专利名称：表面脱碳受限的钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及表面脱碳受限的钢及其制造方法，更具体地，涉及如下的钢，其包含一个在其表面形成的硼(B)富集层，以防止钢中所含的碳与大气中的氧接触，从而抑制钢脱碳，本发明还涉及所述钢的制造方法。
背景技术：
近来，为有效使用有限的矿物燃料能源并确保经济效益领先于飞涨的油价，钢的强度需要处于较高水平。提供高水平强度的钢可减少制造各种产品所需的钢组分的数量并使所述各种产品具有高级功能，这可能能使耗油量大的产品(例如汽车)行驶更多的英里数(燃料效率)，从而极大地减少能量消耗。为确保钢强度，碳是最通常添加的元素之一，特别是，汽车部件所使用的钢含有比某种预定水平更大量的碳。但是，在通常用作汽车部件材料等的高强度结构钢的制造中，钢的表面层可能会脱碳。即，当碳溶解度高的奥氏体组织转变成碳溶解度低的铁素体组织时， 碳的活性增加，在此情况下，高活性的碳会在钢的表面与氧化性大气接触，从而反应并产生脱碳现象。换言之，脱碳现象通常发生在材料在高温范围下进行热处理时，此时碳可充分扩散，从而使钢中存在的碳元素通过扩散快速移动到钢的表面层，然后与大气中的氧化性气体接触。在高强度结构钢的制造中，表面缺陷组织——表现为由材料的表面层诱发的脱碳作用所产生的脱碳组织——的存在导致多种问题。即，表面上存在的脱碳组织与基体材料相比，具有相当低的硬度和耐蚀性，因此含有脱碳组织的钢的功能变差，不足以用作高强度结构钢。即，如果高强度结构钢经受连续反复的疲劳而形成这种表面脱碳层，则该表面脱碳层会充当裂纹产生和传播的起点，导致关键性问题，例如材料寿命缩短，即材料在制造之后迅速失效等问题。因此，人们认为将材料保持在高温范围内进行人为失效是一种抑制钢在制造过程中脱碳的方法。但是，该材料必须经过高温制造过程，例如轧制或锻造，以控制金属的形状并确保材料的质量，因此，避免脱碳反应绝非易事，有效抑制脱碳是关键点。此外，因为材料的高强度水平要在使单位成本增加最小化的限度内实现，所有在现有技术中，在大多数情况下，会向高强度结构钢中添加硅(Si)，一种低价位的合金元素。 但是，硅(Si)同碳(C) 一样，是一种第四族元素，具有与碳(C)类似的行为，其不仅会增加碳(C)的活性，而且还会稳定铁素体区域，使铁素体易于形成，从而降低碳(C)的溶解度。 即，添加硅(Si)扩大了奥氏体和铁素体共存的所谓的两相区域，并且在这种情况下，加速了氧化所造成的碳从钢表面部分中的表面层的逃逸，从而经过长时间穿过大的两相区域， 促进脱碳反应。在努力解决所述问题的过程中，已开始使用一种控制冷却模式来快速避免脱碳强化的两相区域的邻近区域被引入使用。但是，由于在材料冷却过程中毛圈密度(piling density)的差异，难以控制线圈中的温度偏差等，特别是，线圈重叠部分等中的温度偏差更为严重，使得难以完全地抑制部分急速发展的脱碳。此外，对于为实现高强度而含有大量硅的高硅钢而言，两相区域的温度截面与一般钢相比极大地扩大，这只能通过控制冷却速度来避免，因此迫切需要开发能基本抑制其脱碳敏感性的钢。为此，已研究了一种方法，其中，向钢中添加氧化皮(scale)产生元素例如铬 (Cr)、铜(Cu)、镍(Ni)等，以增加在高温加热过程中不可避免地产生的氧化皮的密度和改进其与基体材料的粘附性，从而防止钢表面层中的碳元素与氧化性气体等之间的接触。但是，该方法存在的问题为，所述基体材料与氧化皮之间的粘附性较小，不能完全抑制脱碳反应。如上所述，仍需开发在制造过程中可有效抑制其表面脱碳的钢。
发明内容
