專利名稱：具有超細(xì)晶珠光體組織的非調(diào)質(zhì)鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及，通過(guò)在熱鍛之后的連續(xù)冷卻過(guò)程中抑制先共析鐵素體和珠光體的形成的同時(shí)誘導(dǎo)珠光體低溫等溫轉(zhuǎn)變，具有超細(xì)晶珠光體組織的非調(diào)質(zhì)(非-QT)鋼，及其制造方法。
背景技術(shù)：
使用中碳鋼經(jīng)熱鍛制造汽車(chē)部件。典型的鍛造部件制造方法包括在奧氏體區(qū)間中熱鍛作為鍛造材料的中碳鋼(或合金鋼)，隨后淬火并回火。熱鍛鋼在淬火過(guò)程中轉(zhuǎn)變成馬氏體，然后在回火過(guò)程中分解成鐵素體和碳化物，由此獲得具有高強(qiáng)度和高韌性的馬氏體組織的鍛鋼(其被稱作調(diào)質(zhì)(QT)鋼)。然而，熱鍛鋼的典型制造是有問(wèn)題的，這是因?yàn)榇慊鸷突鼗痦氃跓徨懼罅硗膺M(jìn)行，其使鍛造之后的后熱處理操作變得不期望地復(fù)雜且增加制 造成本。為解決該問(wèn)題，已研發(fā)出微合金(MA)鍛鋼(其被稱作非-QT鋼)。MA-鍛鋼具有與QT鋼相似的機(jī)械特性，且通過(guò)在鍛造過(guò)程之后僅進(jìn)行控制的冷卻操作(無(wú)需進(jìn)行QT操作)而形成。當(dāng)前，MA-鍛鋼在許多用于汽車(chē)的熱鍛部件的制造中代替典型的QT-鍛鋼使用。從物理冶金觀點(diǎn)設(shè)計(jì)的MA-鍛鋼主要由中碳鋼組成，且另外包括少量的微合金元素，例如V、Nb、Ti等，由此沉積碳氮化物。由此，熱鍛過(guò)程中的粗糙奧氏體晶粒的形成受到抑制，由此形成精細(xì)的珠光體-鐵素體組織。而且，基于奧氏體-鐵素體轉(zhuǎn)變，在鐵素體中誘導(dǎo)精細(xì)碳氮化物的沉積，由此強(qiáng)化珠光體-鐵素體，且提高鍛鋼的強(qiáng)度和韌性。因?yàn)閮H使用控制的冷卻而無(wú)需復(fù)雜的后熱處理來(lái)制造非-QT MA-鍛鋼，由此在提供與QT鋼相似的強(qiáng)度和優(yōu)異的疲勞特性的同時(shí)仍保證制造成本低，所以它是有優(yōu)勢(shì)的。然而，因?yàn)榉?QT MA-鍛鋼的韌性不如QT-鋼，所以它是有缺陷的。為解決該問(wèn)題，過(guò)去的20年在世界范圍內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了熱鍛鋼研發(fā)的深入研究，而且在繼續(xù)進(jìn)行。非-QT MA-鍛鋼要由中碳鋼組成，且具有基本的珠光體-鐵素體組織。珠光體-鐵素體組織的機(jī)械特性由珠光體數(shù)量(fraction)、晶團(tuán)(colonies)的大小、薄片狀間隔決定。在常規(guī)的熱鍛方法中，為控制精細(xì)的珠光體-鐵素體組織，在熱鍛之后的控制的冷卻操作中控制冷卻速率。在控制的冷卻操作中，當(dāng)冷卻速率慢時(shí)，先共析鐵素體數(shù)量增加且珠光體數(shù)量降低。最后，強(qiáng)度減小但韌性提高。反之，當(dāng)冷卻速率快時(shí)，先共析鐵素體數(shù)量降低且珠光體數(shù)量增加，因此強(qiáng)度增加但韌性減小。在后一種情況中，強(qiáng)度增加但韌性降低，這是因?yàn)?I)鐵素體數(shù)量降低，且(2)形成的珠光體組織即珠光體團(tuán)和片狀組織是粗糙的。珠光體組織粗糙的原因是珠光體是在連續(xù)冷卻的過(guò)程中形成的。具體地，當(dāng)在連續(xù)冷卻的過(guò)程中首先形成先共析鐵素體時(shí)，碳濃度積聚并在奧氏體/鐵素體的界面處增加，因此容易在高溫形成珠光體。在高溫形成的珠光體具有小程度的過(guò)冷現(xiàn)象，因此具有低成核率。因此，形成小量核，且形成的高溫珠光體在進(jìn)行連續(xù)冷卻時(shí)容易變得粗糙。結(jié)果，形成粗糙的珠光體團(tuán)組織。雖然強(qiáng)度可以維持在珠光體的基本強(qiáng)度水平，但是珠光體的韌性未充分保證且鐵素體數(shù)量也低，因而大幅減小鍛鋼的韌性。