用于石墨化热处理的线材及石墨钢的制作方法

14.在式(1)中，[mn]和[n]各自指合金元素的重量％。
[0015]
以下式(2)的值可以满足6或更小。
[0016]
式(2)：100*[ti]+10000*[b]
[0017]
在式(2)中，[ti]和[b]各自指合金元素的重量％。
[0018]
根据本公开内容的一个实施方案，石墨钢以重量％计包含0.65％至0.85％的c、2.0％至3.0％的si、0.15％至0.35％的mn、0.002％至0.1％的ti、0.01％或更少的n、0.0005％或更少的b、0.05％或更少的p、0.05％或更少的s，以及剩余部分具有fe和不可避免的杂质，其中以下式(1)的值满足-1或更大且1或更小，以及显微组织以面积分数计包含80％或更多的铁素体，以及剩余部分为石墨晶粒。
[0019]
式(1)：100*([mn]-0.25)
2-(100*[n])2[0020]
在式(1)中，[mn]和[n]各自指合金元素的重量％。
[0021]
以下式(2)的值可以满足6或更小。
[0022]
式(2)：100*[ti]+10000*[b]
[0023]
在式(2)中，[ti]和[b]各自指合金元素的重量％。
[0024]
石墨钢的抗拉强度可以为550mpa或更低。
[0025]
有益效果
[0026]
根据本公开内容的石墨钢可以应用作为精密机械例如汽车、家用电器/电子设备以及工业设备的部件用材料。特别地，本公开内容通过经由合金组成控制而显著缩短石墨化热处理时间，可以大幅降低石墨钢的制造成本，并且通过使细小石墨晶粒均匀地分布在基体组织中，可以确保优异的切削性。
具体实施方式
[0027]
在本公开内容的一个实例中，用于石墨化热处理的线材以重量百分比(重量％)计包含0.65％至0.85％的c、2.00％至3.00％的si、0.15％至0.35％的mn、0.002％至0.1％的ti、0.01％或更少的n、0.0005％或更少的b、0.05％或更少的p、0.05％或更少的s，以及剩余部分具有fe和不可避免的杂质，其中以下式(1)的值满足-1或更大且1或更小，以及显微组织以面积分数计包含40％或更少的铁素体、总和为5％或更少的贝氏体和马氏体，以及剩余部分为珠光体。
[0028]
式(1)：100*([mn]-0.25)
2-(100*[n])2[0029]
在式(1)中，[mn]和[n]各自指合金元素的重量％。
[0030]
发明实施方式
[0031]
现在将描述本公开内容的实施方案。然而，本公开内容的实施方案可以被修改成许多不同的形式，并且不应被解释为限于本文所述的实施方案。提供本公开内容的实施方案是为了向本领域普通技术人员充分传达本公开内容中所提供的构思和本发明的范围。
[0032]
如本文中所使用的术语仅用于说明。例如，除非上下文另外明确指出，否则单数表述包括复数表述。应进一步理解，术语“包括"和/或“包含"，当在本说明书中使用时，具体说明存在所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或组分，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组分和/或其组。
[0033]
除非另外定义，否则本文中所使用的所有术语具有与本公开内容所属领域的普通
技术人员通常理解的相同含义。此外，除非另外明确定义，否则具体术语不应被解释为具有过于理想或形式的含义。应理解，除非上下文另外明确指出，否则单数表述包括复数表述。
[0034]
在整个说明书中，词“约”、“基本上”等用于表示与该词一起使用的数值属于该数值周围的范围，以防止不道德的侵权者不正当地利用提及绝对数值的描述。