技术问题本发明的一方面提供一种如下的钢，其包含一个在其表面形成的致密的富集层， 从而防止钢中的碳与氧化性大气接触。技术方案根据本发明的一方面，提供一种如下的钢，所述钢包含一个在其表面形成的厚度为3mm或更大的硼富集层。所述硼富集层可为一个其中硼含量是钢平均组成的10倍或更大的区域。所述钢可含有0. 00 Iwt % -0. 02wt%的硼。所述钢除所述硼组分夕卜，还可含有0. 02wt %或更少的氮(N)和 0. 005wt% -0. 5wt% 的钛(Ti)。所述钢还可含有0. 2wt % -1. Owt % 的碳(C)、0. Iwt % -3. 5wt % 的硅(Si)、 0. 3wt % -1. Owt % 的锰(Mn)、0· Iwt % 或更少的铝(Al)、0· 02wt % 或更少的磷(P)，及 0. 02wt%或更少的硫(S)。除所述组分外，所述钢还可含有0. Iwt % -1. 5wt%的铬(Cr)、0. 01wt% -1. Owt % 的镍(Ni)、0. Olwt% -1. (^1%的铜(Cu)、0. 0020wt%或更少的氧(0)、0. 005wt% -0. 5wt% 的钒(V)，及 0. 005wt% -0. 5wt% 的铌(Nb)。根据本发明的另一方面，提供一种制造脱碳受限的钢的方法，该方法包括在奥氏体+铁素体两相区域以0. 5 0C /s-25°c /s的冷却速度冷却含0. OOlwt % -0. 002wt%的硼 (B)的钢。除所述组分外，所述钢还可含有0. 02wt%或更少的氮(N)和0. 005wt% -0. 5wt% 的钛(Ti)。所述钢还可含有0. 2wt % -1. Owt % 的碳(C)、0. Iwt % -3. 5wt % 的硅(Si)、 0. 3wt % -1. Owt % 的锰(Mn)、0· Iwt % 或更少的铝(Al)、0· 02wt % 或更少的磷(P)，及 0. 02wt%或更少的硫(S)。除所述组分外，所述钢还可含有0. Iwt % -1. 5wt%的铬(Cr)、0. 01wt% -1. Owt % 的镍(Ni)、0. Olwt% -1. (^1%的铜(Cu)、0. 0020wt%或更少的氧(0)、0. 005wt% -0. 5wt% 的钒(V)，及 0. 005wt% -0. 5wt% 的铌(Nb)。有益效果根据本发明的示例性实施方案，由于所述硼富集层形成于钢的表面，因此可防止
4钢中的碳与大气中的氧化性气体接触，由此有效地抑制了脱碳。
图1为证实比较例4、示例性实施方案3和示例性实施方案4中B富集层的形成结果的PTA照片。图2为展示基于冷却速度的硼富集层、低温组织和铁素体脱碳层之间的关系的显微镜照片。
具体实施例方式现将对本发明的示例性实施方案进行详细描述。本申请的发明人在认识到为防止在钢表面形成脱碳层，必须防止钢中的碳组分与大气中的氧化性气体接触的基础上，作出了本发明。具体地，本发明人发现，硼组分能有效防止钢中的碳组分与大气中的氧化性气体接触。S卩，由于硼组分在钢的表面层形成致密的富集层，因此其可有效地防止碳组分与大气中的氧化性气体接触。特别地，与常规的氧化皮形成元素例如铬(Cr)、铜(Cu)、镍(Ni) 等相比，即使较少含量的硼也能获得足够的效果，并有效防止脱碳。在本发明的一个示例性实施方案中，硼富集层是指在线材(wire rod)表面层上形成的一个区域，该区域中的硼 (B)含量大于其他区域中的硼(B)含量。所述硼富集层主要包括位于线材的最外层的氧化皮层，并且视情形可在氧化皮层之下的线材内部形成一定的深度。因此，在本发明的一个示例性实施方案中，所述硼富集层定义为其中硼(B)含量是钢的平均组成的十倍或更多倍的达到一个深度的表面层区域。根据由本发明发明人进行的研究的结果，所述硼富集层必须具有3mm或更大的厚度。