專利名稱：具有優良冷鍛性能的調質鋼絲的制作方法
技術領域：
本發明涉及適用于為機械結構制造各種部件(比如具有較高強度的螺栓和軸)的鋼絲或鋼條。更特別地，本發明涉及具有良好冷鍛性能的調質鋼絲，特征在于通過將一種新因子保持在影響鋼絲冷鍛性能的特定范圍，而不必在冷鍛后進行調質工藝。
背景技術：
一般而言，用于機械的部件(比如六角頭螺栓、球頭螺栓、軸等)是通過將鋼絲或鋼條(以下稱為鋼絲)進行冷鍛步驟生產的。特別地，具有在700～1300Mpa之間的較高抗拉強度的部件是用這種方法制造的，其中鋼絲在約700℃加熱十個小時以上，使它們的微觀結構球化以提高冷鍛性能，然后進行冷鍛。之后，冷鍛部件有必要進行另外的熱處理，比如調質，以增加強度和韌性。也就是說，由于其復雜的制造工藝，有必要進行多種制造步驟，其復雜的制造工藝如下所示(常規的制造工藝)鋼絲或鋼條→球化較長時間→冷鍛→在高溫(850℃或更高)加熱→淬火(水或油)→回火→產品。
因此，常規工藝具有以下問題，應該在能量效率、生產率和工作條件上進行改善。
(1)長時間的鋼絲球化退火工藝導致高能量損失和低生產率。
(2)由于冷鍛部件要進行另外的調質處理以加強其在制造工藝中的強度和韌性，因此延長了它們的制造時間。另外，工作條件惡化，它們要在制造地進行熱處理。熱處理被轉包到外部的生產者，熱處理的成本和管理交貨進度表的勞力就會增加，因此，使整個工藝管理復雜化。
(3)由于上述(1)和(2)條公開的問題，考慮到熱處理工藝，生產率就會降低。因此，急需提高生產率。
因此，由于冷鍛工藝前或后的熱處理導致的低生產率、高制造成本和惡劣的工作條件應該有效改善。
發明的公開為了本發明，本發明人在調質鋼絲的有效制造工藝上進行了透徹和全面的研究以避免相關技術遇到的問題，結果發現常規在冷鍛后進行的調質工藝可在冷鍛工藝前進行，借此，調質鋼絲可只進行冷鍛來制造所需產品，而不進行球化退火。
因此，本發明的目的是提供一種具有良好冷鍛性能的調質鋼絲。
附圖簡述
圖1是表示本發明調質試樣中臨界可壓縮性(H臨界)和碳化物球化百分數之間關系的曲線；圖2是本發明調質鋼絲結構中存在的碳化物的截面圖；圖3a和3b是通過透射電子顯微鏡拍攝的調質鋼絲結構的放大照片，其中圖3a表示常規調質鋼絲的結構，圖3b表示根據本發明調質鋼絲的結構；圖4a和4b是表示壓縮試樣形狀的視圖，其中圖4a是整個形狀的透視圖，圖4b是凹口部件的平面圖；和圖5是表示六角頭凸緣螺栓的正視圖。
實施本發明的最佳模式由于調質鋼絲具有高強度，所需產品不能僅僅通過將此鋼絲進行冷鍛工藝來制造。因此，作為通過冷鍛工藝由高強度鋼絲制造各種復雜機械結構部件的大量研究的結果，本發明人已經發現，當抗拉強度為700-1300Mpa的調質鋼絲具有在其中沉積碳化物的球化百分數為30％或更大時，會導致良好的冷鍛性能，正如透射電子顯微鏡觀察到的一樣。
換句話說，當在冷鍛工藝前調質以具有700-1300Mpa抗拉強度的鋼絲中沉積碳化物的球化百分數不小于30％時，鋼絲即使強度較高也會具有良好的冷鍛性能。因此，冷鍛工藝可以有效進行。而且，即使在冷鍛工藝后，冷鍛部件也具有用于機械結構的各種部件所需的較高強度。因此，不需要進行另外的熱處理(比如調質)來增加強度。
