CN104046924B - 一种汽车安全气囊用高强韧无缝钢管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车安全气囊用高强韧无缝钢管，其化学元素质量百分配比为：C：0.05‑0.15％；Si：0.1‑0.45％；Mn：1.0‑1.9％；Ni：0.1‑0.6％；Cr：0.05‑1.0％；Mo：0.05‑0.2％；Cu：0.05‑0.50％；Al：0.015‑0.060％；Nb：0.02‑0.1％；V：0.02‑0.15％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。本发明还共开了一种汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，其包括步骤：1)将管坯加热后均热；2)进行热穿孔，通过张力减径机对管坯进行减径减壁厚后自然冷却；3)退火、酸洗、磷化皂化；4)冷加工至成品尺寸；5)进行去应力退火。

Description

一种汽车安全气囊用高强韧无缝钢管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种冶金产品及其制造方法，尤其涉及一种无缝钢管及其制造方法。
背景技术
随着私家车保有量的迅速增长，路面情况也越来越拥堵，使得交通事故频发，为此，汽车的安全性能就变得尤为重要。当车辆发生碰撞事故时，汽车安全气囊能够减轻人员的伤害程度，避免乘员和司机发生二次碰撞，或车辆发生翻滚等危险情况下被抛离座位。通常，汽车安全气囊会设置在车内前方(正副驾驶位)，然而，为了更好地保护驾驶者的生命安全，不仅会在驾驶座和副驾驶座处安装安全气囊，还会在汽车的侧方(车内前排和后排)和车顶三个方向都安装有安全气囊或安全气帘。这样，每辆汽车上安全气囊用钢管的数量就会随之增加，为了提高汽车的安全性能，汽车上安全气囊用钢管的质量也会随之提高，其要求钢管具高强韧积且钢管壁厚薄，以满足车辆的安全性、轻量化和低成本的要求。
汽车安全气囊的工作原理是：当装有爆发性药品的气体发生器感应到碰撞时所产生的速度变化之际，其根据信号指示产生点火动作，点燃固态燃料并产生气体向气囊充气，使气囊迅速膨胀，以减少碰撞时对人的冲击作用。在安全气囊的气体发生器的制造过程中，一般要求无缝钢管具有较高的爆破强度、强韧积和低温冲击韧性。
公开号为JP2002-294339，公开日为2002年10月9日，名称为“具有优良的焊接性和成形性，高尺寸精度，较高的拉伸强度以及优良的耐爆破的空气囊用钢及其制造方法”的日本专利文献涉及一种用于空气囊的钢材及其制造方法。该钢材的化学元素成分(wt.％)为：C：0.05-0.20％，Si：0.1-1.0％，Mn：0.20-2.0％，P<0.025％，S<0.010％，Cr：0.05-1.0％，Al<0.10％，Mo<0.50％，Ni<1.5％，Cu<0.5％，V<0.2％，Ti<0.1％，Nb<0.1％，B<0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。该日本专利文献所涉及的制造方法中通过加热淬火到Ac1相变点的温度(至少)，然后在Ac1相变点的温度下回火。
公布号为CN102304613A，公布日为2012年1月4日，名称为“安全气囊系统用钢管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种用于安全气囊的无缝钢管及其制造方法。其中，该钢管的化学元素质量百分含量为(wt.％)的成份组成：C:≤0.12％，Mn:1.00-1.40％，S:≤0.01％，P:