ВЫСОКОПРОЧНЫЙ, ВЫСОКОВЯЗКИЙ ТОНКИЙ СТАЛЬНОЙ ПРУТОК И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
HIGH-STRENGTH HIGH-DUCTILITY STEEL ROD AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к высокопрочному, высоковязкому тонкому стальному прутку и способу его изготовления, а более конкретно, к высокопрочному, высоковязкому тонкому стальному прутку как к тонкому стальному прутку, применяемому, например, для холодной штамповки, который может быть изготовлен простым способом по сравнению с обычным не подвергнутым отпуску стальным прутком, а также с использованием меньшего количества легирующих элементов и с большей точностью размеров, чем отпущенный тонкий стальной пруток, полученный обычным способом термической обработки.
Уровень техники
Сталь, используемая для тонкого прутка, требующая высокой прочности и вязкости, в особенности для тонкого стального прутка для холодной штамповки, такая как пруток S45C, имеющий прочность в холодном состоянии, равную 700 МПа или более, представляет собой сталь, требующую пластичность и ударную вязкость, необходимые для обработки, а также требующую высокой прочности с точки зрения прочности готовой детали. Иными словами, поскольку тонкому прутку должна быть придана форма готового изделия, он должен иметь достаточную пластичность и вязкость, для того чтобы не подвергнуться разрушению во время обработки. После обработки в виде деталей тонкий пруток должен способствовать уменьшению веса устройства, в котором используются такие детали, например, автомобиля, при достаточной прочности.
Однако, в целом, прочность и ударная вязкость (вязкость как таковая) материала представляют собой трудно совместимые характеристики, что является причиной явления, при котором вязкость снижается по мере повышения прочности. Поэтому пример, иллюстрирующий обычный способ изготовления тонкого прутка для холодной штамповки, включает, прежде всего, осуществление сфероидизирующего отжига для обеспечения вязкости и пластичности тонкого прутка, а затем обработку для получения желаемой формы детали. Затем осуществляют закалку и отпуск для придания прочности детали. Сталь (тонкий пруток), полученную таким способом, называют «отпущенная сталь», и в качестве способа ее получения был предложен способ, включающий прокатку и закалку стального прутка, при этом получают удлиненный пруток как результат обработки мартенсита, превращенного во время процесса, при выдерживании в диапазоне температуры от 500°С до 600°С.
Однако существует ограничение, касающееся возможного повышения производственной стоимости, поскольку для улучшения прокаливаемости, а также осуществления дополнительных процессов, таких как закалки и отпуск, для придания стали достаточной прочности в результате закалки и отпуска необходимо вводить большое количество легирующих элементов. Кроме того, точность размеров детали ухудшается из-за термического напряжения, возникающего в детали в результате процесса закалки. Также увеличиваются затраты на производственное оборудование, поэтому при получении тонкого стального прутка таким способом, преодоление ограничений, связанных с повышением скоростей охлаждения и давлением при прокатке, становится затруднительным.
Для преодоления ограничений, касающихся отпущенной стали, была разработана неотпущенная сталь, не подвергаемая термической обработке на отпуск. Термин «неотпущенная сталь» означает сталь, желаемый уровень прочности которой может быть получен без осуществления одной или более таких стадий термической обработки, как сфероидизирующий отжиг или закалка и отпуск. Однако поскольку обработку обычно осуществляют в состоянии, удовлетворяющем прочности, необходимой для конечного изделия, во время обработки тонкого стального прутка возникает высокое сопротивление деформации. Поэтому во многих случаях для деталей, требующих относительно небольшую обрабатываемость, таких как штырь или U-образный болт, используют неотпущенную сталь.
Один из способов получения неотпущенной стали может включать получение микроструктуры, имеющей высокую прочность и ударную вязкость в стали, посредством регулирования состава легирующих элементов и режима охлаждения. Согласно данному способу микроструктуру, имеющую высокую прочность и ударную вязкость, выбирают среди внутренних микроструктур стали, используя количество легирующих компонентов и модель охлаждения, подходящие для данной микроструктуры. Например, в качестве соответствующей композиции легирующих применяют композицию, в которой понижено содержание С, нежелательное с точки зрения ударной вязкости, и имеется смесь таких элементов, как Cr и Мо. Сталь, полученная посредством композиции легирующих, подвергают прокатке, после чего микроструктуру превращают в феррит + перлит, осуществляя регулируемое охлаждение. При осуществлении данного способа прочность и ударная вязкость микроструктуры могут быть обеспечены вплоть до определенного уровня. Однако при использовании данного способа эффект от снижения производственных затрат благодаря отсутствию термической обработки пропадает из-за введения большого количества легирующих элементов и получение достаточной прочности становится невозможным из-за того, что содержание ферритной фракции является низким, а микроструктура является укрупненной. Существует также ограничение, заключающееся в том, что вязкость микроструктуры является недостаточной для интенсивной обработки из-за образования крупнозернистого перлита.
