專利名稱：作為紋理化軋制帶鋼尤其用于彈簧元件的微合金碳鋼的制作方法
作為紋理化軋制帶鋼尤其用于彈簧元件的微合金碳鋼本發(fā)明涉及權(quán)利要求1前序部分所述作為紋理化軋制帶鋼的、尤其是用于彈簧的碳鋼。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域通常將帶鋼用來(lái)生產(chǎn)彈簧材料，尤其是可收卷的彈簧。此類彈簧例如可用于汽車安全帶之中，作為可收卷的卷尺、電纜收線器的材料，也可作為牽狗繩的收卷元件，以及用于許多其它應(yīng)用之中?，F(xiàn)有技術(shù)是以線材或帶材為原料生產(chǎn)此類收卷彈簧，通常要對(duì)基于馬氏體的帶鋼進(jìn)行常規(guī)調(diào)質(zhì)處理，或者通過(guò)等溫轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)條狀珠光體組織，然后冷成形(所謂的紋理化軋制帶鋼)來(lái)進(jìn)行。為此通常使用非合金鋼。所謂紋理化軋制帶鋼指的是在最終狀態(tài)下具有顯著壓印紋理，即，晶體取向的所有帶鋼，尤其是彈簧帶鋼。這種晶體取向?qū)е赂纳茝椈商匦?，減小由于腐蝕或者垂直于晶體取向的機(jī)械損害引起的斷裂危險(xiǎn)。通常采用對(duì)材料通過(guò)輥軋進(jìn)行強(qiáng)冷變形的方式，或者通過(guò)沒有中間退火的拉伸方式產(chǎn)生這種紋理。首先使得預(yù)軋帶(例如厚度1. 5mm)在約850°C的連續(xù)式調(diào)質(zhì)設(shè)備中奧氏體化(使碳溶解)，然后在約450 500°C的鉛浴中淬火并且停留在其中的時(shí)間長(zhǎng)至等溫轉(zhuǎn)變完全實(shí)現(xiàn)。將所產(chǎn)生的小片層狀珠光體組織根據(jù)英國(guó)發(fā)現(xiàn)者稱作索氏體或者索氏體化組織。良好的索氏體化組織具有大約0. 1 μ m片層間距。索氏體的條紋化越細(xì)并且滲碳體層的間距越小，則索氏體化強(qiáng)度越高。在隨后主要反向進(jìn)行的冷軋過(guò)程中，不僅在珠光體的鐵素體層中，而且也在滲碳體層中出現(xiàn)顯著變形。變形的后果是在片層平行于軋制方向排列的組織區(qū)域中片層間距減小。而在垂直于軋制方向的組織區(qū)域中則相反，片層首先呈波浪形彎曲，并且在較大形變的情況下甚至?xí)拾l(fā)夾形彎曲。一旦所有組織區(qū)域(彎曲部位除外)以這種方式平行于軋制方向排列，就會(huì)存在純纖維結(jié)構(gòu)。以下將從冶金學(xué)角度解釋這種耗費(fèi)且復(fù)雜的制造過(guò)程。鋼在變形過(guò)程中受到限制，因?yàn)殇摫仨氄w變形，而不分解成單個(gè)的晶粒。因此每一個(gè)晶粒均必須參與變形，并且每一個(gè)晶粒均必須將這種變形與其相鄰晶粒協(xié)調(diào)，才使得沿著其晶界牢固結(jié)合成為可能。 但是帶鋼的晶粒具有不同的取向。當(dāng)通過(guò)軋制過(guò)程對(duì)這些晶粒施加外部應(yīng)力時(shí)，那些具有有利取向的滑動(dòng)系統(tǒng)、也就是具有所謂高施密特系數(shù)(外界施加的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力ο和作用于滑動(dòng)平面中的剪切應(yīng)力T之間的換算系數(shù))的晶粒就已發(fā)生變形，而在取向不太有利的其它晶粒中則還沒有達(dá)到臨界剪切應(yīng)力。因此單個(gè)晶粒的變形導(dǎo)致未塑性變形的周圍環(huán)境不參與的形變。變形彈性上受到抑制，這可能導(dǎo)致高內(nèi)部應(yīng)力，最終也會(huì)在相鄰晶粒中達(dá)到臨界剪切應(yīng)力。只有當(dāng)帶鋼的所有晶粒均塑性變形時(shí)，才會(huì)達(dá)到材料的屈服點(diǎn)。