如果所述硼富集层太薄，将易于分段，不能适当地阻止氧原子的渗入，从而无法实现本发明目的。由于所述硼富集层通常用于抑制碳与氧化性气体接触，因此所述硼富集层厚度的上限无需特别限制。但是，在此情况下，考虑到硼(B)的一般含量，所述硼富集层很难形成超过120mm的厚度。因此，根据本发明的一个示例性实施方案的钢包含一个在所述钢表面形成的厚度为3mm或更大的硼富集层。所述硼富集层不仅有利于抑制在后续的加热和冷却过程中可能出现的脱碳，而且已有利地用于抑制在钢制造过程中的脱碳。即，所述富集层在钢易于脱碳的温度范围或更高温度下形成，并抑制钢在冷却操作中脱碳。此外，任何钢均被认为属于根据本发明的一个示例性实施方案提供的钢的范畴， 只要其表面脱碳作用得以抑制即可，因此，无需特别限定其他组分。但是，为形成所述硼富集层，钢中必须含有足够量的硼组分，因此优选将硼含量限于一定范围，如下所述硼(B)0. 00Iwt% -0. 02wt%如上所提及，由于硼(B)是所述硼富集层的来源，因此，其含量必须为0. OOlwt% 或更大。但是，除形成富集层的作用之外，硼还用于改进钢的淬透性。根据本发明的一个示例性实施方案的机械结构用钢需为软质的，从而在实施锻造或顶锻加工之前具有足够的可加工性。因此，如果含有过量的硼(B)，即使钢通过退火(即缓慢冷却)制造，也会在钢中不利地形成大量的低温组织，例如贝氏体或马氏体。因此，在本发明的一个示例性实施方案
5中，硼(B)含量的上限设定为0.02wt%。本发明希望的效果可通过适当控制硼⑶含量而获得。因此，优选地，本发明的一个示例性实施方案的钢包含一个厚度为3mm或更大的硼富集层，该层中含有 0. 00 Iwt % -0. 02wt% 的硼(B)。当硼与钢中存在的氮组分反应时，生成例如BN等沉淀物。该沉淀物用于固定硼， 防止硼扩散至钢的表面。即，所述沉淀物可防止形成硼富集层。因此，优选地，硼(B)以未被氮(N)固定的所谓的有效硼(或游离硼)的状态存在。为此，出于以下原因将钛(Ti)和氮(N)控制在以下范围内较为有效。氮(N):0.02wt%或更少氮(N)是大气中大量含有的一种气体，占大气的约80%。当氮(N)与熔融钢接触时，其可被大量地包含在熔融钢内。当钢中含有氮(N)时，氮与钢中存在的硼反应而形成 BN，并且在此情况下，硼(B)的扩散被抑制并且硼(B)被固定，因此难以在钢表面形成富集层。因此，需要限制氮(N)的含量。考虑到炼钢过程等的处理负荷，将氮(N)的含量限制在
0.02wt%以下。优选地，将氮(N)的含量限制在0.0Iwt %以下。钛(Ti)0. 005wt% -0. 5wt%如上所述，优选将氮(N)限制为尽可能的少，但考虑到处理负荷，不可能完全除去。因此，为使钢中不可避免地所含的氮(N)的不利影响最小化，优选添加钛(Ti)。S卩，钛 (Ti)能够先于硼而形成氮化物(TiN、Ti (C，N)等)，因此其可抑制BN的形成，从而保持更多的有效的硼。考虑到钢中所含氮的量，必须包含0.005wt%或更多的钛(Ti)以有效地确保有效硼(B)。含量为最多0. 5wt%的钛即可充分起到其作用，高于所述含量的剩余量的钛 (Ti)将导致单位制造成本等的增加。因此，根据本发明的一个示例性实施方案，可提供一种如下的钢，其中硼富集层的厚度和硼的含量被控制(被调节)并且所含的钛(Ti)和氮(N)处于上述比率。因此，通过满足所述条件，可获得本发明的有益效果，而与钢中的其他剩余组分无关。现将对适于实现本发明有益效果的钢的组成的非限制性实例进行描述以体现本发明。即，适于获得本发明效果的钢的组成的一个实例可为这样的组成，其中硼(B)、钛 (Ti)和氮(N)被控制在上述范围内并且碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、铝(Al)、磷(P)、硫(S)等构成钢的基础组分的含量范围如下。碳(C):0. 2wt% -1. Owt%碳(C)是为确保高强度钢的强度而添加的一种元素。如果碳(C)的含量小于0.2wt%，则强度不足以确保钢具有所需的强度水平。相反，如果碳(C)的含量超过