[0035]
钢基体中析出的石墨晶粒改善切削性。具体地，在切削期间，石墨晶粒充当固体润滑剂以抑制切削刀具的磨损，通过应力集中而充当裂纹起始点，减少切削摩擦，并且使切屑短节从而改善切削性。
[0036]
然而，为了石墨化，需要用于使珠光体(其为初始轧制组织)中的渗碳体石墨化的热处理。为了析出石墨晶粒，需要长时间的石墨化热处理，并且如此长时间的热处理不仅引起成本增加，而且在热处理期间引起脱碳，从而对最终部件的性能具有不利影响。
[0037]
在本公开内容中，为了改善切削性和缩短长时间的石墨化热处理，首先添加大量的c和si。随着c含量增加，在石墨化热处理之后形成更多的石墨晶粒，从而具有更好的切削性。si使渗碳体失稳以促进渗碳体的分解，并因此可以使石墨化热处理缩短。其中，当si添加过多时，可能使切削刀具磨损，并且炼钢难度水平增加，并且在传统的基于中c的石墨钢和基于高c的石墨钢中，添加少量的si以确保冷锻特性。另一方面，在本公开内容中，添加si至2.0重量％或更多，以进一步促进石墨化。
[0038]
此外，在本公开内容中，充当石墨晶粒的成核位点的aln、bn和tin氮化物中，尤其主要使用tin氮化物。由于bn和aln具有低析出温度，因此在奥氏体形成之后，它们在聚集在晶界上的同时不均匀地析出。不均匀地析出的bn和aln在石墨化热处理期间充当用于生成石墨晶粒的核，并因此很可能引起石墨晶粒的不均匀分布。另一方面，由于tin具有比aln或bn更高的析出温度，并且在奥氏体形成完成之前结晶，因此tin均匀地分布在奥氏体晶界上和晶粒内。换句话说，与bn和aln相比，tin均匀地分布在显微组织中，并因此，与在bn和aln的情况下石墨晶粒不平衡地生长相比，以tin为成核位点所形成的石墨晶粒均匀地分布在显微组织中，并因此进一步促进石墨化。此外，均匀分布的石墨晶粒可以改善切削性，例如切屑可处理性。
[0039]
在本公开内容中，通过对用于石墨化热处理的线材进行石墨化热处理来制备石墨钢。在本公开内容的一个实施方案中，用于石墨化热处理的线材以重量％计包含0.65％至0.85％的c、2.00％至3.00％的si、0.15％至0.35％的mn、0.002％至0.1％的ti、0.01％或更少的n、0.0005％或更少的b、0.05％或更少的p、0.05％或更少的s，以及剩余部分为fe和不可避免的杂质。
[0040]
现在将详细描述限制用于石墨化热处理的线材的组成的原因。限制石墨钢的合金组成的原因与限制用于石墨化热处理的线材的组成的原因相同，因此将省略该描述。
[0041]
c含量为0.65重量％至0.85重量％。
[0042]
c为构成石墨晶粒(其为切削因子)的组分元素，并且随着c含量增加，形成更多的石墨晶粒。此外，c添加越多，c活性越高，使得促进渗碳体分解，从而缩短石墨化热处理。当c含量低于0.65重量％时，c活性下降，并且切削性降低。另一方面，如果c含量超过0.85重量％，则c活性增加作用饱和，并且钢的韧性因过度形成的石墨晶粒而降低，使得存在在以后石墨钢经历拔丝以生产冷拔条钢(cold drawn bar，cd-bar)时发生断裂的风险。因此，在本公开内容中，将c含量控制为0.65重量％至0.85重量％。
[0043]
si含量为2.00重量％至3.00重量％。
[0044]
积极地添加si，因为其为制造钢水时作为脱氧剂所需的组分并且为通过使钢中的渗碳体失稳而使碳析出为石墨的石墨化促进元素。当si含量低于2.00重量％时，石墨化率很可能迅速放慢。另一方面，当si含量超过3.00重量％时，这很可能使石墨化促进作用放慢，并且由于非金属夹杂物的增加和热轧期间的脱碳现象而引起脆性。因此，在本公开内容中，将si含量控制为2.00重量％至3.00重量％。