Кроме того, несмотря на тот факт, что до настоящего времени было проведено существенное исследование неотпущенных сортов стали, с точки зрения снижения стоимости благодаря отсутствию термической обработки, использование неотпущенной стали, полученной данным способом, невзирая на современное облегчение и упрочнение транспортных средств, является нежелательным при осуществлении штамповки для получения сложной формы детали с целью уменьшения количества деталей. Поэтому для преодоления таких ограничений требуется материал, который не разрушается и способен в достаточной степени сохранять прочность готового изделия даже при осуществлении обработки, включающей сильную деформацию.
В качестве способа, удовлетворяющего указанным требованиям, предложенный способ может включать уменьшение размера зерен материала. Иными словами, прочность и ударная вязкость как несколько противоречивые требования могут быть удовлетворены одновременно, поскольку прочность и ударная вязкость могут быть улучшены по сравнению с обычными уровнями при уменьшении размера зерен материала.
Примером такого способа может служить способ уменьшения размера зерен аустенита посредством снижения содержания С и введения следового количества Ti. Иными словами, согласно данному способу содержание С, повышающего сопротивление деформации материала, уменьшают, а снижение прочности из-за уменьшения содержания С компенсируют уменьшением размера зерен. Данный способ включает обработку для уменьшения размера зерен, способствующую так называемому «эффекту закрепления», согласно которому аустенитные зерна закрепляются включениями на основе Ti (например, нитриды или карбонитриды) в результате введения Ti. Это объясняется тем, что прочность и ударная вязкость материала могут улучшиться после уменьшения размера его зерен, благодаря чему материал может быть легко обработан без разрушения, даже при одинаковом сопротивлении деформации и приложенном к нему усилии.
Элементами, оказывающими действие, подобно Ti, могут быть Nb, V и подобные. Данные элементы также формируют включения, такие как карбиды или карбонитриды, и могут влиять на уменьшение размера зерен материала.
Однако данные элементы имеют ограничения, заключающиеся в том, что они оказывают недостаточное действие по достижению описанной ниже цели их введения. Иными словами, как показано на фиг.1, данные элементы имеют очень высокие температуры плавления, составляющие 1350°С или более, поэтому данные элементы полностью не плавятся во время повторного нагревания сляба, либо температура формирования включений в большинстве случаев ограничена 900°С или менее, при этом движущая сила для включения в виде включений относительно слаба. В целом, прокатку осуществляют в рамках температурного диапазона, составляющего от 850°С до 1050°С, при этом включение в виде включений в рамках узкого температурного диапазона не является эффективным, поскольку для уменьшения размера зерен желательным является непрерывное формирование включений в рамках температурного диапазона прокатки.
Раскрытие изобретения
Техническая задача
В одном аспекте настоящее изобретение касается тонкого стального прутка, содержащего простую систему компонентов, эффективно уменьшающую размер зерен благодаря формированию включений в рамках широкого температурного диапазона, а также способ изготовления тонкого стального прутка.
Техническое решение
Согласно одному аспекту настоящего изобретения разработан тонкий стальной пруток, имеющий состав, включающий: алюминий (Al) в количестве, составляющем приблизительно от 0,07% вес. до 0,14% вес., и азот (N), в котором Al:N (где Al и N означают % вес. каждого элемента) находится в пределах от приблизительно 15:1 до приблизительно 25:1.
При этом суммарное содержание Ti, Nb и V может составлять около 0,01% вес. или менее.
Тонкий стальной пруток согласно настоящему изобретению может дополнительно включать от приблизительно 0,15% вес. до приблизительно 0,3% вес. углерода (С), от приблизительно 0,05% вес. до приблизительно 0,15% вес. кремния (Si), от приблизительно 1,0% вес. до приблизительно 3,0% вес. марганца (Mn), приблизительно 0,02% вес. или менее фосфора (P) или приблизительно 0,02% вес. или менее серы (S).
В тонком стальном прутке могут быть сформированы дисперсные нановключения на основе AlN, имеющие размер, равный приблизительно 130 нм или менее.
Тонкий стальной пруток может также иметь микроструктуру, включающую феррит, имеющий долю площади, составляющую приблизительно от 50% до 70%, и перлит, имеющий долю площади, составляющую приблизительно от 30% до 50%.