1.Owt%,则沿晶界形成先共析渗碳体组织，导致材料裂纹，显著降低疲劳强度。此外，由于难以确保与高强度相应的足够的韧性并难以抑制由于添加硅(Si)而造成的材料脱碳，因此碳(C)的含量优选限制为0. 2wt% -1. Owt %0硅(Si):0. Iwt% -3. 5wt%硅(Si)用于铁素体中以产生强化基体材料强度的效果。如果硅(Si)的含量小于0.1wt%，则其用于铁素体后无法发挥强化基体材料的效果。因此，硅(Si)的下限需限制为0. lwt%。同时，如果硅(Si)的含量超过3. 5wt%，则在热处理过程中产生中心偏析的可能性增加，并且碳的活性增加，从而促进了表面脱碳。因此硅(Si)的含量优选限制为0. Iwt % -3. 5wt%。锰(Mn)0. 3wt% -1. Owt%锰(Mn)为当其包含在钢中时可用于确保钢强度的一种元素。因此，如果锰(Mn) 的含量小于0. 3wt%，则不能实现足以确保钢具有所需强度水平的强度。相反，如果锰(Mn) 的含量超过1. Owt %，则韧性变差。因此，锰(Mn)的含量优选限制为0. 3wt% -1. Owt %0铝(Al):0. Iwt%或更少添加铝(Al)可降低晶粒度和改善韧性。但是，如果铝(Al)的含量超过0. Iwt%, 产生的氧化物基沉淀物的量增加，并且晶粒度变粗，不利地影响疲劳特性。在本发明的一个示例性实施方案中，铝不是钢的必要组分，因此对铝(Al)的下限未进行设定。磷(P):0.02wt%或更少磷⑵在晶界中析出可降低韧性，因此，优选地，其含量应尽可能少。但是，为完全除去钢中所含的来自多种来源的磷，将不可避免地对精制(或回火)过程施加巨大负荷。因此，可使磷的水平为0. 02wt%，其中磷不会造成大的问题。如果精制负荷不重，则磷优选限制为0. 01衬％或更少。硫(S):0.02wt%或更少硫(S)，一种低熔点元素，在晶界偏析会降低韧性并产生乳剂，从而不利地影响高强度钢的特性。因此，优选地，硫(S)的含量应尽可能少，但是考虑到精制过程负荷，将硫 (S)的上限限制为0. 02wt%o因此，用于实现本发明有益效果的钢的组成的一个实例为这样的一种组成， 其除了将硼富集层的厚度控制在上述范围内并包含合适范围的元素例如硼(B)、钛 (Ti)及氮(N)之外，还含有 0. 2wt % -1. Owt % 的碳(C)、0. Iwt % -3. 5wt % 的硅(Si)、 0. 3wt % -1. Owt % 的锰(Mn)、0· Iwt % 或更少的铝(Al)、0· 02wt % 或更少的磷(P)，及 0. 02wt%或更少的硫(S)。除上述组分外，适用于本发明的钢的组成的一个实例可包含下述范围的铬(Cr)、 镍(Ni)、铜(Cu)、氧(0)、钒(V)、铌(Nb)等中的一种或多种，以确保钢的物理性能。铬(Cr)0. Iwt% -1. 5wt%铬为用于防止表面脱碳和获得抗氧化性及回火和软化特性的一种元素。如果铬 (Cr)的含量小于0. lwt%，则难以获得足够的抗氧化性、回火及软化特性、表面脱碳预防效果等。同时，如果铬(Cr)的含量超过1.5wt%，则抗变形性变差，从而可能导致强度降低。 因此，优选铬(Cr)的含量为0. Iwt% -1. 5wt%。镍(Ni)0. Olwt% -1. Owt%镍(Ni)是一种为通过形成与基体材料具有高粘附性的氧化皮层来有效抑制表面脱碳而添加的元素。此外，镍(Ni)可有效改进钢的韧性。