛的高強(qiáng)度鋼線的制造方法，包含步驟 對(duì)線材進(jìn)行冷拉，該線材含有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、余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)； 在一系列高頻感應(yīng)加熱設(shè)備中迅速地將該經(jīng)冷拉的線材加熱到Ac3轉(zhuǎn)變點(diǎn)之上3(Γ90秒并保持此種加熱狀態(tài)； 用水或油迅速地冷卻該加熱狀態(tài)的線材； 通過將所述線材加熱到500°C -Al轉(zhuǎn)變點(diǎn)3(Γ90秒來進(jìn)行回火工藝，該段時(shí)間包括在此溫度下的保溫時(shí)間； 用水冷卻該加熱的線材，以獲得拉伸強(qiáng)度為110(Tl400MPa的線材；和 以25 40%的截面對(duì)該線材進(jìn)行冷拉，以獲得120(Tl600MPa的拉伸強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述的鋼線包含下列組分中的至少一種或多種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
本發(fā)明涉及一種用于冷鍛的高強(qiáng)度預(yù)熱處理鋼線，其用作發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤和轉(zhuǎn)向裝置等的部件(螺栓和軸)的材料。方法包含對(duì)線材進(jìn)行冷拉，該線材含有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和不可避免的雜質(zhì)；在一系列高頻感應(yīng)加熱設(shè)備中迅速地將該經(jīng)冷拉的線材加熱到Ac3轉(zhuǎn)變點(diǎn)之上30~90秒并保持此種加熱狀態(tài)；用水或油迅速地冷卻該加熱狀態(tài)的線材；通過將所述線材加熱到500℃-A1轉(zhuǎn)變點(diǎn)30~90秒來進(jìn)行回火工藝，該段時(shí)間包括在此溫度下的保溫時(shí)間；用水冷卻該加熱的線材，以獲得拉伸強(qiáng)度為1100~1400MPa的線材；并且以25~40%的截面收縮率對(duì)該線材進(jìn)行冷拉，以獲得1200~1600MPa的拉伸強(qiáng)度。盡管本發(fā)明的鋼線具有大于1200MPa的拉伸強(qiáng)度，但其仍然可以進(jìn)行冷鍛并給模具的使用壽命帶來顯著的提高。
文檔編號(hào)B21C1/00GK102971095SQ201180024164
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者安順泰 申請(qǐng)人:三和鋼棒株式會(huì)社