Кроме того, тонкий стальной пруток может иметь диапазон предела прочности на растяжение, составляющий приблизительно от 600 МПа до 700 МПа, и диапазон удлинения, составляющий от приблизительно 20% до приблизительно 30%.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения разработан способ изготовления тонкого стального прутка, включающий: чистовую прокатку стали, имеющей указанный состав, в рамках температурного диапазона, составляющего приблизительно от 850°С до 1050°С; и охлаждение стали со скоростью охлаждения, составляющей приблизительно 5°С/сек или менее.
При этом состав стали может дополнительно включать от приблизительно 0,15% вес. до приблизительно 0,3% вес. С, от приблизительно 0,05% вес. до приблизительно 0,15% вес. Si, от приблизительно 1,0% вес. до приблизительно 3,0% вес. Mn, приблизительно 0,02% вес. или менее P, или приблизительно 0,02% вес. или менее S.
Преимущества изобретения
Согласно настоящему изобретению разработан тонкий стальной пруток, который может быть подвергнут обработке, такой как холодная штамповка, без дополнительной термической обработки, поскольку тонкий стальной пруток, имеющий достаточно улучшенные прочность и ударную вязкость, может быть получен с простой композицией легирующих.
Описание чертежей
Вышеописанные и другие аспекты, признаки и другие преимущества настоящего изобретения станут более понятными из следующего подробного описания в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 представляет собой график, показывающий температуру формирования и константу равновесия включений, которые могут образоваться в стали;
Фиг.2 представляет собой оптические микрофотографии, показывающие внутреннюю микроструктуру каждого сорта стали, изготовленного согласно примеру, иллюстрирующему настоящее изобретение;
Фиг.3 представляет собой график сравнения ударной вязкости каждого образца, изготовленного согласно примеру, иллюстрирующему настоящее изобретение;
Фиг.4 представляет собой график сравнения размера зерен аустенита каждого образца, изготовленного согласно примеру, иллюстрирующему настоящее изобретение;
Фиг.5 представляет собой сделанные под просвечивающим электронным микроскопом микрофотографии тонкого прутка, изготовленном согласно примеру, иллюстрирующему настоящее изобретение;
Фиг.6 включает четыре сделанные под просвечивающим электронным микроскопом микрофотографии, подтверждающие распределение включений в тонком прутке, изготовленном согласно примеру, иллюстрирующему настоящее изобретение;
Фиг.7 представляет собой оптические микрофотографии, показывающие внутренние микроструктуры при вытягивании и изготовлении деталей из тонкого прутка, изготовленной согласно примеру, иллюстрирующему настоящее изобретение; и
Фиг.8 представляет собой график, показывающий результаты изменения размера зерен и ударной вязкости при комнатной температуре согласно изменениям Al/N.
Предпочтительный вариант
Далее настоящее изобретение описано подробно.
Авторы настоящего изобретения осознали ограничения в данной области техники и провели глубокие исследования с целью преодоления технических ограничений в данной области техники. В результате было установлено, что при введении алюминия (Al) в большем количестве, чем обычно, Al формирует включения при большей части температур прокатки. Поэтому во время прокатки постоянно создаются центры закрепления, а также центры зародышеобразования для новой микроструктуры.
При осуществлении данного процесса происходит измельчение зерен аустенита, в результате чего размер зерен конечной микроструктуры, такой как феррит или перлит, полученной из упомянутой микроструктуры, меньше размера зерен обычной микроструктуры. Поэтому данный процесс эффективно улучшает прочность и вязкость стали.
Согласно настоящему изобретению для получения положительного эффекта содержание Al ограничивают до величины, составляющей от 0,07% вес. до 0,14% вес. Содержание Al больше содержания Al, обычно вводимого для раскисления, и находится в рамках желаемого диапазона для формирования включений на основе Al (в частности, нитридов) в стали. Поэтому для формирования достаточного количества нитридов Al может быть введен в количестве, оставляющем до 0,07% вес. или более, до 0,075% вес. или более, до 0,08% вес. или более. Однако в том случае, если содержание Al слишком высоко, доля включений на основе оксидов повышается и размер включений увеличивается таким образом, что Al не только не способствует уменьшению размера зерен, но и ухудшает усталостные характеристики стального прутка. Поэтому верхний предел содержания Al составляет 0,14% вес.
При этом, поскольку введенный Al формирует дисперсные включения, имеющие наноразмер, в основном взаимодействуя с азотом, содержание Al и содержание азота могут иметь количественное соотношение, облегчающее термодинамическое формирование нитридов. В том случае, если содержание азота является недостаточным, нитриды не формируются даже при введении большого количества Al, и может возникнуть вероятность того, что образовавшееся количество оксидов может стать слишком большим. С другой стороны, в том случае, если содержание азота является слишком высоким, может возникнуть вероятность образования угловых трещин или во время литья может произойти зарастание сталеразливочного стакана. С учетом вышеизложенного, отношение Al:N (где Al и N означают % вес. каждого элемента) может составлять от 15:1 до 25:1. Содержание азота в стали может находиться в рамках любого возможного диапазона при условии, что оно удовлетворяет данному условию. Однако содержание азота, например, может составлять от 0,0035 до 0,008% вес.