因而，使用控制的冷卻提高常規(guī)珠光體-鐵素體鋼的強(qiáng)度和韌性存在限制。試圖解決該問(wèn)題，常規(guī)技術(shù)已經(jīng)主要關(guān)注通過(guò)使用新合金設(shè)計(jì)的技術(shù)。然而，為制備新合金添加元素是昂貴的，且盡管加入這些合金元素，性能的提高也不明顯。例如，為使鐵素體數(shù)量和珠光體團(tuán)組織最優(yōu)化，通過(guò)在鍛造之后控制冷卻過(guò)程，改進(jìn)非-QT鋼的常規(guī)熱鍛方法，其具有預(yù)期的增加強(qiáng)度和韌性的結(jié)果。然而，在這種珠光體-鐵素體鍛鋼中，當(dāng)冷卻速率降低，鐵素體數(shù)量增加且珠光體數(shù)量降低。結(jié)果，韌性提高但強(qiáng)度減小。反之，當(dāng)冷卻速率增加時(shí)，鐵素體數(shù)量降低且珠光體數(shù)量增加，結(jié)果，強(qiáng)度提高但韌性減小。因此，在常規(guī)的珠光體-鐵素體鍛鋼中，通過(guò)僅控制冷卻速率制造具有優(yōu)異強(qiáng)度和韌性的鍛鋼受到限制。該相關(guān)技術(shù)僅用于增強(qiáng)對(duì)本發(fā)明背景技術(shù)的理解，且不被視為本領(lǐng)域具有普通知識(shí)的技術(shù)人員已經(jīng)知曉的常規(guī)技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
因而，考慮到相關(guān)技術(shù)中遇到的上述問(wèn)題作出本發(fā)明，且本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種新概念的高強(qiáng)度且高韌性的非-QT鋼，且具體是一種包括超細(xì)晶珠光體(偽珠光體)組織的鋼，其不包括鐵素體。本發(fā)明進(jìn)一步的目標(biāo)是通過(guò)應(yīng)用新的控制的冷卻方法來(lái)提供這種材料，其中不需要改變合金組成。本發(fā)明的一方面提供具有超細(xì)晶珠光體組織的非-QT鋼的制造方法，所述非-QT鋼主要由Fe、以及約O. 43 O. 47界七％的C、約O. 15 O. 35界七％的Si、約L I L 3界七％的Mn、約O. 03wt%或更少的P、約O. 04wt%或更少的S、約O. 3wt%或更少的Cu、約O. 2wt%或更少的Ni、約O. I O. 2wt %的Cr、約O. 05wt%或更少的Mo、約O. 08 O. 15wt %的V、約O. 02wt %或更少的Al、和其它雜質(zhì)組成，其中“或更少”是指低于所述值且大于Owt %的任何量。根據(jù)該方面，該方法包括熱鍛鋼材料以使其高溫壓縮變形，由此獲得熱鍛體；將熱鍛體迅速冷卻至低溫珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間，由此獲得過(guò)冷的熱鍛體；將過(guò)冷的熱鍛體等溫保持在低溫珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間，由此將其等溫轉(zhuǎn)變；和空氣冷卻熱鍛體。在該方面，熱鍛可以在導(dǎo)致材料高溫壓縮變形的適當(dāng)溫度進(jìn)行，例如約1000 1250°C?？梢酝ㄟ^(guò)將熱鍛體以例如約10°C /s或更大的適當(dāng)?shù)睦鋮s速率冷卻至例如約500 600°C的適當(dāng)?shù)牡蜏刂楣怏w轉(zhuǎn)變區(qū)間進(jìn)行迅速冷卻?？梢酝ㄟ^(guò)將過(guò)冷熱鍛體在例如約500 600°C的低溫珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間等溫保持例如約5 30分鐘的適當(dāng)時(shí)間，進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變。在示例性的實(shí)施方式中，將熱鍛體以10°C /s或更大的速率迅速冷卻至500 600°C，然后通過(guò)將過(guò)冷熱鍛體在500 600°C等溫保持5 30分鐘而將其等溫轉(zhuǎn)變。