[0045]
mn含量为0.15重量％至0.35重量％。
[0046]
积极地添加mn，因为其改善钢的强度和冲击特性，并通过与钢中的s结合形成mns夹杂物而有助于切削性增强。此外，当mn含量过低时，未参与形成mns的s抑制石墨化率，并且很可能引起材料的脆性。考虑到这一点，在本公开内容中添加0.15重量％或更多的mn。然而，如果mn含量过高，则钢的强度和硬度可能过度增加，很可能引起刀具的磨损深度降低。考虑到这一点，将mn含量控制为0.35重量％或更少。
[0047]
ti含量为0.002重量％至为0.1重量％或更少。
[0048]
与b、al等一样，ti形成氮化物tin从而降低抑制石墨化的可溶性氮内容物，并且所形成的tin充当石墨的成核位点从而缩短石墨化时间。由于充当石墨成核位点的bn和aln具有低析出温度，因此它们在奥氏体形成之后通过聚集在晶界上而不均匀地析出。然而，由于tin具有比aln或bn更高的析出温度，并且在奥氏体形成完成之前结晶，因此tin均匀地分布在奥氏体晶界上和晶粒内。换句话说，与bn和aln相比，tin均匀地分布在显微组织中，并因此，与在bn和aln的情况下石墨晶粒不平衡地生长相比，以tin为成核位点所形成的石墨晶粒均匀地分布在显微组织中，进一步促进石墨化，并且改善石墨钢的切削性。考虑到这一点，在本公开内容中添加0.002重量％或更多的ti。另一方面，如果ti含量过高，则其使由于tin而实现的石墨化热处理缩短作用饱和，相反很可能通过形成粗大碳氮化物而使石墨化劣化。考虑到这一点，在本公开内容中，将ti含量控制为0.1重量％或更少。
[0049]
n含量为0.01重量％或更少。
[0050]
n与ti、b和al结合产生氮化物，如tin、bn和aln。由于bn和aln具有低析出温度，因此它们在主要聚集在奥氏体晶界上的同时不均匀地析出。不均匀析出的bn和aln在石墨化热处理期间充当用于生成石墨晶粒的核，并因此很可能引起石墨晶粒的不均匀分布。因此，为了经常地析出tin并且也尽可能地抑制bn和aln的形成，有必要适当控制n含量。此外，当n含量过高，并因此不能与氮化物形成元素结合并且以可溶性氮的形式存在于钢中时，其使渗碳体稳定并抑制石墨化。考虑到这一点，在本公开内容中，将n含量控制为0.01重量％或更少。
[0051]
b含量为0.0005重量％或更少。
[0052]
b与n结合形成bn，而bn在石墨化热处理期间充当用于生成石墨晶粒的核。然而，如上所述，在奥氏体形成之后，bn在聚集在晶界上的同时不均匀地析出。因此，由于以bn为成核位点所形成的石墨晶粒也是不均匀分布的，切削性很可能劣化。因此，优选将b的上限控制为0.0005重量％，以防止石墨晶粒的不均匀分布。
[0053]
p含量为0.05重量％或更少。
[0054]
p为不可避免地包含的杂质。p使钢中的晶界减弱并且有助于改善切削性。然而，p通过显著的固溶强化作用而增加铁素体的硬度，降低钢的韧性和耐延迟断裂性，并促进表
面缺陷的发生。因此，优选将p含量控制成尽可能低。在本公开内容中，将p的上限控制为0.05重量％。
[0055]
s含量为0.05重量％或更少。
[0056]
s为不可避免地包含的杂质。s形成mns并且具有增强切削性的作用。然而，当s单独存在于钢中时，s不仅显著抑制c的石墨化而且在晶界上偏析从而降低韧性，并且形成低熔点乳状物从而抑制热轧特性。此外，mns具有增强切削性的作用，但由于在轧制之后经拉伸的mns，很可能出现力学各向异性。因此，优选将s含量控制成尽可能低。在本公开内容中，将s的上限控制为0.05重量％。
[0057]
