CN1024025C - 用于生产弹性极限值优越并具有双重结构之高强不锈钢的方法 - Google Patents

Abstract

弹簧特性优异且可成型性良好的一种不锈钢带的生产方法，其中将除含Fe外尚含有10.0～20.0%(重量)的Cr，0.10～0.15%(重量)的c以及0.1～4.0%(重量)的至少是Ni、Mn与Cu中的一种之冷轧不锈钢带，连续地通过一连续式热处理炉，加热到铁素体与奥氏体的双相温区后急冷，来提供一种基本上由铁素体与马氏体组成的双重结构带，必要时于不超过10%的压延率下硬化冷轧，并连续地通过一连续式热处理炉进行不超过10分钟的时效处理。

Description

本发明涉及到，用于生产实质上是由铁素体与马氏体组成之双重结构的高强不锈钢带的工业方法，此种不锈钢带具有优越的弹性极限值。按照本发明之方法制造出的产品是一种新颖的不锈钢带，主要用来生产薄型板簧以及盘簧之类的弹簧。此项产品是能以带状形式大规模生产，并以原生带（盘带）的形式或由之切割成的板件形式运到市场。由于这样的带和板业已具有必须的供最终使用目的的弹簧特性，故由之形成的弹簧不需特殊的热处理。

日本工业标准（JIS）G4313号已为弹簧制定了四类不锈钢标准。它们是奥氏体SUS301-CSP，奥氏体SUS304-CSP，马氏体SUS420J2-CSP以及可沉淀硬化的SUS631-CSP。

上述的奥氏体不锈钢带SUS301-CSP与SUS304-CSP，是要通过冷轧来加工硬化去增强，而且，按照硬化冷轧的程度（压延率），存在有标准化的4种SUS301-CSP和三种SUS304-CSP。这种弹簧用的奥氏体不锈钢带，在冷轧过的状态下从钢铁制造厂输送到弹簧制造厂，在这里加工成所需的弹簧形式，并在有需要进一步提高弹簧性能时，使之再在约400℃下进行1小时的时效处理。

马氏体不锈钢带SUS420J2-CSP是要通过淬火与回火来提高其硬度（强度），以取得弹簧特性。在多数情况下，此种用作弹簧的马氏体不锈钢，是在冷轧和退火过的状态下从钢铁制造厂输送到弹簧制造厂，在这里加工成所需的弹簧形式，然后经淬火与回火处理。

可沉淀硬化的不锈钢带SUS631-CSP，除了那种SUS631-CSP-O的是在经溶液处理过的状态下从钢铁制造厂输送到弹簧制造厂之外，都是在冷轧的状态下从钢铁制造厂送到弹簧制造厂的，这与奥氏体不锈钢带的情形相同，并在弹簧制造厂加工成所需的弹簧形式，然后经沉淀硬化来提高弹簧特性。顺便指出，在用作弹簧的各类可沉淀硬化的不锈钢带中，除了JIS所规定的SUS631-CSP外，都已商品化。

在奥氏体与可沉淀硬化的供作弹簧用的不锈钢中，随着硬化冷轧压延率的增加，也改进了硬度与弹性极限值。此外，硬化冷轧压延率的百分比越高，经时效或沉淀硬化处理后能达到的硬度与弹性极限值也越高。

因此，为了提高弹簧特性，必须提高冷轧压延率，但是，通过冷轧来提高弹性极限值时，此值在带的压延方向（LD）上大于与其垂直的方向（TD）上，这样就提出了一个各向异性的问题：弹性极限值在上述两个方向上的差是不得随着冷轧压延率的增加而增加的，因而便常常限制了从此种带来制取弹簧时的取向。

此外，当要求具有高弹性极限值而厚度不超过0.3mm的超薄板时，就必须制备具有很高冷轧压延率的这类超薄板。但是，要对SUS301-CSP， SUS304-CSP或SUS631-CSP之类可高度加工硬化的材料，通过冷轧来制备外形良好的宽广超薄板带，在技术上并非易事。