Кроме того, микролегирующие элементы, такие как Nb, V и Ti, обычно вводимые с целью уменьшения размера зерен, согласно настоящему изобретению по существу не добавляются. Однако поскольку данные элементы попадают в сталь различными путями и неизбежно присутствуют, не будучи полностью удаленными во время сталеплавильных процессов, их суммарное содержание может составлять 0,01% вес. или менее, например, 0,005% вес. или менее. Это объясняется тем, что физические свойства стали могут ухудшиться при введении данных элементов.
Иными словами, согласно результатам исследований, полученным авторами настоящего изобретения, TiN выделяется вначале в результате взаимодействия азота в расплавленной стали с Ti при совместном введении Ti в условиях, при которых Al присутствует в рамках диапазона содержания. Поэтому действие по уменьшению размера зерен, предполагаемое в настоящем изобретении, затрудняется, поскольку предотвращается образование включений AlN. Добавление Nb вместе с Al также способствует образованию угловых трещин, и при введении большого количества Al, как в настоящем изобретении, включения могут быть крупными. Кроме того, затрудняется действие по уменьшению размера зерен вследствие крупных V (C, N) первичных включений, формирующихся при введении V.
Содержание других элементов конкретно не ограничено, за исключением содержания Al, Nb, V или Ti. Иными словами, поскольку основным отличительным признаком настоящего изобретения является уменьшение размера зерен посредством формирования дисперсных включений в результате введения большого количества Al, введение или исключение других компонентов, не влияющих на уменьшение размера зерен, может быть легко осуществлено специалистом в данной области техники. Поэтому их виды и диапазоны могут быть конкретно не ограничены.
Однако поскольку одним из основных видов использования высокопрочной, высоковязкой стали, изготавливаемой согласно настоящему изобретению, является холодная штамповка, в качестве стали для описанной ниже холодной штамповки предлагается система компонентов стали, обеспечивающая более желательный эффект посредством комбинирования условий для ее компонентов.
С: от 0,15 до 0,3% вес.
С представляет собой элемент, по существу добавляемый для обеспечения прочности стали. С может содержаться в количестве, составляющем 0,15% вес. или более, для получения достаточной прочности, при этом содержание С может быть ограничено до 0,3% вес. или менее для получения достаточной вязкости. В частности, содержание С может быть ограничено до диапазона, составляющего от 0,15% вес. до 0,3% вес., с учетом характеристик предлагаемых в настоящем изобретении компонентов стали, имеющей относительно высокое содержание Mn по сравнению с описанной ниже стальной катанкой для холодной штамповки.
Si: от 0,05% вес. до 0,15% вес.
Si оказывает действие по усилению прочности матрицы, растворяясь в ферритах. Содержание Si может составлять 0,05% вес. для обеспечения действия по упрочнению твердого раствора посредством Si. Однако в том случае, если содержание Si слишком высоко, обрабатываемость и вязкость могут ухудшиться из-за того, что деформационное упрочнение избыточно во время процесса холодной штамповки. Поэтому содержание Si может быть отрегулировано на уровне, составляющем 0,15% или менее.
Mn: от 1,0% вес. до 3,0% вес.
Mn представляет собой легирующий элемент, который повышает прочность стали, влияет на ударные свойства, улучшает прокатные свойства и снижает хрупкость. В частности, согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения состав стального прутка разработан таким образом, чтобы компенсировать снижение прочности за счет Mn при снижении содержания С для обеспечения вязкости. Поэтому Mn может быть введен в количестве, составляющем 1,0% вес. или более. Однако содержание Mn может быть ограничено до 3,0% вес. или менее, поскольку деформационное упрочнение является сильным при слишком высоком содержании Mn.
Р: 0,02% вес. или менее
Содержание Р может быть отрегулировано на уровне, составляющем 0,02% вес. или менее, поскольку Р сегрегирует на границы зерен и становится причиной ухудшения вязкости. Содержание Р может быть отрегулировано на уровне, составляющем 0,01% вес. или менее в том случае, если регулирование содержания Р во время процесса уменьшения размера зерен является возможным.
S: 0,02% вес. или менее
Содержание S может быть отрегулировано настолько сильно, как возможно, поскольку S, как элемент с низкой точкой плавления, соединяется с Mn, снижая вязкость и оказывая отрицательное влияние на характеристики высокопрочного тонкого прутка. Однако верхний предел содержания S ограничен 0,02% вес. с учетом нагрузки во время процесса уменьшения размера зерен.