在本公开内容中，剩余的组分为铁(fe)。由于在正常的制造过程中可能不可避免地从原材料或周围环境中混入非预期的杂质，因此可能无法将其排除。这些杂质可以是普通制造过程中的任何技术人员已知的，因此在本说明书中没有具体提及所有的杂质。
[0058]
根据本公开内容的一个实施方案的用于石墨化热处理的线材可以满足上述合金组成，并且还满足以下式(1)的范围为-1至1的值。
[0059]
式(1)：100*([mn]-0.25)
2-(100*[n])2[0060]
在式(1)中，[mn]和[n]各自指合金元素的重量％。
[0061]
如果式(1)的值小于-1，则切削性劣化或者石墨化热处理时间延长。另一方面，当式(1)的值超过1时，钢的强度和硬度增加，导致切削性差和石墨化热处理时间长。
[0062]
此外，根据本公开内容的一个实施方案的用于石墨化热处理的线材可以满足上述合金组成，并且还满足以下式(2)为6或更小的值。
[0063]
式(2)：100*[ti]+10000*[b]
[0064]
在式(2)中，[ti]和[b]各自指合金元素的重量％。
[0065]
当ti和b的含量增加并且式(2)的值超过6时，结晶的tin的尺寸增大，使其难以用作石墨晶粒生成核，并且增加石墨化热处理时间。此外，沿晶界生成的bn充当石墨晶粒生成核，使得石墨晶粒不均匀地产生。因此，切削性变得差。
[0066]
根据本公开内容的一个实施方案的用于石墨化热处理的线材的显微组织可以以面积分数计包含40％或更少的铁素体、总和为5％或更少的贝氏体和马氏体，以及剩余部分为珠光体。
[0067]
在本公开内容中，通过使用于石墨化热处理的线材经历石墨化热处理来制备石墨钢，并且石墨钢的显微组织优选包含铁素体，以及剩余部分为石墨。当珠光体残留时，钢的硬度增加，导致切削期间的刀具磨损问题并降低切削性。在一个实施方案中，石墨钢的显微组织可以以面积分数计包含80％或更多的铁素体，以及剩余部分为石墨晶粒。
[0068]
此外，在本公开内容的一个实施方案中，经受石墨化热处理的石墨钢的抗拉强度可以为550mpa或更低。
[0069]
根据本公开内容，可以大幅减少石墨化热处理时间。通过对用于石墨化热处理的线材在730℃至770℃下进行石墨化热处理6小时或更短来制备石墨钢，在这种情况下，石墨钢的石墨化率可以为99％或更高。石墨化率是指以石墨状态存在的碳含量与添加到钢中的碳含量的比率，其在以下式(3)中限定，并且当石墨化率为99％或更高时，这意味着几乎所有添加的碳都被消耗掉而产生石墨。在式(3)中，铁素体中的可溶性碳和细小碳化物的数量极少，因此不考虑它们。换句话说，石墨化率为99％或更高意味着在钢中不存在未分解的珠
光体，而是钢由铁素体和剩余部分的石墨晶粒构成。
[0070]
式(3)：石墨化率(％)＝(1-为珠光体碳含量的残余部分/钢中碳含量)*100现在将详细描述根据本公开内容的制造石墨钢的方法。
[0071]
如上所述的本公开内容的石墨钢可以用各种方法制造，这些方法没有特别限制，但是根据本公开内容的一个实施方案的制造石墨钢的方法可以包括以下步骤：对满足上述合金组成的钢材进行热轧，以及在730℃至770℃下进行石墨化热处理6小时或更短。
[0072]
热轧步骤可以包括铸造满足如上所述的合金组成的锭料，在1100℃至1300℃下进行均匀化热处理5小时至10小时，并在1000℃至1100℃下进行热轧。在热轧之后，可以在8℃或更低下进行空冷，从而制造用于石墨化热处理的线材。
[0073]