本發(fā)明的另一方面提供具有超細(xì)晶珠光體組織的非-QT鋼，其通過(guò)使約1000 1250°C的熱鍛鋼材料迅速冷卻至約500 600°C的珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間，然后在相應(yīng)溫度等溫保持5 30分鐘，然后空氣冷卻而制造。在該方面，熱鍛鋼材料可以以約10°C /s或更大的速率迅速冷卻至約500 600°C的珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間。在該方面，空氣冷卻之后形成的非-QT鋼可以具有約5Vol%或更少的先共析鐵素體數(shù)量和大小約5 10 μ m的珠光體團(tuán)。
圖IA和圖IB顯示在1150°C熱鍛的非-QT鋼的微觀組織，且圖IC和圖ID顯示在1050°C熱鍛的非-QT鋼的微觀組織；圖2A顯示通過(guò)將熱鍛鋼以2°C /s冷卻至600°C然后空氣冷卻而獲得的微觀組織，且圖2B顯示通過(guò)將熱鍛鋼以10°C /s冷卻至600°C然后空氣冷卻而獲得的微觀組織；圖3A顯示通過(guò)將熱鍛鋼以10°C /s冷卻至600°C、等溫保持10分鐘然后空氣冷卻而獲得的微觀組織，圖3B和圖3C顯示通過(guò)將熱鍛鋼以10°C /s冷卻至550°C、等溫保持10分鐘然后空氣冷卻而獲得的微觀組織，且圖3D顯示通過(guò)將熱鍛鋼以10°C /s冷卻至500°C、 等溫保持10分鐘然后空氣冷卻而獲得的微觀組織。
圖4是顯示等溫保持溫度對(duì)維氏顯微硬度的作用的圖；圖5A和圖5B分別顯示空氣冷卻和多階段快速冷卻在1100°C熱鍛的鋼之后的微觀組織；且 圖6A和圖6B顯示圖5A和圖5B的其它比較結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面將參考所附附圖詳細(xì)描述關(guān)于具有超細(xì)晶珠光體組織的非-QT鋼及其制造方法的本發(fā)明的實(shí)施方式。根據(jù)本發(fā)明，具有超細(xì)晶珠光體組織的非-QT鋼的制造方法包括熱鍛鋼材料以使其高溫壓縮變形，由此獲得熱鍛體；將熱鍛體迅速冷卻至低溫珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間，由此獲得過(guò)冷的熱鍛體；將過(guò)冷的熱鍛體在低溫珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間等溫保持以使其等溫轉(zhuǎn)變；和空氣冷卻熱鍛體。鋼材料主要由Fe組成，且可以含有另外的組分，例如一種或多種C、Si、Mn、P、S、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Al和其它雜質(zhì)。例如，鋼材料可以以下述范圍含有一種或多種這些組分約 O. 43 O. 47￥七％的(、約 O. 15 O. 35￥七％的5丨、約 I. I I. 3wt% 的 Mn、約 O. 03wt%*更少的P、約O. 04wt%*更少的S、約O. 3wt%*更少的Cu、約O. 2wt%*更少的Ni、約O. I O. 2wt%的Cr、約O. 05wt%或更少的Mo、約O. 08 O. 15wt%的V、約O. 02wt%或更少的Al、和其它常見(jiàn)雜質(zhì)，其在下表I中顯示。應(yīng)注意，當(dāng)提到這些另外的材料時(shí)，當(dāng)該組分存在時(shí)，術(shù)語(yǔ)“或更少”可以包括大于Owt %的任何值。表I
權(quán)利要求
1.一種具有超細(xì)晶珠光體組織的非調(diào)質(zhì)鋼的制造方法，所述方法包括 熱鍛鋼材料以使其高溫壓縮變形，由此獲得熱鍛體； 將所述熱鍛體迅速冷卻至低溫珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間，由此獲得過(guò)冷的熱鍛體； 在低溫珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間等溫保持所述過(guò)冷的熱鍛體，由此將其等溫轉(zhuǎn)變；和 空氣冷卻所述熱鍛體。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述熱鍛在約1000 1250°C進(jìn)行。