Иными словами, состав тонкого прутка согласно настоящему изобретению может включать, например, систему компонентов, в которой содержание каждого элемента регулируют в рамках диапазонов, составляющих от 0,15 до 0,3% вес. С, от 0,05 до 0,15% вес. Si, от 1,0 до 3,0% вес. Mn, 0,02% вес. или менее P, 0,02% вес. или менее S, в дополнение к составу, в котором содержание Al и N регулируют в рамках указанных диапазонов, а Nb, V и Ti по существу не добавляют. Иными словами, высокопрочный, высоковязкий тонкий пруток может быть получен с помощью простой системы легирующих компонентов.
В отличие от обычно предлагаемой системы компонентов, в которую вводят большое количество легирующих элементов, композиция согласно настоящему изобретению является очень простой системой компонентов, в которой предложены соответствующие условия эффективного формирования включений с Al, требующие дополнительного введения всего нескольких элементов, без введения дорогостоящих легирующих элементов. Поэтому стоимость сплава ниже, равно как и действие, при котором не обязательно возникает трудная задача, такая как регулирование компонентов во время сталеплавильных процессов.
Тонкий стальной пруток, имеющий состав согласно настоящему изобретению, также может включать мелкие зерна, не будучи подвергнутым обычному сложному прокатному процессу для получения неотпущенной стали посредством формирования в ней большого количества дисперсных включений на основе Al.
Иными словами, дисперсные нановключения на основе AlN, размер которых составляет 130 нм или менее, формируются в тонком стальном прутке, имеющем указанный состав, во время процессов прокатки и охлаждения. Поскольку, как показано на фиг.1, температура формирования таких включений составляет приблизительно от 850°С до 1050°С, включения сильно диспергируются и распределяются в тонком стальном прутке во время осуществления обычной прокатки (прокатку обычно осуществляют в рамках указанного температурного диапазона), и, таким образом, в большой степени способствуют уменьшению размера внутренних зерен. Чем меньше размер нановключений, тем более нановключения диспергируются и, таким образом, более эффективно предотвращается рост зерен. Поэтому нет необходимости конкретно ограничивать нижний предел размера включений на основе Al. Однако может быть сделан вывод о том, что размер включений составляет 10 нм или более при указанных условиях формирования нитридов. В частности, может быть сделан вывод о том, что включения размером от 10 нм до 60 нм составляют приблизительно от 20% до 30% от всех включений по площади, включения размером более 60 нм - 80 нм занимают приблизительно от 40% до 50% площади, а включения, размером более 80 нм занимают остальную часть.
При формировании включений в указанных условиях осуществляют прокатку, и пруток медленно охлаждают для последующей холодной прокатки, при этом в тонком стальном прутке может быть получена микроструктура, состоящая из мелкозернистого феррита 15 мкм - 40 мкм (например, от 15 мкм до 20 мкм), и мелкозернистого перлита 20 мкм - 55 мкм (например, от 20 мкм до 25 мкм). Для получения достаточной холодной ковкости доля участка феррита в микроструктуре может составлять приблизительно от 50% до 70%, а доля участка перлита может составлять приблизительно от 30% до 50%. Тонкий пруток с соответствующей микроструктурой согласно настоящему изобретению имеет диапазон предела прочности на растяжение, составляющий приблизительно от 600 МПа до 700 МПа, и диапазон удлинения, составляющий приблизительно от 20% до 30%, а также ударную вязкость, равную 140 Дж или более (130 Дж или более для тянутого прутка), без сфероидизирующей термической обработки. Тянутый пруток, который получают волочением тонкого прутка при диапазоне степени обжатия, составляющем от 15% до 40%, т.е. диапазоне степени обжатия во время обычного волочения, может также иметь диапазон предела прочности на растяжение, составляющий от 800 МПа до 950 МПа, и диапазон удлинения, составляющий от 15% до 25%.
Тонкий стальной пруток согласно настоящему изобретению может быть легко изготовлен любым специалистом в данной области техники, поэтому отсутствует необходимость конкретного ограничения способа изготовления. Поскольку дисперсные включения на основе Al могут формироваться в рамках широкого температурного диапазона как отличительной черты тонкого стального прутка согласно настоящему изобретению, применимый диапазон температуры прокатки является широким. Поэтому скорость охлаждения может варьировать в соответствии со свойствами микроструктуры, необходимыми для определенного вида использования стального прутка.