之后，可以通过使用于石墨化热处理的线材在730℃至770℃下经历石墨化热处理6小时或更短来制备石墨钢。根据本公开内容，有必要通过对用于石墨化热处理的线材进行石墨化热处理来使钢中的渗碳体石墨化。为了加速石墨化，优选在对应于等温转变曲线中的鼻部(nose)的温度区域进行热处理。优选的石墨化热处理温度范围为730℃至770℃，并且通过在该温度范围内6小时或更短的等温热处理，钢中所有珠光体中的渗碳体可以完全石墨化。
[0074]
如上所述的本公开内容的石墨钢可以应用作为精密机械例如汽车、家用电器/电子设备以及工业设备的部件用材料。特别地，本公开内容通过经由合金组成控制而显著缩短石墨化热处理时间，可以大幅降低石墨钢的制造成本，并且通过使细小石墨晶粒均匀地分布在基体组织中，可以确保优异的切削性。
[0075]
根据本公开内容的石墨钢可以通过拔丝、冷锻、切削等制造成精密机械例如汽车、家用电器/电子设备以及工业设备的部件。在一些情况下，可以进行淬火和回火(quenching and tempering，q/t)热处理以确保切削之后的表面硬度。
[0076]
现在将在本公开内容的以下实施方案中更详细地描述本公开内容。然而，以下实施方案是用于更详细地描述本公开内容的示例性实施例，而不应被解释为限制本公开内容的范围。本公开内容的范围由权利要求及其等效物限定。
[0077]
{实施方案}
[0078]
铸造具有表1中所示组成的锭料，并在1250℃下进行均匀化热处理6小时，然后热轧并空冷从而制备用于石墨化热处理的线材。在热轧期间，精轧温度为1000℃。
[0079]
表1中的式(1)和式(2)通过将合金组成含量代入上述式(1)和式(2)而得出值。
[0080]
[表1]
[0081]
[0082][0083]
之后，使表1的用于石墨化热处理的线材在750℃下经受石墨化热处理4小时以制造石墨钢。然而，在比较例8和9中，通过将石墨化热处理温度分别设置为711℃和803℃来进行石墨化热处理。表2中用于石墨化热处理的线材组织是指用于石墨化热处理的线材在石墨化热处理之前的显微组织。表2中的石墨钢组织是指在石墨化热处理之后的石墨钢的显微组织。
[0084]
表2中的刀具磨损深度是通过切削各发明例和比较例的200根直径为25mm的石墨钢，直到直径变为15mm，然后比较机械加工之前和之后的刀具刃口深度而作为磨损程度获得。在这种情况下，切削速率为100mm/分钟，进给速率为0.1mm/转，以及切削深度为1.0mm，并且使用切削油进行切削过程。
[0085]
[表2]
[0086][0087]
(f：铁素体，p：珠光体，g：石墨)
[0088]
参照表1和2的结果，发明例1至9在石墨化热处理之后没有珠光体，因此仅用短时间的石墨化热处理，其为4小时，石墨化率为99％或更高，并且抗拉强度为550mpa或更低，并且刀具磨损深度为200mm或更小，这证明切削性优异。
[0089]
另一方面，比较例1至7在与本公开内容相同的石墨化热处理条件下经受石墨化热处理，但由于残留的珠光体组织而没有完成石墨化，抗拉强度超过550mpa，并且刀具磨损深度超过200mm，这证明切削性差。
[0090]
更具体地，在比较例1中，由于c含量低以及石墨化的驱动力低，没有完成石墨化。在比较例2中，si含量高，由于非金属夹杂物的增加以及热轧期间的脱碳现象而引起脆性。在比较例3中，由于形成了mn夹杂物并且残留的mn抑制了石墨化，没有完成石墨化。在比较例4中，由于mn不足以形成mns并且残留的s抑制了石墨化，没有完成石墨化。在比较例5中，由于n含量高并且在形成氮化物例如tin、aln和bn之后残留的n抑制了石墨化，没有完成石
墨化。在比较例7中，b含量过高，并且大部分的bn在晶界上析出，从而抑制了石墨化。
[0091]
特别地，在比较例3至5的情况下，由于不满足本公开内容所限定的式(1)的值范围，没有完成石墨化，并且切削性差。
[0092]