在本發明中，調質鋼絲包括C-Si-Mn合金，基本由0.1-0.5wt％C、1.0wt％或更少Si、0.2-2.5wt％Mn，余量鐵和不可避免的雜質組成。必要時，調質鋼絲還包括任何選自0.05-2.0wt％Cr、0.05-1.5wt％Mo、0.0003-0.0050wt％B和它們混合物之一。
組成調質鋼絲的每個成分根據性能和總量定義如下。
C0.1-0.5wt％C是淬火工藝中用于增加強度的最主要元素。一般來說，如果所用碳的總量小于0.1wt％，就不能通過淬火熱處理獲得預期硬化效果。同時，如果所用碳的總量超過0.5wt％，碳化物就會過量沉積，從而降低韌性和增加變形抗力，導致制造工具使用壽命的減少以及在冷鍛工藝時產生裂紋。
Si1.0wt％或更少Si用于鋼脫氧和通過固溶特性增加強度。然而，Si的添加超過1.0wt％會導致韌性的降低，且冷鍛工藝時變形抗力的增加，從而產生裂紋和縮短工具的使用壽命。這是因為Si在沉積碳化物中固溶，因而中斷了碳的移動，以致阻止了碳化物的球化。
Mn0.2-2.5wt％Mn用來加強固溶特性。當少量使用C和Si以避免變形抗力的加強時，由于C和Si的過量添加，當C和Si量較低時，Mn被用來補充鋼的強度。由此，Mn的使用量至少為0.2wt％，且不能超過2.5wt％，因為過量的添加Mn會導致韌性和變形抗力的增加。
Cr0.05-2.0wt％Cr用來增加強度、可淬火性和韌性。Cr的添加小于0.05wt％會導致上述性能的降低。而且，當使用昂貴的Cr的量超過2.0wt％時，就沒有了經濟利益。因此，規定Cr的下限設為0.05wt％，上限為2.0wt％。
Mo0.05-1.5wt％Mo與Cr具有相同的添加作用。也就是，當Mo的使用量小于0.05wt％時，上述性能就會變差。另一方面，當Mo的添加超過1.5wt％時，會導致變形抗力的增加。因此，Mo不應該超過1.5wt％。
B0.0003-0.0050wt％B被用來增加可淬火性。如果B的添加量小于0.0003wt％，就沒有添加作用。同時，如果總量超過0.0050wt％時，可淬火性會輕微降低。而且，B與鋼結構中的N反應生成使晶界變脆的BN。因此，與N有更高親和力的Ti以0.01-0.05wt％的量加入，以便增加B的添加作用。同時，優選使用與Ti具有相同作用的Zr或Nb。
P和S，作為不可避免的雜質，用于降低常溫加工時的變形程度。特別是，如果這些成分的使用量超過0.030wt％，常溫加工時就會出現大量裂紋。因此，優選P和S的總量在0.030wt％或更少的范圍。
對于調質鋼絲，調質處理后的抗拉強度被限制在700-1300Mpa的范圍。如果抗拉強度小于700Mpa，延展性就會增加。因此，僅當進行少量冷鍛時，熱軋線材(結構鐵氏體+珠光體)才進行冷鍛工藝。而且，具有上述抗拉強度的鋼絲不適合用于機械部件。在另一方面，抗拉強度超過1300Mpa時，線材的硬度較高，因此降低了工具的使用壽命。另外，難以制造具有復雜形狀的機械部件。
而且，將鋼絲碳化物的球化百分數限制在30％或更多的原因在于實現良好的冷鍛性能，正如透射電子顯微鏡觀察到的一樣，在后面描述。