除了上述通過(guò)冷軋方式提高強(qiáng)度的機(jī)理之外，還可以利用通過(guò)所謂固溶體硬化來(lái)提高強(qiáng)度。這是合金原子與導(dǎo)致阻礙相互作用的位移相互作用的結(jié)果。雜質(zhì)原子對(duì)位移的影響可以三種方式產(chǎn)生□順彈性相互作用這種晶格參數(shù)效應(yīng)是由于雜質(zhì)原子與矩陣原子相比具有不同的原子尺寸，其構(gòu)入晶格之中引起應(yīng)力?！踅閺椥韵嗷プ饔眠@種剪切模量效應(yīng)將其相互作用建立在位移的能量與剪切模量G成正比的基礎(chǔ)上?！趸瘜W(xué)相互作用這種也稱作鈴木效應(yīng)(Suzuki-Effekt)的機(jī)理基于層錯(cuò)的能量與組成有關(guān)的事實(shí)。除了調(diào)質(zhì)工藝的影響量之外，這里相關(guān)的薄壁軋制鋼的特性也會(huì)受到表面形貌的決定性影響。利用常規(guī)技術(shù)手段達(dá)不到幾何上理想的即完全光滑的表面，但是可以產(chǎn)生單獨(dú)的外形偏差進(jìn)行特定疊加(粗糙度和波紋深度)的工藝表面。冷軋是一種約束性變形 (均勻的變形狀態(tài))。在此，經(jīng)過(guò)除鱗、酸洗后的熱帶材的無(wú)定向表面隨著軋制道次的增加而定向產(chǎn)生紋理化帶材，取決于軋輥與軋材之間的相對(duì)速度。在專用機(jī)座上的軋制道次，使得鋼材表面平整。視產(chǎn)品而定，粗糙度減小率在 60 90%之間。這取決于材料的初始粗糙度、軋制粗糙度以及形變阻力。隨著道次數(shù)的增加，表面粗糙度趨向于某一個(gè)極限值。用于調(diào)整所需形貌的變量參數(shù)尤其是輥縫幾何圖形、 壓力分布、軋制速度和帶鋼張力。在此作為變形工具的工作輥對(duì)帶鋼表面有決定性的影響， 其表面外形隨軋制過(guò)程而變化。新安裝的軋輥的磨削結(jié)構(gòu)能順利地工作，開始時(shí)平整作用特別強(qiáng)，之后逐漸達(dá)到特定極限值。使用按照上述制造參數(shù)生產(chǎn)的彈簧帶鋼即使在載荷循環(huán)數(shù)很高的情況下也能達(dá)到優(yōu)異的彈簧特性。因此這些材料廣泛用于所述的特殊應(yīng)用。但是結(jié)果表明，對(duì)于在極高的負(fù)荷范圍內(nèi)只有很小的帶材厚度的收卷彈簧的彈簧材料，例如生產(chǎn)用于牽狗繩的收卷彈簧時(shí)允許典型帶材厚度范圍為0. 10 0. 19mm，在所產(chǎn)生的組織中形成的組織成分中應(yīng)不大于約20 μ m,因此小于彈簧鋼帶的大約1/5帶材厚度。 此外，如果組織成分或者夾雜物較大，就會(huì)出現(xiàn)夾雜物或組織成分的缺口效應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致帶鋼破壞。如果在上述常規(guī)生產(chǎn)所需板厚的相應(yīng)彈簧材料的情況下，則很難保證實(shí)現(xiàn)這種細(xì)顆粒組織。因此本發(fā)明的任務(wù)在于，對(duì)冷軋紋理化帶鋼這樣進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，使得即使在帶材厚度很小的情況下，也能保證可靠避免由于組織成分太大引起的缺口效應(yīng)而形成裂紋， 并且材料特性與已知的紋理化軋制帶鋼相比不惡化，任選地甚至改善。采用權(quán)利要求1以及前序所述的特征，即可解決本發(fā)明所述的任務(wù)。由從屬權(quán)利要求獲得本發(fā)明的其它有益實(shí)施形式。本發(fā)明涉及冷軋?zhí)间?，含?重量％ )碳0.63- 0.85%
硅最多0.40%
錳0.20- 0.90%
碑最多0. 035%
硫最多0. 035%
鋁最多0. 060%
鉻最多0.40%
氮0. 003- 0. 010%,優(yōu)選 0. 005 ~ 0. 008% 最多為0.12%的至少一種元素
綠的鐵以·煉引起的雜質(zhì)。通過(guò)所述至少一種微合金元素達(dá)到組織細(xì)化，從而可靠避免在組織中出現(xiàn)缺陷， 尤其在用于薄彈簧帶時(shí)防止缺口效應(yīng)，同時(shí)達(dá)到材料強(qiáng)度提高，以及改善材料可達(dá)到的延展性以及由此的可變形性?？梢钥紤]單獨(dú)使用或者組合使用鈦Ti、鈮Nb或者釩V，任選地還有鋯ττ作為微合金元素，根據(jù)將精細(xì)分布的碳化物和氮化物結(jié)合的必要性來(lái)得出合金份額的上限，并且根據(jù)調(diào)節(jié)用時(shí)效硬化得出合金份額的下限。試驗(yàn)結(jié)果表明，微合金元素的總含量應(yīng)為碳鋼的0. 02 0. 12重量％之間，以便實(shí)現(xiàn)所述的有益組織構(gòu)造。然而在制備熱軋鋼時(shí)已知的是，添加促使所產(chǎn)生的組織的晶粒尺寸減小的合金成分。例如添加使得經(jīng)過(guò)熱軋并且隨后冷卻的鋼形成細(xì)晶粒組織的合金元素。相反，熱軋是一種用于將例如范圍250mm的較大的板材厚度處理成大約Imm以下板材厚度的加工方法。通常無(wú)法借助熱軋法形成更小的板材厚度，因?yàn)闊o(wú)法將在單個(gè)軋制通道之間的較薄的板材保持在通常高于720°C的熱軋溫度。因此這類微合金熱軋鋼的使用僅限于來(lái)生產(chǎn)厚度尺寸比較大的鋼產(chǎn)品。由于熱軋鋼組織的變形特性在很寬的范圍內(nèi)不同于冷軋鋼，并且由于較高的熱活化作用而在熱軋鋼的加熱和冷卻過(guò)程中出現(xiàn)的組織變化，使得將此類微合金鋼用于熱軋不能滿足這里所述的要求，尤其是關(guān)于上述核心作用以及所需表面特性的要求。令人驚奇地表明，本發(fā)明所組成的具有所產(chǎn)生的小片層狀珠光體組織(索氏體)的專用于冷軋的鋼以典型方式滿足關(guān)于強(qiáng)度提高、改善可達(dá)到的材料延展性和因此可變形性的要求，并且滿足關(guān)于以此制成的彈簧構(gòu)件可達(dá)到的載荷循環(huán)次數(shù)和所需表面質(zhì)量的使用特性要求。 通過(guò)本發(fā)明所述的組織細(xì)化，就能以質(zhì)量特別優(yōu)異而且經(jīng)濟(jì)的方式在所要求的厚度尺寸實(shí)現(xiàn)這些特性。調(diào)質(zhì)強(qiáng)度和變形硬化之和決定了紋理化軋制鋼的最終強(qiáng)度。含量最多為0. 12重量％的微合金元素的合金含量在此應(yīng)通過(guò)時(shí)效和晶粒細(xì)化作用提高強(qiáng)度和韌性，從而改善或提高由此制得的彈簧的功能和使用壽命，尤其可提高載荷循環(huán)次數(shù)。化學(xué)分析原則上相當(dāng)于當(dāng)今已經(jīng)使用的標(biāo)準(zhǔn)化的并提及的鋼質(zhì)，如鋼質(zhì)C60S C80S或者類似鋼質(zhì)，但是單獨(dú)或者組合添加釩、鈮或者鈦，任選地，還有鋯作為微合金成分。釩與鈮和鈦類似，可在晶粒中和晶界上形成細(xì)微分布的氮化物、碳化物或者碳氮化物(最有效的粒子間距5 lOnm)。釩在Y -區(qū)是可溶解的，有時(shí)效硬化和晶粒細(xì)化作用。
此外有利的是，以60 90%的冷壓縮程度對(duì)碳鋼進(jìn)行冷軋過(guò)程，以達(dá)到組織成分的所需取向。這種碳鋼優(yōu)選作為紋理化軋制彈簧帶鋼的材料，用來(lái)生產(chǎn)機(jī)動(dòng)車安全帶、可收卷的卷尺、電纜收線器的卷收元件或者牽狗繩的卷收元件，或者用來(lái)生產(chǎn)許多其它不同的半成品禾口成品。附

圖1為本發(fā)明所述碳鋼的一種示例組成，定性表示一方面取決于冷軋帶鋼和另一方面取決于冷軋與回火帶鋼的厚度變化的硬化曲線?？梢钥闯?，材料的強(qiáng)度隨著冷壓縮程度的增加而升高，當(dāng)帶材厚度為0. Imm時(shí)，強(qiáng)度大約為M50N/mm2)。
權(quán)利要求
1.冷軋?zhí)间摚绕涫翘间揅80或者C80S，以重量％計(jì)含有 碳 0.63- 0.85%硅最多0. 40%錳0.20- 0.90%辨最多0. 035%疏最多0.035%鋁最多0. 060%鉻最多0.40%氮0. 003 ~ 0. 010%,優(yōu)選為 0. 005 ~ 0. 008% M最多為0.12%的至少一種微合金元素余量的鐵以雄煉弓]起的雜質(zhì).
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼，其特征在于，含有0.02 0. 12重量％、優(yōu)選為0. 05 0. 10重量％的鈦Ti作為微合金元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼，其特征在于，含有0.02 0. 12重量％、優(yōu)選為0. 05 0. 10重量％的鈮Nb作為微合金元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼，其特征在于，含有0.02 0. 12重量％、優(yōu)選為0. 08 0. 10重量％的釩V作為微合金元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼，其特征在于，含有0.02 0. 12重量％、優(yōu)選為0. 08 0. 10重量％的鋯Ir作為微合金元素。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的碳鋼，其特征在于，含有多于一種的微合金元素鈦、鈮、釩或者鋯，且總含量為0. 02 0. 12重量％。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的碳鋼，其特征在于，所述碳鋼在冷軋之后具有介于MOO 3000MPa之間的抗拉強(qiáng)度。
8.生產(chǎn)權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)的紋理化軋制彈簧帶鋼的方法，其特征在于，冷軋過(guò)程具有介于60 99%之間的冷壓縮程度。
9.權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)所述的碳鋼作為紋理化軋制彈簧帶鋼的材料的用途，用于生產(chǎn)汽車安全帶、可收卷的卷尺、電纜收線器的卷收元件或者牽狗繩的卷收元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種冷軋?zhí)间摚?重量％)0.63～0.85％碳，最多0.40％硅，0.20～0.90％錳，最多0.035％磷，最多0.035％硫，最多0.060％鋁，最多0.40％鉻，0.003～0.010％且優(yōu)選為0.005～0.008％的氮，含量最多為0.12％的至少一種微合金元素，余量鐵和熔煉引起的雜質(zhì)?？梢允褂免?、鈮、釩和鋯作為微合金元素。這種碳鋼能夠以很高的冷壓縮程度冷軋成為紋理化軋制帶鋼，并且尤其可用作用于收卷彈簧或者其它具有彈簧特性的構(gòu)件的材料。
文檔編號(hào)F16F1/04GK102356174SQ201080009678
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2010年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月26日
發(fā)明者D·威爾米斯, H·布登伯格, H-T·朱尼爾斯, M·赫爾曼 申請(qǐng)人:C.D.威爾斯有限公司