比较例6和7不满足本公开内容所限定的式(2)的值范围，因此结晶的tin尺寸太大而无法完成石墨化。此外，沿晶界产生的bn充当石墨晶粒生成核，并且石墨晶粒不均匀地生成。因此，切削性差。
[0093]
比较例8和9不满足本公开内容所限定的石墨化热处理温度。因此，在石墨化热处理温度过低的比较例8中，珠光体在石墨化热处理期间没有完全石墨化。另一方面，在石墨化热处理温度过高的比较例9中，完成了向奥氏体的相变，并在冷却期间又形成了珠光体。
[0094]
到目前为止已经描述了本公开内容的实施方案，但本公开内容并不限于此，并且对于本领域普通技术人员明显的是，可以在不偏离所附权利要求的范围的情况下进行各种修改和变更。
[0095]
工业适用性
[0096]
根据本公开内容，用于石墨化热处理的线材和石墨钢由于其显著减少石墨化热处理时间以及具有在石墨化热处理期间均匀分布在基体中的细小石墨晶粒而具有工业适用性。

技术特征：
1.一种用于石墨化热处理的线材，所述线材以重量百分比(重量％)计包含：0.65％至0.85％的c、2.00％至3.00％的si、0.15％至0.35％的mn、0.002％至0.1％的ti、0.01％或更少的n、0.0005％或更少的b、0.05％或更少的p、0.05％或更少的s，以及剩余部分具有fe和不可避免的杂质，其中以下式(1)的值满足-1或更大且1或更小，以及其中显微组织以面积分数计包含40％或更少的铁素体、总和为5％或更少的贝氏体和马氏体，以及剩余部分为珠光体：式(1)：100*([mn]-0.25)
2-(100*[n])2在式(1)中，[mn]和[n]各自指所述合金元素的重量％。2.根据权利要求1所述的线材，其中式(2)的值满足6或更小：式(2)：100*[ti]+10000*[b]在式(2)中，[ti]和[b]各自指所述合金元素的重量％。3.一种石墨钢，以重量百分比(重量％)计包含：0.65％至0.85％的c、2.0％至3.0％的si、0.15％至0.35％的mn、0.002％至0.1％的ti、0.01％或更少的n、0.0005％或更少的b、0.05％或更少的p、0.05％或更少的s，以及剩余部分具有fe和不可避免的杂质，其中以下式(1)的值满足-1或更大且1或更小，以及其中显微组织以面积分数计包含80％或更多的铁素体，以及剩余部分为石墨晶粒：式(1)：100*([mn]-0.25)2-(100*[n])2在式(1)中，[mn]和[n]各自指所述合金元素的重量％。4.根据权利要求3所述的石墨钢，其中式(2)的值满足6或更小：式(2)：100*[ti]+10000*[b]在式(2)中，[ti]和[b]各自指所述合金元素的重量％。5.根据权利要求3所述的石墨钢，其中抗拉强度为550mpa或更低。

技术总结
本说明书公开了用于石墨化热处理的线材以及石墨钢，由此石墨化热处理时间大幅减少，并且在石墨化热处理期间细小晶粒石墨均匀地分布在基体中。根据一个实施方案，所公开的用于石墨化热处理的线材以重量百分比计包含：0.65％至0.85％的C；2.00％至3.00％的Si；0.15％至0.35％的Mn；0.005％至0.1％的Ti；0.01％或更少的N；0.0005％或更少的B；0.05％或更少的P；0.05％或更少的S；以及余量的Fe和不可避免的杂质，其中以下式(1)的值满足-1至1(包括端值)，并且显微组织可以以面积分数计包含40％或更少的铁素体、总和为5％或更少的贝氏体和马氏体以及余量的珠光体。式(1)：100*([Mn]-0.25)


技术研发人员：李炳甲 朴仁圭 金哲基 崔相佑 李基澔
受保护的技术使用者：浦项股份有限公司
技术研发日：2021.12.17
技术公布日：2023/9/26