В частности, в том случае, если тонкий стальной пруток согласно настоящему изобретению предназначен для холодной штамповки, отсутствует необходимость осуществления регулируемой прокатки стали в узком температурном диапазоне и охлаждения со скоростью охлаждения, имеющей регулируемый диапазон, как в обычном случае. Даже при осуществлении прокатки в рамках температурного диапазона, составляющего от 850°С до 1050°С, т.е. обычного температурного диапазона прокатки, и дальнейшего охлаждения со скоростью, составляющей от 0,1°С/сек до 5°С/сек, часто используемой для изготовления обычного стального прутка для холодной штамповки, может быть получен тонкий стальной пруток, в котором сформировано достаточное количество мелких зерен.
Поскольку включения формируются в рамках температурного диапазона, т.е. от 850°С до 1050°С, в настоящем изобретении достаточный эффект на границах зерен благодаря включениям может быть получен тогда, когда температура чистовой прокатки находится в рамках указанного температурного диапазона. Поэтому температура чистовой прокатки может быть выбрана в качестве температурного диапазона.
Что касается стального прутка для холодной штамповки, поскольку предпочтительной является микроструктура, состоящая из феррита и перлита, для того чтобы пруток не имел слишком высокого сопротивления деформации, может быть осуществлено медленное охлаждение со скоростью, составляющей от 5°С/сек или менее до температуры Ar1 или менее. При медленном охлаждении обычного стального прутка могут быть получены нежелательные результаты, поскольку размер зерен становится слишком большим. С другой стороны, что касается стального прутка согласно настоящему изобретению, мелкие зерна могут быть сформированы даже при осуществлении медленного охлаждения в рамках указанного диапазона, поскольку в нем диспергируется и распределяется большое количество мелкозернистых включений. Однако при осуществлении охлаждения при слишком низкой скорости может потребоваться отдельное оборудование. Поэтому скорость охлаждения может составлять 0,1°С/сек или более.
Вариант осуществления изобретения
Далее настоящее изобретение описано более подробно в соответствии с прилагаемыми чертежами и описанным ниже примером. Однако следует отметить, что приводимый пример всего лишь иллюстрирует настоящее изобретение, а не ограничивает его объем. Следовательно, объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения и логически исходящими из нее подробностями.
Пример
Для того чтобы понять действие присутствующих включений в примерах, размер зерен аустенита (AGS) и ударную вязкость при 950°С сравнивают при содержании С, Si, Mn, P и S, регулируемом на уровне 0,25% вес., 0,15% вес., 2,0% вес., 0,015% вес. и 0,016% вес., изменяя содержание Ti, Nb, V, Al и N согласно приведенной ниже таблице 1. Для имитации условий прокатки образцы подвергают обработке на твердый раствор, нагревая их при 1180°С, а затем подвергая деформации 0,6 (n?) со скоростью деформации, составляющей 10/сек при 950°С.
Затем образцы быстро охлаждают до комнатной температуры для подтверждения размера зерен аустенита. Полученные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Образец
Ti
Nb
V
Al
N
AGS (мкм)
V-образный надрез (Дж)
U-образный надрез (Дж)
Примечания
Образец 1
-
-
-
-
0,004
32,6
140,34
156,45
Сравнительный стандартный металл
Образец 2
-
-
-
0,04
0,004
15,8
165,89
180,63
Соотношение Al/N = 10
Образец 3
-
-
-
0,08
0,004
12,4
169,62
213,72
Соотношение Al/N = 20
Образец 4
0,015
-
-
-
0,004
17,1
160,3
175,89
Низкое содержание Ti (C, N)
Образец 5
0,030
-
-
-
0,004
18,3
79,48
130,22
Высокое содержание Ti (C, N)
Образец 6
-
0,03
-
-
0,004
32,6
93,49
132,13
Низкое содержание Nb (C, N)
Образец 7
-
0,06
-
-
0,004
23,8
156,8
160,5
Высокое содержание Nb (C, N)
Образец 8
0,015
0,03
-
-
0,004
28,1
139,9
166,97
Совместное введение Ti и Nb
Образец 9
-
-
0,05
-
0,004
20,6
103,65
177,15
Низкое содержание V (C, N)
Образец 10
-
-
0,01
-
0,004
18,7
30,86
67,96
Высокое содержание V (C, N)
Из таблицы 1 и фиг.2, очевидно, что в примере 3, согласно которому были введены только алюминий и азот, а не были введены Nb, V и Ti, как в настоящем изобретении, размер зерен аустенита (AGS) при 950°С составил около 12,4 мкм, что очень мало по сравнению с другими образцами. В том случае, если размер зерен при 950°С является небольшим, микроструктуры, такие как ферриты и перлиты, образовавшиеся в тонких аустенитах, также имеют небольшой размер зерен.
Как показано в таблице 1 и на фиг.3, также понятно, что ударная вязкость (V-образный надрез, U-образный надрез) образца 3, имеющего небольшой размер аустенитных зерен, является наилучшей.