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中通過(guò)將所述熱鍛體以約10°C/s或更大的速率冷卻至約500 600°C進(jìn)行所述快速冷卻。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中通過(guò)將所述過(guò)冷的熱鍛體在約500 600°C等溫保持約5 30分鐘進(jìn)行所述等溫轉(zhuǎn)變。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中通過(guò)將所述熱鍛體以約10°C/s或更大的速率冷卻至約500 600°C進(jìn)行所述迅速冷卻，且通過(guò)將所述過(guò)冷的熱鍛體在約500 600°C等溫保持約5 30分鐘進(jìn)行所述等溫轉(zhuǎn)變。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中空氣冷卻所述熱鍛體的步驟提供具有超細(xì)晶珠光體組織的非調(diào)質(zhì)鋼，其主要由Fe、以及約O. 43 O. 47界七％的C、約O. 15 O. 35界七％的Si、約I.I I. 3wt%的Mn、大于Owt %且至多約O. 03wt%的P、大于Owt %且至多約O. 04wt%的S、大于Owt%且至多約O. 3wt%的Cu、大于Owt%且至多約O. 2wt%的Ni、約O. I O. 2wt%的Cr、大于0wt%且至多約O. 05wt %的Mo、約O. 08 O. 15wt%的V、大于0wt%且至多約O.02wt % 的 Al 組成 ο
7.一種具有超細(xì)晶珠光體組織的非調(diào)質(zhì)鋼，其通過(guò)使約1000 1250°C的熱鍛鋼材料迅速冷卻至約500 600°C的珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間，在相應(yīng)溫度等溫保持約5 30分鐘，然后空氣冷卻而制造。
8.如權(quán)利要求7所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其中將所述熱鍛鋼材料以約10°C/s或更大的速率迅速冷卻至約500 600°C的珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間。
9.如權(quán)利要求7所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其中空氣冷卻之后形成的所述非調(diào)質(zhì)鋼具有約5vol%或更低的先共析鐵素體數(shù)量和大小為約5 10 μ m的珠光體團(tuán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有超細(xì)晶珠光體組織的非調(diào)質(zhì)鋼的制造方法，包括熱鍛鋼材料以使其高溫壓縮變形，由此獲得熱鍛體；將熱鍛體迅速冷卻至低溫珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間，由此獲得過(guò)冷的熱鍛體；在低溫珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間等溫保持過(guò)冷的熱鍛體以等溫轉(zhuǎn)變；和空氣冷卻熱鍛體；且涉及由此制造的非調(diào)質(zhì)鋼。
文檔編號(hào)C22C38/46GK102808073SQ20111038074
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者樸成煥, 高永尚, 樸仲根, 鄭準(zhǔn)鎬, 金泰亨 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社, 起亞自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社, 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院