对用作弹簧的马氏体不锈钢来说，问题在于：由于Cr含量低，从12.00%至14.00%，使抗侵蚀性未能令人完全满意，由于C含量高（从0.26%至0.40%）而造成的低弹限强度，使可加工性不能令人满意。

除了以上所论问题之外，已知的用作弹簧的不锈钢所共有的最严重问题在于，为了获得理想的弹簧特性，从已知的不锈钢带用机械方法加工成最终弹簧件所需外形的制品，必须在弹簧制造商一方加以处理，在奥氏体不锈钢带的情形要进行时效处理，在马氏体不锈钢带的情形要经过淬火与回火处理，而在可沉淀硬化的不锈钢带情形则需加以沉淀硬化处理。加工成所需外形之制品的这样的分批热处理，必须加大制造成本。

迄今，除了采用某些奥氏体不锈钢带和不需特别高的弹簧特性的情形，为了提高弹簧特性，基本上是考虑对加工成最终弹簧所需外形之制品进行前述的热处理。要是在这种带材机加工成弹簧形状之前来进行上述的热处理，结果就会得到一种强度与硬度都过份了的带材，而难以机加工或冲压成弹簧所需的外形，因而一般是不会在加工之前进行热处理的。

要是能够稳定地生产如下的一种不锈钢带，包括超薄的一种在内，则以上讨论到的问题可以立即解决，这种带材具有能机加工成弹簧所需外形之制品的一种优良的可成形性，这样加工成的制品不需附加任何热处理就具有优异的弹簧特性，而这样的弹簧特性（弹性极限值）在平面内基本上是各向同性的。本发明解决这些问题的方法，在于提供一种用来生产弹性极限值优异具有双重结构之高强不锈钢带的方法，此方法包括：

传统的热轧与冷轧工序，用以提供一种冷轧的不锈钢带，后者的基本成分除Fe之外，按重量计，包括10.0～20.0%的Cr;0.01～0.15%的C，Ni、Mn与Cu中的至少一种，含量为0.1～4.0%;

用来形成双重结构的热处理工序，在此工序中，经冷轧的带材连续地通过一连续式热处理炉，并在其中加热到铁素体与奥氏体双相区的温度，然后将此已加热的带材急冷来形成一种基本上是由铁素体与马氏体组成的双重结构的带;

有选择性的工序，用来在冷轧压延率不超过10%的条件下，对上述的双重结构进行硬化冷轧;以及

一不超过10分钟的连续性时效处理工序，其中使上述双重结构带连续地通过一连续式热处理炉。下面简单说明本发明的附图;

图1为曲线图，将本发明中双重结构高强不锈钢上硬度（HV，威氏硬度值）与弹性极限值σe的关系，与市售的用作弹簧的奥氏体不锈钢SUS301-CSP的这种关系作了比较;

图2为曲线图，表明了本发明中双重结构高强不锈钢上弹性极限值相对于时效处理时间的关系。

本发明人等中的某些曾提出过生产基本上由铁素体与马氏体组成之双重结构的高延伸率与高强的铬不锈钢带材或板材;而其延伸率与强度在平面中的各向异性减少了，其中，首先将铬不锈钢中合金成分的元素作适当的控制，通过常规的热轧、退火与冷轧而获得一冷轧的铬不锈钢带或板，对此，不用通常那种在铁素体单相区温度下的加工退火，而是进行包括加热到铁素体与奥氏体双相区的温度范围的热处理，然后急冷（见JP    A63-7338，JP    A63-169330，JP    A63-169331，JP    A63-168332，JP    A63-169333，JP    A63-169334与JP    A63-169335）。对于双重结构的高强不锈钢带，本发明人等进一步作了调研工作，找到了一种可以解决几乎所有前述的与先有技术中用作弹簧之不锈钢带相关的问题。

本发明将通过若干典型的实验结果来描述。

制备了化学成分如表1所示的三种钢A、B与C各自的钢水，将其制成厚3.6mm的热轧带，在780℃温度下于一炉中退火，经6小时均热处理后让其在此炉中冷却，经酸洗并冷轧到1.0mm的厚度，在800℃下均热1分钟进行中间退火，冷轧成厚0.3mm的带，然后进行形成铁素体与马氏体双重结构的连续热处理，后面将把它简称作热处理。

从这样制备的各种双重结构的不锈钢带上取样来测试其硬度与弹性极限值σe。进一步将样品在下述条件下作时效处理后再测试其硬度与弹性极限值σe。这里用作为弹簧特性测度的弹性极限值σe一般定义为，导致一与3.677×E/10⁴（MPa）最 大表面弯曲应力所引起的弹性变形相当之永久变形的最大应力，此值可据JIS    H3130作重复弯折试验来测定。

图1表示了在LD（压延方向）与TD（垂直于压延方向的方向）上的弹性极限值σe，与钢种A、B、C在（1）经热处理（用以形成双重结构）和（2）经热处理加时效处理（500℃，1分钟）的条件下的表面硬度（HV）两者间的关系。作为比较，对于市售的奥氏体不锈钢带SUS301-CSP，将其在400℃一小时的时效处理前后的弹性极限值，分别以虚线（时效处理前的冷轧形式）和实线（时效处理后）示明于同一图中。

图1表明，在热处理过状态（时效处理前）下的双重结构钢具有约294-490MPa的弹性极限值σe，与SUS301-SP在LD中的近似相同;当此类双重结构钢经500℃下1分钟的短时间时效处理后，尽管硬度值略有增加（基本上没有变化），但弹性极限值σe却剧增;当于相同硬度级下比较时，在热处理过并经时效处理过条件下的双重结构钢，它所显示的弹性极限值σe至少是经时效处理的SUS301-CSP的两倍，这说明按照本发明方法制得的产品具有优越的弹簧特性。图1还表明，此类双重结构钢的LD与TD上σe值之间的差至多约为98.1MPa，远小于SUS301-CSP的，也就是说，此类双重结构钢在平面上的各向异性性质减小。

此外，与奥氏体的和可沉淀硬化的不锈钢带中的情形相同，在这类双重结构钢中，硬度值愈高则弹性极限值也愈高，而且对于较高的硬度时，经时效处理后σe值也提高得越大。

从热处理后的双重结构不锈钢带上取下一厚度为0.3mm的样品，于400℃温度下经不等均热时间的时效处理，并测试其弹性极限值σe。图2表明此种均热时间对弹性极限值σe的影响。

图2表明，对各种钢来说，弹性极限值σe在一段短的时间内急剧增加，大约在1分钟后即几乎达到饱和值，而在约10分钟后没有显示出有实质性的加大。

图1与2中所示的结果至关重要，说明了本发明之方法能给出下述一些有实用性的优点。

（1）通过对双重结构钢作时效处理，在强度相同的基础上，能够获得远比通常奥氏体不锈钢等所能实用的为高的弹性极限值。换一种方式说，为了获得作弹簧用的通常材料能够达到的相同水平的弹簧特性，只须采用一种强度（硬度）较前者的远低的双重结构钢就可以了，这也表明了双重结构钢在成形性（易于加工和冲压）上的优点。除此，这种双重结构钢经时效处理后不会显著增加强度。因此，对于本申请中所设计的材料，是不会在它的可成形性上出现严重问题的，那怕是在要将它通过机加工形成最终弹簧件所需形状之前进行过时效处理也无妨碍。

（2）由于这种双重结构钢的弹性极限值能通过对该材料作短时间的时效处理而提高，因而在钢铁制造厂一方能将此种材料以带的形式进行连续性的时效处理，免掉弹簧制造厂一方进行昂贵的分批热处理的负担。

（3）由于本发明的方法并不是根据通过轧制来提高强度的原理，因而易于产生具有优良外形的带材。

（4）由于依据本发明之方法所生产的带材减小了弹簧特性在平面上的各同异性性质，就不需对从此带材上加工出弹簧件的方向进行限制。

于是可以说，通过本发明之方法所生产的高强的双重结构不锈钢带，已解决了与作弹簧用的通常不锈钢带相关联的基本上是所有的问题。

本申请提出的这种钢材的基本成分除Fe之外，按重量计，包括10.0～20.0%的Cr，0.01～0.15%的C，Ni、Mn与Cu中的至少一种，含量为0.1～4.0%。

所含有Cr量至少要有10.0%，以实现不锈钢所要求的抗侵蚀能力。但是，随着Cr含量的增加，一方面，Ni、Mn与Cu之类奥氏体形成剂用来最终形成奥氏体以实现高强度所需的量也要增加;另一方面，此种材料的弹限强度便降低了。因此，Cr量的上限这里确定为20.0%。

C是一种很强的奥氏体形成剂，不仅用来增加最终形成之马氏体的数量，还能通过它溶解于马氏体相与铁素体相之中，来有效地增强这两者。对于通过时效处理来提高弹性极限值，C也是一种重要的元素。为了实现上述效果0.01%的C是绝对必须的。但要是C量过多，则在包括有加热到铁素体与奥氏体两相区温度范围和急冷这两道工序在内的热处理过程中，于加热工序中溶解的碳化铬在急冷 工序中就会沉淀到铁素体或奥氏体（急冷之后成为马氏体）的晶粒界面之中，而在此粒面附近便形成了Cr匮乏层（即所谓敏化现象），使材料的抗侵蚀能力明显降低。为此，C量最好控制到不超过0.15%，这当然还要视包括Cr、Ni、Mn与Cu等其它元素的颗粒量而定。

Ni、Mn与Cu能够减少所需的C量，用以避免因C引起的上述敏化现象，它们还是些有效的奥氏体形成剂，作为C的代用物，在高温时来形成铁素体与马氏体的双相结构。随着Ni、Mn与Cu量的增加，最终形成的马氏体量（在高温时形成的奥氏体量）也增加，因而便提高了材料的强度（硬度）。为了求得这样的效果，至少需用0.1%的Ni、Mn或Cu。另一方面，又要避免这些元素的量过多，不然，最终形成的马氏体量就会增加，通常达到100%，而使材料的延伸性减弱。Mn、Ni与Cu中各自的上限这里确定为4.0%。

在适用于本申请目的之钢中，需对合金元素加以调节，使此种钢能在高温时显示出铁素体与奥氏体的双相结构。为了解决与用作弹簧的通常不锈钢有关的前述种种问题，至关重要的是实现此种钢的基础性的双重结构与时效处理性质，以取得所需的弹簧特性。为此目的，要求至少对C、Cr、Ni、Mn与Cu按上述规定控制。就不妨碍这种钢的基础性结构与性质而论，这里所用的钢必须包括适用于不同目的的其它元素，例如Mo可用来进一步提高抗侵蚀能力，Y或REM（稀土金属）可用来改进抗氧化性，而B、V、Al和其它一些元素则可用于相应的种种目的，而对这些元素的用量则要加以控制。能够适用于这里的钢可以包括最高达2.50%的Mo，最高达0.20%的Y，最高达0.10%的REM，最高达0.20%的V，最高达0.0050%的B和/或最高达0.20的铝。

在形成双重结构的热处理中，应将上述组成的冷轧带材加热到铁素体与奥氏体的双相区。为利于这里所用的钢材，形成铁素体与奥氏体双相结构的最低温度一般是在从600℃至900℃的范围内，而用来形成铁素体与奥氏体双相结构的上限温度，一般是在从1200℃到1450℃的范围内。

当这种钢加热到铁素体与奥氏体双相区的温度范围时，在短时间内就使所形成的奥氏体相达到了平衡态的数量。一般地说，加热不到10分钟就足够了。这一事实使此种钢能以带状作连续的热处理，而从生产率的制造成本方面参考是很有利的。