如果镍(Ni)的含量小于0. 01wt%, 则镍(Ni)的效果不足，而如果镍(Ni)的含量为1. 0wt%或更大，则残留的奥氏体的量增加， 从而降低了疲劳寿命。此外，由于镍(Ni)价格高，因此其导致单位制造成本急剧增加。因此，镍(Ni)的含量需限制为0. Iwt% -IH铜(Cu)0. Olwt% -1. Owt%添加铜(Cu)可与镍(Ni) —起产生对基体材料具有高粘附性的氧化皮层，这能有效防止脱碳和改善抗蚀性。当铜(Cu)的含量小于0.01wt%时，该效果降低。同时，如果铜
7(Cu)的含量超过1.0Wt%，则会由于脆化而造成轧制缺陷。氧(0):0. 0020wt%或更少氧(0)限制在0. 0020wt %或更少。如果氧(0)的含量超过0. 0020wt %，则形成粗的氧化物基非金属包合物，从而急剧降低疲劳寿命。钒(V)0. 005wt% -0. 5wt%，且铌(Nb) :0. 005wt% _0· 5wt%钒(V)和铌(Nb)单独添加或一起添加，用以形成碳化物/氮化物，使沉淀物硬化， 从而改善高强度钢的强度特性。钒(V)和铌(Nb)的含量分别限制为0. 005wt% -0. 5wt%0 如果钒(V)和铌(Nb)的含量较小，则会减少钒(V)和铌(Nb)基碳化物/氮化物的沉淀，使得晶界强化效应和疲劳特性不能充分改善。如果钒(V)和铌(Nb)的含量较大，则单位制造成本急剧增加，沉淀所引起的弹簧特性的改善达到饱和，并且在奥氏体热处理过程中未溶解于基体材料的粗合金碳化物的量增加，从而作为一种非金属包合物，降低疲劳特性和沉淀强化效应。符合上述条件的钢可通过常规热轧法制造。但是，本发明提供了一个更有效地制造钢的实例。现将描述一种有效的钢制造方法。冷却条件奥氏体+铁素体的两相区域以0. 50C /s-25°C /s的冷却速度冷却。如上所述，脱碳反应通常由温度较高且开始生成铁素体的两相区域发生。因此，应生成可在所述温度范围防止脱碳发生的硼富集层，以抑制脱碳。本发明发明人的研究结果表明，为获得上述效果，应形成大于一定厚度并且不发生任何分段的硼富集层，为此，冷却需要在0. 5°C /s或更快的冷却速度下实施。如果冷却低于该冷却速度实施，则即使形成了硼富集层，其厚度也可能太薄而分段，并且与基体材料的粘附性不足，因此易于与基体材料分离。相反地，如果冷却速度较高，则形成的硼富集层具有足够的厚度，但在该高冷却速度下，在钢内形成了低温组织，这对于钢的后续加工而言是不希望的。这是因为钢中精细组织的贝氏体或马氏体低温组织的面积分率优选为5%或更少。因此，将所述冷却速度的上限设定为25°C /s。更优选地，将所述冷却速度的上限设定为20°C /s。在冷却操作之前或之后，可使用一般的钢制造方法来制造钢。即，应注意并应理解的是，本发明所属技术领域的技术人员可容易地选择增加冷却操作之后的通过压制钢而控制钢形状的热轧过程，或任何其他热轧过程，或其他热处理过程等。实施例现将参照附图——其中展示了本发明的实施方案——更充分地描述本发明的实施方案。但是本发明可以多种不同的方式实现，并且不应解释为限于本文所述的实施方案。 因此，本发明的实施方案不限于上述实施方案，而由随附的权利要求书及其等同方案的全部范围限定。示例性实施方案将各自具有下表1所示组成(表1中的各组分含量以重量百分比)表示， 但氮(N)和氧0))以ppm表示)的各批钢进行铸造以制造成钢坯(即锻块)，将钢坯在 7000C -1，000°C的最终轧制温度下以60%或更大的压下率通过线材轧制的方式进行轧制， 然后在室温下通过如下表2所示的多种冷却模式进行冷却，从而制得钢。观察在所述条件下制造的钢的精细组织。在此情况下，为定量测量低温组织和脱碳层深度，为方便起见，从三十个视野进行了随机观测。