Образцы, имеющие такой же состав, как и образцы, описанные в таблице 1, подвергают обработке на твердый раствор при 1180°С, а затем подвергают деформации (вытяжке) величиной 0,6 со скоростью деформации, составляющей 10/сек при 800°С, 850°С, 900°С и 950°С соответственно. Затем образцы быстро охлаждают; результаты сравнения размера их зерен аустенита представлены на фиг.4. Из фиг.4 очевидно, что небольшие размеры зерен были получены при всех температурных условиях примера 3, соответствующих условиям настоящего изобретения.
При деформации, осуществляемой при 800°С, которая не соответствует температуре прокатки обычного тонкого стального прутка для холодной штамповки, размер зерен аустенита во всех случаях составляет 30 мкм или более. Это позволяет косвенным образом предположить, что прокатка для получения мелких зерен может быть осуществлена при температуре 850°С или более.
Микрофотографии стали под просвечивающим электронным микроскопом, изготовленной при таких же условиях, как и образец 3 в таблице 1, представлены на фиг.5. Как показано на фиг.5, может быть сделан вывод о том, что кубический AlN, размер которого составляет около 130 нм или менее, распределяется в стали тонко и равномерно.
Для определения гранулометрического состава дисперсных включений были также сделаны микрофотографии под просвечивающим электронным микроскопом четырех участков образца 3, показывающие распределение включений, включая результат, показанный на фиг.5, после чего определяют гранулометрический состав каждого включения. Полученные результаты представлены на фиг.6. На основании данных результатов может быть сделан вывод о том, что доля участка включений, размер которых составляет от 10 нм до 60 нм, составляет 29,2%; доля участка включений, размер которых составляет от более чем 60 нм до 80 нм, составляет 48,6%; и доля участка включений, размер которых составляет от более чем 80 нм до 130 нм, составляет 22,2%. Масштаб на фиг.6 составляет 0,2 мкм.
Далее на фиг.7 представлены оптические микрофотографии образцов, сталь которых, изготовленную при таких же условиях, как и образец 3, подвергают волочению, а затем холодной штамповке. Как показано на фиг.7, на основании данных образцов может быть сделан вывод о том, что содержание мелкозернистого феррита, с размером от 15 мкм до 20 мкм, составляет приблизительно от 65% до 70%, а содержание перлита с размером от 20 мкм до 25 мкм, составляет приблизительно от 30% до 35%. Согласно результатам измерений величины удара образцов может быть сделан вывод о том, что образцы с V-образным надрезом и U-образным надрезом имеют высокие значения величины удара, составляющие от 55 Дж до 60 Дж и от 150 Дж до 190 Дж соответственно. Следовательно, может быть сделан вывод о том, что неотпущенный тонкий стальной пруток, имеющий достаточную обрабатываемость, может быть изготовлен при регулировании состава тонкого стального прутка и осуществлении прокатки согласно условиям настоящего изобретения.
Для подтверждения того факта, что достаточная прочность и вязкость могут быть получены при изготовлении стали, имеющей нужное состояние, в результате данного процесса прокатки тонкого прутка, получают заготовку в виде тонкого прутка, имеющую такой же состав, как и образец 3, удовлетворяющий желаемому составу согласно настоящему изобретению. Для получения тонкого прутка заготовку (биллет) нагревают при 1150°С, осуществляют черновую прокатку и чистовую прокатку соответственно при 910°С и 1050°С, а калибровочную прокатку осуществляют при 1035°С. Прокатанный тонкий пруток охлаждают со скоростью 0,5°С/сек, а затем сматывают при 835°С. Пруток охлаждают до 500°С со скоростью охлаждения, равной 0,5°С/сек, в результате чего после охлаждения воздухом получают пруток диаметром 18 мм (пример 1, иллюстрирующий настоящее изобретение). Определяют характеристики холоднотянутого прутка, полученного в результате волочения со степенью обжатия, составляющей 28,2% (пример 2, иллюстрирующий настоящее изобретение).