參考圖1，將16mm橫向線材(包括JIS G 4105 SCM420、JIS G 4051S35C和JIS G 4106 SMn433)拉拔使其具有15.0mm的直徑，并加熱到Ac3點或更高，然后用水或油冷卻。每個線材在不同加熱溫度和加熱時間的條件下回火，然后用透射電子顯微鏡觀察。根據線材碳化物球化百分數的臨界可壓縮性(H臨界)行為示于圖1。依賴從馬氏體基沉積而來的碳化物形狀，冷鍛性能是不同的。特別是，當球化百分數不小于30％時，作為表示冷鍛性能的指數，臨界可壓縮性顯著地增加到40％或更大。因此，呈現出良好的冷鍛性能。
這是因為鄰近碳化物之間的距離隨沉積碳化物的形狀接近于球形而加大，冷鍛時產生的斷層很容易通過其間，導致冷鍛所需延展性的增加。
為了保持碳化物球化百分數在30％或更大，與一般退火條件相比，實施退火工藝所需的溫度或時間條件就進一步增加到能夠獲得所需抗拉強度的范圍。
為了確定圖1碳化物的臨界可壓縮性和球化百分數，根據下列步驟制備了試樣，并計算出了上述因子的值。
至于碳化物球化百分數的測量，將調質鋼絲進行機械切割，將它的橫截面化學拋光和電解拋光，以制備具有0.1mm或更小厚度的薄膜。然后，通過透射電子顯微鏡以50,000-100,000的放大倍數對圓形直徑的1/4點進行拍攝。
然后，在照片上，標注具有50-70mm橫向距離的圓環，其中測定每個碳化物的長軸長(L)和短軸長(S)，如圖2所示。用長軸長除以短軸長，用百分數(％)表示球化百分數＝S/L×100(％)同樣地，通過測量每個有記號圓環中的可測量碳化物的球化百分數測定各自的值，然后去掉最大和最小值進行平均。測定不包括在板條邊界或晶界的碳化物。
圖3a和3b是用透射電子顯微鏡拍攝的調質鋼絲結構的放大照片，其中圖3a表示常規調質鋼絲的結構，圖3b表示根據本發明調質鋼絲的結構。在圖3a所示的常規調質鋼絲情況下，在基體結構中存在針狀碳化物，而且鄰近碳化物間的距離也非常狹窄。如圖3b所示，在根據本發明鋼絲中的碳化物以球形存在，且鄰近碳化物間的距離較寬。
另外，通過將壓縮試樣如圖4a和4b一樣進行V切口工藝，然后在不同的高度進行壓縮工藝來測量臨界可壓縮性，由此通過放大鏡以10倍的放大倍數觀察V切口部件的底面。當1mm長裂紋出現時，根據下列等式計算臨界可壓縮性(H臨界) 其中H0試樣的原始高度(mm)H1當在V切口底面產生1mm裂紋時試樣的高度(mm)。
V切口壓縮實驗用來評價冷鍛性能是否良好。本發明人對大量具有不同臨界可壓縮性的鋼絲試樣實驗性地進行了冷鍛工藝。因而，可以肯定當臨界可壓縮性為40％或更大時，冷鍛性能良好。因此，上述值被認為是表征冷鍛性能的參數。
另外，調質后沉積的碳化物的球化百分數也會大大影響調質鋼的冷鍛性能。特別是，當碳化物的球化百分數不小于30％時，可以制得具有良好冷鍛性能的調質鋼絲。由此可見，球化百分數是制造具有良好冷鍛性能鋼絲所需的重要因素。
從下列實施例中可以更清楚地理解本發明。
為了闡明上述結果，采用具有下表1中所示化學成分的7種16mm橫向熱軋盤條，并將其拉拔至具有15mm直徑。
表1鋼絲的化學成分(wt％)
通過采用能夠實施該系列工藝的高頻感應加熱設備，將7種拉拔盤條的每一個都加熱到Ac3轉變點的溫度或更高，然后用水冷卻。然后繼續高頻感應加熱，同時加熱溫度和時間調整在200℃到Ac1轉變點的范圍，以使鋼絲的抗拉強度在700-1300Mpa的范圍，從而制造如下表2所示的如實施例和對比實施例試樣的加熱處理鋼絲。