热处理中的冷却速率应足以使奥氏体转变为马氏体。具体地说，可采用1～1000℃/秒的冷却速率。当奥氏体业已转变成马氏体后，冷却速率就不是关键的了。

在本发明的方法中，连续性时效处理工序对于获得优异弹簧特性至关重要。此种时效处理最好是在300～650℃范围内进行。要是时效处理温度显著地低于300℃，则不能使弹簧特性得到令人满意的改进。另一方面，要是将材料在显著高于650℃的温度下进行时效处理，则在此热处理终结时，固态的双重结构相就会过饱和，常有可能作为碳化铬而沉淀于晶粒界面与晶粒之内，对材料的强度与弹簧性质超到不利的影响，特别是那些已然沉淀于晶粒界面内的碳化铬将导致所谓敏化效应，降低材料的抗侵蚀能力。

如图2所示，在此种时效处理过程中，弹性极限值于短时间内激剧增加，而在10分钟后达到饱和态。因此，不超过10分钟的时效处理就已足够。在时间上只需要这么短就能确保连续性的热处理，这也会带来如同前述的双重结构成形热处理中的有利结果。在这样短时间内加热过的材料可以按任选冷却速率来冷却。用于本发明连续时效处理中的冷却速率不会对产品的弹簧特性和其它性质有实质性的影响。

用来形成双重结构的热处理和继后的时效处理，都能够按照以下方式实施，即让经冷轧的带材通过一连续式热处理炉，此炉子装备有一台开卷机和一台卷盘机，同时有一加热与均热段以及一冷却段设于此炉子的开卷机与卷盘机之间。举例来说，这类连续式热处理炉中有代表性的一些是，用于处理不锈钢带的连续式光亮退火炉和连续式退火与酸洗炉，以及用于处理软钢带的连续式退火炉。特别是在形成双重结构之热处理工序与时效处理工序之间没有硬化冷轧这道工序时，本发明方法中的热处理与时效处理就能很方便地以下述方式实行，即让冷轧过的带材一次性地通过一连续热处理线，这条处理线设有两个级区，每个级区都可进行加热与冷却，例如使上述冷轧过的带材通过用于软钢带的一种连续式退火炉，此炉子设有一高温均热区和一过时效区。

为了进一步提高最终的弹簧特性，在对热处理过的带材促进时效处理之前加以硬化冷轧是有效的。但在此时，所用的硬化冷轧压延率不得超过10%，不然，经时效处理后的产品一方面常可能具有较差的延伸率与可成形性，另一方面不能满足减少平面上各向异性的愿望。

例

本发明将通过下述例子来阐明

根据成分如表2中所列的各种钢水，制备了一批板带。1至9号钢是为本发明之目的而给出的。各块板带均制成厚3.6mm的热轧带，在780℃温度下于炉中退火，经6小时均热，于炉中冷却，酸洗，冷轧至1.0mm厚，经780℃的中间退火，均热时间1分钟，酸洗并冷轧成厚0.3mm的带材。将此带材按表3所示的件进行形成双重结构的连续热处理、硬化冷轧并进行连续的时效处理。10号钢与11号钢分别是SUS301与SUS304，不是本发明的对象，仅仅用作比较目的。10号钢与11号钢的各自板带均热轧成厚3.0mm的带材，于100℃下退火，均热时间1分钟，急冷，酸洗。将以上各个经热轧的带反复地结合进行冷轧与退火（包括加热到1050℃均热1分钟以及急冷），最终依表3所示的硬化冷轧压延率进行冷轧，并在必要时，按照表3所示进行加热到400℃均热60分钟继以空气冷却的分批式时效处理。

对以上11种钢材的相应制品测试了它们的硬度以及在LD与TD上的弹性极限值σe。测试结果列于表3。对于同一种钢材有不同的制备条件时，则从此钢材所形成的盘带上切取下适当的部分用作样品。

表3说明，按照本发明之方法所生产的双重结构钢具有很高的弹性极限值σe，并且LD上与TD上σe值相差很小，后一事实反映了弹性特性在平面上的各向异性性质减小了。比较例2与例3或比较例7与例8的结果表明，如果将这种材料在作时效处理前进行硬化冷轧，则弹性极限值还能进一步提高。

