[发明专利]高强度、高韧性钢线材及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强度、高韧性钢线材及其制造方法，更具体地，涉及一种作为用于例如冷锻应用的钢线材的高强度、高韧性钢线材，其与常规非回火的钢线材相比可通过简单的方法制备，并且与通过常规热处理方法制造的回火钢线材相比使用更少的合金元素并且具有高的尺寸精度。 

背景技术

要求高强度和高韧性的线材中所使用的钢，特别是冷锻用钢线材，例如冷强度为700MPa或更高的S45C线材，需要具有加工所必需的延展性和韧性，以及根据最终部件的强度而需要具有高强度。也就是说，由于钢线材需要加工成最终产品的形状，所以需要具有足够的延展性和韧性以使之在加工过程中不会破损。在加工成部件后，线材需要具有足够的强度，从而有利于使采用该部件的设备(例如汽车)轻量化。 

然而，通常而言，材料的强度和韧性是难以彼此兼容的特征，通常发现，当韧性下降时强度会增加。因此，作为一个常规方法的例子，当制造冷锻用线材时，首先进行球化退火以保证线材的韧性和延展性，然后进行获取所需部件形状的加工。在此之后，进行淬火与退火处理以使该部件获得强度。用这种方法制造的钢(线材)称为“回火钢”，作为一种制造回火钢的方法，已提出一种对钢线材进行轧制和淬火的过程，然后在温度保持500℃-600℃的情况下加工由该过程转化成的马氏体，从而获得一种伸长的钢线材。 

然而，这种方法的局限在于制造成本可能增加，因为必须加入大量的合金元素以提高可淬性，而且需要进行额外的步骤(例如淬火和回火)以使钢经由淬火和回火处理而具有足够的强度。另外，由于淬火过程引起了部件中的热应力，部件的尺寸精度变差。此外，制造设备的投资费用增加，而且当通过所述方法制造钢线材时，难以克服关于冷却速率和轧制负荷增加的局限。 

为了解决回火钢产生的局限，已提供了一种不进行回火热处理的非回火钢。术语“非回火钢”是指无需进行球化退回或淬火和回火热处理中的一种或多种就可达到所需强度水平的钢。然而，由于通常在满足最终产品所需强度的状态下进行加工，所以在钢线材加工过程中会产生高变形阻力。因此，在许多情况下，非回火钢用于加工性较小的部件，例如螺柱或U形螺栓。 

一种提供非回火钢的方法可为通过控制合金元素的组成及其冷却方式而在钢中产生具有高强度和韧性的微结构。在这种方法中，从钢的内部微结构中选择一种具有高强度和韧性的微结构，并且采用适合所述微结构的合金组分和冷却方式。例如采用一种其中对韧性不利的C含量减少且混合了元素例如Cr和Mo的合金组分作为合适的合金组分。将通过所述合金组分制得的钢轧制，然后通过实施控制冷却而将微结构转化为铁素体+珠光体。如该方法成功，则可保证微结构的强度和韧性高达一定水平。然而，当使用该方法时，降低制造成本的效果会由于热处理的省去而抵消，因为加入了大量的合金元素，而且，由于铁素体分率较低且微结构粗糙，所以不可能获得足够的强度。还有一个局限在于，由于产生了粗糙的珠光体，微结构的韧性不足以用于剧烈加工。 

另外，尽管迄今对非回火钢在通过省却热处理而降低成本方面已进行了许多研究，但通过该方法制造的非回火钢在进行锻造以实现复杂的部件成型，从而除了实现近来的机车轻量化和加固化之外还减少部件数量方面是不理想的。因此，为了解决这些局限，需要一种即使在进行引入更大形变的加工时也不会破损，并可足以确保最终产品强度的材料。 

作为一种满足该需求的方法，最近提出了一种可包括使材料晶粒细化的方法。也就是说，可同时满足在某种程度上为相互矛盾的需求的强度和韧性，因为当材料的晶粒被细化时，其强度和韧性与一般水平相比可以得到改善。 

这种方法的一个例子可为一种降低C含量并加入痕量Ti来细化奥氏体晶粒的方法。也就是说，在该方法中，减少了增加材料变形阻力的C含量，并且由C含量降低引起的强度下降因晶粒的细化而得到了补偿。这种方法采用一种通过促进所谓的“钉扎效应(pinning effect)”而细化晶粒的方法，其中通过加入Ti而使用基于Ti的沉淀物(例如氮化物或 碳氮化物)来钉扎奥氏体晶粒。其原因在于，材料的强度和韧性可在其晶粒细化时得到改善，因而即使对其施加的相同的变形阻力和应变，也可容易地对材料进行加工，而不会造成破损。 

行为与Ti类似的元素可以为Nb、V等。这些元素也形成沉淀物，例如碳化物或碳氮化物，并且可在材料晶粒的细化中发挥作用。