Также определяют характеристики тонкого прутка (сравнительный пример 1) и холоднотянутого тонкого прутка (сравнительный пример 2), соответственно полученных способами, описанными в примерах 1 и 2, иллюстрирующих настоящее изобретение, с добавлением 0,015% вес. Ti вместо Al, а также катанки (сравнительный пример 3) и холоднотянутого тонкого прутка (сравнительный пример 4), соответственно полученного способами, описанными в примерах 1 и 2, иллюстрирующих настоящее изобретение, с добавлением 0,01% вес. V вместо Al, в которых содержание C, Si, Mn, P, S и N такое же, как и в примере 1, иллюстрирующем настоящее изобретение. Полученные результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2
Пример
YS предел текучести (МПа)
TS предел прочности (МПа)
EI относительное удлинение (%)
R.A. сужение (%)
U-образный надрез (Дж)
V-образный надрез (Дж)
Пример 1, иллюстрирующий изобретение
378
658
24,0
61,4
150,7
135
Пример 2, иллюстрирующий изобретение
757
835
18,4
60,3
143
98
Сравнительный пример 1
320
580
19,2
55,7
120,3
100,1
Сравнительный пример 2
702
789
15,5
53,1
97,7
83,1
Сравнительный пример 3
333
592
18,9
57,2
121,7
103,1
Сравнительный пример 4
711
797
16,2
56,6
95,1
80,7
Как показано в таблице 2, в примерах, иллюстрирующих настоящее изобретение, предел прочности на растяжение (TS) тонкого прутка составляет 658 МПа или более, а после волочения предел прочности на растяжение повышается приблизительно до 835 МПа или более. Однако что касается сравнительных примеров, предел прочности на растяжение прутков составляет 580 МПа (сравнительный пример 1) и 592 МПа (сравнительный пример 3), что на 60 МПа или более меньше предела прочности на растяжение в примере 1, иллюстрирующем настоящее изобретение, при этом предел прочности на растяжение составляет всего лишь около 789 МПа (сравнительный пример 2) и 797 МПа (сравнительный пример 4) после волочения, что приблизительно на 40 МПа меньше предела прочности на растяжение в примере 2, иллюстрирующем настоящее изобретение.
Величина удлинения, являющаяся показателем обрабатываемости неотпущенного тонкого стального прутка в примере 1, иллюстрирующем настоящее изобретение, т.е. примере тонкого прутка согласно настоящему изобретению, также является высокой, приближаясь к 24%, однако величины удлинения в сравнительных примерах 1 и 3, в которых уменьшению размера зерен способствует введение Ti, V или т.п., соответственно составляют 19,2% и 18,9%, что приблизительно на 5% меньше, чем в примере 1, иллюстрирующем настоящее изобретение. Такая разница постоянно сохраняется даже после волочения, так, в примере 2, иллюстрирующем настоящее изобретение, величина удлинения на 2% или более выше таких же величин в сравнительных примерах 2 и 4. Следовательно, может быть сделан вывод о том, что при добавлении большого количества Al улучшаются как прочность, так и обрабатываемость, а также повышается соотношение Al:N приблизительно до 20:1.
Может быть также сделан вывод о том, что величины сужения (R.A.) в примерах, иллюстрирующих настоящее изобретение, приблизительно на 3-6% выше таких же величин в сравнительных примерах.
Кроме того, может быть сделан вывод о том, что величины ударной вязкости образцов с U-образным надрезом и V-образным надрезом в примерах, иллюстрирующих настоящее изобретение, которые являются показателями вязкости, на 25 Дж или более выше таких же величин в сравнительных примерах. Таким образом, может быть подтвержден тот факт, что тонкий стальной пруток, изготовленный согласно настоящему изобретению, также имеет высокий уровень вязкости.
Следовательно, может быть сделан вывод о том, что тонкий стальной пруток, изготовленный согласно условиям настоящего изобретению, может быть использован для получения изделий, требующих высокой прочности и высокой вязкости, таких как пруток для холодной штамповки.
С целью проверки действия соотношения Al/N на размер зерен и величины удара при комнатной температуре были исследованы размер зерен и величина ударов (испытание на V-образный надрез) с варьированием соотношения Al/N посредством изменения только содержания N, при этом другие условия остаются такими же, как и в примере 3; полученные результаты представлены на фиг.8. На фиг.8 единицы размера зерен и величина вязкости обозначены в мкм и Дж соответственно. Как показано на фиг.8, величина удара (т.е. энергия поглощения при ударе) при комнатной температуре имеет низкое значение, равное 110 Дж или менее, в то время как соотношение Al/N равно 5, однако величина удара резко повышается при соотношении Al/N, равном 10 или более. Величина удара также резко снижается при соотношении Al/N, равном более 25, а величина удара при соотношении Al/N, равном 30, такая же, как и величина удара при соотношении Al/N, равном 5. Следовательно, может быть сделан вывод о том, что при учете величины удара соотношение Al/N может составлять от 10 до 25. Однако был подтвержден тот факт, что при соотношении Al/N, равном 10, размер зерен составляет 35 мкм или более, а действие по уменьшению размера зерен является слабым, при этом также наблюдается частое возникновение угловых трещин во время литья. Следовательно, может быть сделан вывод о том, что соотношение Al/N может составлять от 15 до 25.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было показано и описано в связи с иллюстративными вариантами его осуществления, специалистам в данной области техники понятно, что возможны модификации и отклонения без нарушения сущности и объема настоящего изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения.