CN102356174B - 作为纹理化轧制带钢尤其用于弹簧元件的微合金碳钢 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷轧碳钢，含有(重量％)：0.63～0.85％碳，最多0.40％硅，0.20～0.90％锰，最多0.035％磷，最多0.035％硫，最多0.060％铝，最多0.40％铬，0.003～0.010％且优选为0.005～0.008％的氮，含量最多为0.12％的至少一种微合金元素，余量铁和熔炼引起的杂质。可以使用钛、铌、钒和锆作为微合金元素。这种碳钢能够以很高的冷压缩程度冷轧成为纹理化轧制带钢，并且尤其可用作用于收卷弹簧或者其它具有弹簧特性的构件的材料。

Description

作为纹理化轧制带钢尤其用于弹簧元件的微合金碳钢

本发明涉及作为纹理化轧制带钢的、尤其是用于弹簧的碳钢，其是冷轧碳钢，尤其是碳钢C80或者C80S，以重量％计含有：碳0.63～0.85％，硅最多0.40％，锰0.20～0.90％，磷最多0.035％，硫最多0.035％，铝最多0.060％，铬最多0.40％，氮0.003～0.010％，含量最多为0.12％的至少一种微合金元素，余量的铁以及熔炼引起的杂质。

在工业应用领域通常将带钢用来生产弹簧材料，尤其是可收卷的弹簧。此类弹簧例如可用于汽车安全带之中，作为可收卷的卷尺、电缆收线器的材料，也可作为牵狗绳的收卷元件，以及用于许多其它应用之中。

现有技术是以线材或带材为原料生产此类收卷弹簧，通常要对基于马氏体的带钢进行常规调质处理，或者通过等温转变为细条状珠光体组织，然后冷成形(所谓的纹理化轧制带钢)来进行。为此通常使用非合金钢。所谓纹理化轧制带钢指的是在最终状态下具有显著压印纹理，即，晶体取向的所有带钢，尤其是弹簧带钢。这种晶体取向导致改善弹簧特性，减小由于腐蚀或者垂直于晶体取向的机械损害引起的断裂危险。通常采用对材料通过辊轧进行强冷变形的方式，或者通过没有中间退火的拉伸方式产生这种纹理。

首先使得预轧带(例如厚度1.5mm)在约850℃的连续式调质设备中奥氏体化(使碳溶解)，然后在约450～500℃的铅浴中淬火并且停留在其中的时间长至等温转变完全实现。将所产生的小片层状珠光体组织根据英国发现者称作索氏体或者索氏体化组织。良好的索氏体化组织具有大约0.1μm片层间距。索氏体的条纹化越细并且渗碳体层的间距越小，则索氏体化强度越高。

在随后主要反向进行的冷轧过程中，不仅在珠光体的铁素体层中，而且也在渗碳体层中出现显著变形。变形的后果是在片层平行于轧制方向排列的组织区域中片层间距减小。而在垂直于轧制方向的组织区域中则相反，片层首先呈波浪形弯曲，并且在较大形变的情况下甚至会呈发夹形弯曲。一旦所有组织区域(弯曲部位除外)以这种方式平行于轧制方向排列，就会存在纯纤维结构。

以下将从冶金学角度解释这种耗费且复杂的制造过程。钢在变形过程中受到限制，因为钢必须整体变形，而不分解成单个的晶粒。因此每一个晶粒均必须参与变形，并且每一个晶粒均必须将这种变形与其相邻晶粒协调，才使得沿着其晶界牢固结合成为可能。但是带钢的晶粒具有不同的取向。当通过轧制过程对这些晶粒施加外部应力时，那些具有有利取向的滑动系统、也就是具有所谓高施密特系数(外界施加的拉应力和压应力σ和作用于滑动平面中的剪切应力T之间的换算系数)的晶粒就已发生变形，而在取向不太有利的其它晶粒中则还没有达到临界剪切应力。因此单个晶粒的变形导致未塑性变形的周围环境不参与的形变。变形弹性上受到抑制，这可能导致高内部应力，最终也会在相邻晶粒中达到临界剪切应力。只有当带钢的所有晶粒均塑性变形时，才会达到材料的屈服点。

除了上述通过冷轧方式提高强度的机理之外，还可以利用通过所谓固溶体硬化来提高强度。这是合金原子与导致阻碍相互作用的位移相互作用的结果。杂质原子对位移的影响可以三种方式产生：

□顺弹性相互作用：这种晶格参数效应是由于杂质原子与矩阵原子相比具有不同的原子尺寸，其构入晶格之中引起应力。

□介弹性相互作用：这种剪切模量效应将其相互作用建立在位移的能量与剪切模量G成正比的基础上。

□化学相互作用：这种也称作铃木效应(Suzuki-Effekt)的机理基于层错的能量与组成有关的事实。

除了调质工艺的影响量之外，这里相关的薄壁轧制钢的特性也会受到表面形貌的决定性影响。利用常规技术手段达不到几何上理想的即完全光滑的表面，但是可以产生单独的外形偏差进行特定叠加(粗糙度和波纹深度)的工艺表面。冷轧是一种约束性变形(均匀的变形状态)。在此，经过除鳞、酸洗后的热带材的无定向表面随着轧制道次的增加而定向产生纹理化带材，取决于轧辊与轧材之间的相对速度。

在专用机座上的轧制道次，使得钢材表面平整。视产品而定，粗糙度减小率在60～90％之间。这取决于材料的初始粗糙度、轧制粗糙度以及形变阻力。随着道次数的增加，表面粗糙度趋向于某一个极限值。用于调整所需形貌的变量参数尤其是辊缝几何图形、压力分布、轧制速度和带钢张力。在此作为变形工具的工作辊对带钢表面有决定性的影响，其表面外形随轧制过程而变化。新安装的轧辊的磨削结构能顺利地工作，开始时平整作用特别强，之后逐渐达到特定极限值。

使用按照上述制造参数生产的弹簧带钢即使在载荷循环数很高的情况下也能达到优异的弹簧特性。因此这些材料广泛用于所述的特殊应用。

但是结果表明，对于在极高的负荷范围内只有很小的带材厚度的收卷弹簧的弹簧材料，例如生产用于牵狗绳的收卷弹簧时允许典型带材厚度范围为0.10～0.19mm，在所产生的组织中形成的组织成分中应不大于约20μm，因此小于弹簧钢带的大约1/5带材厚度。此外，如果组织成分或者夹杂物较大，就会出现夹杂物或组织成分的缺口效应，可能会导致带钢破坏。如果在上述常规生产所需板厚的相应弹簧材料的情况下，则很难保证实现这种细颗粒组织。

因此本发明的任务在于，对冷轧纹理化带钢这样进行进一步改进，使得即使在带材厚度很小的情况下，也能保证可靠避免由于组织成分太大引起的缺口效应而形成裂纹，并且材料特性与已知的纹理化轧制带钢相比不恶化，任：选地甚至改善。

采用开篇所述冷轧碳钢的特征，即可解决本发明所述的任务。由从属权利要求获得本发明的其它有益实施形式。

本发明涉及冷轧碳钢，含有(重量％)

通过所述至少一种微合金元素达到组织细化，从而可靠避免在组织中出现缺陷，尤其在用于薄弹簧带时防止缺口效应，同时达到材料强度提高，以及改善材料可达到的延展性以及由此的可变形性。可以考虑单独使用或者组合使用钛Ti、铌Nb或者钒V，任选地还有锆Zr作为微合金元素，根据将精细分布的碳化物和氮化物结合的必要性来得出合金份额的上限，并且根据调节用时效硬化得出合金份额的下限。试验结果表明，微合金元素的总含量应为碳钢的 0.02～0.12重量％之间，以便实现所述的有益组织构造。

然而在制备热轧钢时已知的是，添加促使所产生的组织的晶粒尺寸减小的合金成分。例如添加使得经过热轧并且随后冷却的钢形成细晶粒组织的合金元素。相反，热轧是一种用于将例如范围250mm的较大的板材厚度处理成大约1mm以下板材厚度的加工方法。通常无法借助热轧法形成更小的板材厚度，因为无法将在单个轧制通道之间的较薄的板材保持在通常高于720℃的热轧温度。因此这类微合金热轧钢的使用仅限于来生产厚度尺寸比较大的钢产品。由于热轧钢组织的变形特性在很宽的范围内不同于冷轧钢，并且由于较高的热活化作用而在热轧钢的加热和冷却过程中出现的组织变化，使得将此类微合金钢用于热轧不能满足这里所述的要求，尤其是关于上述核心作用以及所需表面特性的要求。令人惊奇地表明，本发明所组成的具有所产生的小片层状珠光体组织(索氏体)的专用于冷轧的钢以典型方式满足关于强度提高、改善可达到的材料延展性和因此可变形性的要求，并且满足关于以此制成的弹簧构件可达到的载荷循环次数和所需表面质量的使用特性要求。通过本发明所述的组织细化，就能以质量特别优异而且经济的方式在所要求的厚度尺寸实现这些特性。

调质强度和变形硬化之和决定了纹理化轧制钢的最终强度。含量最多为0.12重量％的微合金元素的合金含量在此应通过时效和晶粒细化作用提高强度和韧性，从而改善或提高由此制得的弹簧的功能和使用寿命，尤其可提高载荷循环次数。

化学分析原则上相当于当今已经使用的标准化的并提及的钢质，如钢质C60S～C80S或者类似钢质，但是单独或者组合添加钒、铌或者钛，任选地，还有锆作为微合金成分。

钒与铌和钛类似，可在晶粒中和晶界上形成细微分布的氮化物、碳化物或者碳氮化物(最有效的粒子间距：5～10nm)。钒在γ-区是可溶解的，有时效硬化和晶粒细化作用。

此外有利的是，以60～90％的冷压缩程度对碳钢进行冷轧过程，以达到组织成分的所需取向。

这种碳钢优选作为纹理化轧制弹簧带钢的材料，用来生产机动车安全带、可收卷的卷尺、电缆收线器的卷收元件或者牵狗绳的卷收元件，或者用来生产许多其它不同的半成品和成品。

附图1为本发明所述碳钢的一种示例组成，定性表示一方面取决于冷轧带钢和另一方面取决于冷轧与回火带钢的厚度变化的硬化曲线。可以看出，材料的强度随着冷压缩程度的增加而升高，当带材厚度为0.1mm时，强度大约为2450N/mm²)。

Claims (13)

1.冷轧碳钢，以重量％计含有：

含量大于0％且最多为0.12％的至少一种选自Ti、V和Zr的微合金元素，

余量的铁以及熔炼引起的杂质，

其中所述碳钢在冷轧之后具有介于2400～3000MPa之间的抗拉强度，

所述碳钢含有0.02～0.12重量％的铌Nb作为微合金元素，和

所述碳钢为厚度为0.10～0.19mm的碳钢带材。

2.根据权利要求1所述的冷轧碳钢，其是碳钢C80或者C80S。

3.根据权利要求1所述的冷轧碳钢，其特征在于，以重量％计含有0.005～0.008％的氮。

4.根据权利要求1所述的冷轧碳钢，其特征在于，含有0.02～0.12重量％的钛Ti作为微合金元素。

5.根据权利要求1所述的冷轧碳钢，其特征在于，含有0.05～0.10重量％的钛Ti作为微合金元素。

6.根据权利要求1所述的冷轧碳钢，其特征在于，含有0.05～0.10重量％的铌Nb作为微合金元素。

7.根据权利要求1所述的冷轧碳钢，其特征在于，含有0.02～0.12重量％的钒V作为微合金元素。

8.根据权利要求1所述的冷轧碳钢，其特征在于，含有0.08～0.10重量％的钒V作为微合金元素。

9.根据权利要求1所述的冷轧碳钢，其特征在于，含有0.02～0.12重量％的锆Zr作为微合金元素。

10.根据权利要求1所述的冷轧碳钢，其特征在于，含有0.08～0.10重量％的锆Zr作为微合金元素。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的冷轧碳钢，其特征在于，含有多于一种的微合金元素钛、铌、钒或者锆，且总含量为0.02～0.12重量％。

12.生产权利要求1～11中任一项的冷轧碳钢的方法，其特征在于，冷轧过程具有介于60～99％之间的冷压缩程度。

13.权利要求1～11中任一项所述的冷轧碳钢作为纹理化轧制弹簧带钢的材料的用途，用于生产汽车安全带、可收卷的卷尺、电缆收线器的卷收元件或者牵狗绳的卷收元件。