對每個熱處理鋼絲的橫截面進行機械切割，化學拋光和電解拋光，然后切割并拋光至厚為0.1mm的薄膜。然后，在每個薄膜中，通過透射電子顯微鏡在200KV的加速電壓下，以100,000的放大倍數拍攝圓環直徑的1/4點。從而觀察每個試樣的碳化物形狀，并計算它們各自的球化百分數。
另外，將每個試樣進行屈服實驗以測定抗拉強度(TS)。將如圖4a和4b的壓縮試樣進行壓縮實驗，以測定臨界可壓縮性(H臨界)。此外，將圖5所示的六角頭凸緣螺栓進行常溫加工，由此，檢查在最脆弱部分是否出現裂紋，用箭頭標出。結果示于下表2。
表2調質鋼絲的冷鍛性能
備注○無裂紋出現，
×出現裂紋從表2可以看出，具有30％或更大球化百分數的本發明試樣，不管是何鋼種，都表現出40％或更大的臨界可壓縮性。此外，由于實驗鍛造部件沒有裂紋，因此可見本發明的鋼絲呈現出良好的冷鍛性能。
下表3表示具有表1成分的鋼絲在調質處理后拉拔至2-25％的鋼絲性能。
表3調質后拉拔的鋼絲冷鍛性能
備注○無裂紋出現，×出現裂紋如表3所示，調質后的拉拔工藝對本發明調質鋼絲碳化物的微觀結構沒有影響，因此，良好的冷鍛性能被保持在預定水平。
工業應用性如上所述，本發明提供了一種具有良好冷鍛性能的調質鋼絲。這種鋼絲的優勢在于(1)在鋼絲的制造期間，不需要進行需要長時間的球化退火工藝，因此有可能制造冷鍛性能等于或優于球化退火鋼絲的調質鋼絲，因此增加了生產率。
(2)在機械部件的制造期間，不需要進行另外的調質工藝以加強冷鍛工藝后的強度，從而實現了能源的節約和工作條件的改善。此外，僅僅通過實施鍛造工藝，就可以制造強度和韌性等于或優于常規部件的機械部件。因此，簡化了產品質量的管理和工藝，從而提高了生產率。
雖然，由于例證的目的，本發明的優選實施方式已經公開了，但是本領域的技術人員可以理解，在不背離如隨后權利要求公開的本發明的范圍和精神的情況下，可以進行各種改變、添加和取代。
權利要求
1.一種具有良好冷鍛性能的調質鋼絲，包括0.1-0.5wt％C，1.0wt％或更少Si，0.20-2.5wt％Mn，0.03wt％或更少P和0.03wt％或更少S，余量是Fe和不可避免的雜質，其抗拉強度為700-1300Mpa，且碳化物的球化百分數不小于30％。
2.如權利要求1的調質鋼絲，還包括至少一種選自0.05-2.0wt％Cr，0.05-1.5wt％Mo和0.0003-0.0050wt％B的成分。
3.一種具有良好冷鍛性能的調質鋼絲，包括拉拔的權利要求1或2的鋼絲。
全文摘要
公開了一種具有良好冷鍛性能的調質鋼絲，基本上由0.1－0.5wt％C，1.0wt％或更少Si，0.20－2.5wt％Mn，0.03wt％或更少P和0.03wt％S，余量是Fe和不可避免的雜質所組成，其抗拉強度為700－1300Mpa，且碳化物的球化百分數至少為30％。這種在短時間內通過高頻感應加熱經調質工藝處理，而不進行需要長時間的球化退火工藝處理的調質鋼絲，具有等同于或優于球化退火鋼絲的鍛造性能，因此提高了生產率。因此，該調質鋼絲可應用于制造作為需要高強度機械結構部件的各種螺栓和軸承。
文檔編號C22C38/04GK1668773SQ03816463
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月3日 優先權日2002年7月11日
發明者安順泰 申請人:三和鋼棒株式會社