对比供比较用的例1，这里是在低达780℃的温度进行了热处理（此种热处理不过是在用来形成单相铁素体的温度区所进行的退火而已），它显示出没有马氏体的单一铁素体结构，只有很的硬度（强度），即使在经过时效处理的条件下，弹性极限值σe也低。

将供比较用的例2与例4分别和例2与例7对比。在未经时效处理的这些比较用例子的制品中，它们的弹性数限值σe远低于本发明之例2与例7中的制品。

供比较用之例3涉及到高到15%的硬化冷轧压延率，其中之制品的弹性极限值虽然高，但并不具有令人满意的各向同性性质。此外，存在有未示明于表3中的一种情况，即当供比较用之例3中的制品沿着轧制方向，以1.0mm的内弯半径弯曲180°时，就会发生开裂，亦即证明了它的可成形性是很差的。但在所有其它制品中没有这种情形。

供比较用的例5至例8涉及到常规的奥氏体不锈钢SUS301-CSP与SUS304-CSP。这几个比较用例子中制品的弹性极限值不是各向同性的，而且当和按本发明之方法生产出的制品相比时，不论前者已否经过时效处理，这些弹性极限值本身远是很低的。

正如前面已详细描述过的，本发明的方法能有效地生产出具有优异与各向同性性良好的弹簧特性的，双重结构之高强不锈钢带。根据所给例子的说明，这些带材的硬度低到不足以妨碍从它冲压出弹簧件，亦即在未经硬化冷轧材料的情形中，硬度（HV）值为400或较低;而在已经过硬化冷轧的材料的情形，硬度（HV）值为450或较低，而这时弹性极限值至少高到588MPa。因此，由本发明之方法所生产的带材易于机加工成所需形状的弹簧，而这样加工成的弹簧不需进行为发展其弹簧特性的热处理。从此种材料切割下的带状、片状或板状材料，在用作弹簧的不锈钢材料的技术中是新颖的。本发明为市场提供了这样一类新颖和有用的材料，因而对上述技术作出了重大贡献。此外，由于这里所涉及的热处理和继后的时效处理，能够让一条这样的带连续地通过一台或一批热处理炉来进行，因而本发明的方法能够以很高的生产率来实施。

Claims (4)

1、一种用于生产弹性极限值优越并具有双重结构之高强度不锈钢的方法，此方法包括：

传统的热轧与冷轧工序，用以提供一种冷轧的不锈钢带，后者按重量计包括10.0-20.0%的Cr：0.01-0.15%的C；最高达1.39%的Si；最高达0.032%的N；Ni、Mn与Cu中的至少一种含量为0.1-4.0%；余为Fe和杂质；

用来形成双童结构的热处理工序，在此工序中，经冷轧的上述带连续地通过一连续式热处理炉，并在其中加热到铁素体与奥氏体双相区的温度，然后将此钢带急冷来形成一种基本上是由铁素体与马氏体组成的双重结构的带；以及

时间不超过10分钟的连续性钢带时效处理工序，其中，使上述双重结构带连续地通过一连续式热处理炉，在炉中钢带被加热到300℃至650℃。

2、如权利要求1所述的方法，其中，在上述连续时效处理工序之间，上述双重结构钢带在冷轧压延率不超过10%的条件下进行硬化冷轧。

3、如权利要求2所述的方法，其中，上述双重结构钢带在冷轧压延率为1-10%的条件下进行硬化冷轧。

4、如权利要求1、2或3所述的方法，其中，上述不锈钢按重量计包括10.0-20.0%的Cr;0.01-0.15%的C最高达1.39%的Si;最高达0.032%的N;Ni、Mn与Cu中的至少一种含量为0.1-4.0%;最高达2.50%的Mo;最高达0.2的V;最高达0.0050%的B;最高达0.20%的Al;余为Fe和杂质。

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