测得的低温组织分率和平均铁素体脱碳层深度的详细值示于表2中。从多于五个的视野对线材的碳截面的铁素体脱碳层进行了测量，并确定了平均值。此外，为观测在表1条件下制造的线材中硼的氧化皮层，使用粒子径迹放射自显影(PTA)法、通过中子辐射的硼分布分析法进行了测试。该测试法为，当热中子被辐射至含硼的材料时，通过核反应产生的重离子光暴露于牢固粘附于试样表面的膜。通过实施该方法，测量硼富集层是否分段和在各化学组分和冷却条件下该硼富集层的平均厚度，并将详细结果示于表2和图1及2中。在此情况下，表2中的低温组织分率是指贝氏体和马氏体的面积分率的总和。表 权利要求
1.表面脱碳受限钢，所述钢含有一个在其表面形成的厚度为3mm或更大的硼富集层。
2.权利要求1的钢，其中所述硼富集层为一个其中硼含量为钢平均组成的10倍或更大的区域。
3.权利要求1或2的钢，其中所述钢含有0.OOlwt% -0. 02wt%的硼。
4.权利要求3的钢，其中所述钢还含有0.02wt %或更少的氮(N)和 0. 005wt% -0. 5wt% 的钛(Ti)。
5.权利要求4的钢，其中所述钢还含有0.2wt% -1. Owt %的碳(C),0. Iwt % -3. 5wt% 的硅(Si)、0. 3wt%-l.Owt %的锰(Mn)、0. Iwt %或更少的铝(Al)、0. 02wt %或更少的磷 (P)，及0. 02wt%或更少的硫(S)。
6.权利要求5的钢，其中所述钢还含有0.Iwt % -1. 5wt %的铬(Cr)、 0. 01wt%-1. 0wt% 的镍(Ni)、0. Olwt %-l.Owt % 的铜(Cu)、0. 0020wt % 或更少的氧(0)、 0. 005wt% -0. 5wt% 的钒(V)，及 0. 005wt% -0. 5wt% 的铌(Nb)。
7.—种制造表面脱碳受限钢的方法，所述方法包括在奥氏体+铁素体两相区域以0. 5 °C /s-25 °C /s的冷却速度冷却含有 0. 00 Iwt % -0. 02wt% 的硼(B)的钢。
8.权利要求7的方法，其中所述钢还含有0.02wt %或更少的氮(N)和 0. 005wt% -0. 5wt% 的钛(Ti)。
9.权利要求8的方法，其中所述钢还含有0.2wt % -1. Owt %的碳(C)、 0. Iwt % -3. 5wt % 的硅(Si)、0. 3wt % -1. Owt % 的锰(Mn)、0. Iwt % 或更少的铝(Al)、 0. 02wt%或更少的磷(P)，及0. 02wt%或更少的硫(S)。
10.权利要求9的方法，其中所述钢还含有0.Iwt % -1. 5wt %的铬(Cr)、 0. 01wt%-1. 0wt% 的镍(Ni)、0. Olwt %-l.Owt % 的铜(Cu)、0. 0020wt % 或更少的氧(0)、 0. 005wt% -0. 5wt% 的钒(V)，及 0. 005wt% -0. 5wt% 的铌(Nb)。
全文摘要
公开了脱碳受限钢及其制造方法。所述钢包含一个在其表面形成的硼(B)富集层，以防止钢中的碳与大气中的氧接触，从而抑制钢脱碳。所述钢包含一个在其表面形成的厚度为3mm或更大的硼富集层。所述制造脱碳受限钢的方法包括在奥氏体+铁素体两相区域以0.5℃/s-25℃/s的冷却速度冷却含有0.001wt％-0.02wt％的硼(B)的钢。
文档编号C22C38/32GK102264935SQ200980152839
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月28日 优先权日2008年12月26日
发明者朴炳柱, 李在胜, 李相润, 郑会荣 申请人:Posco公司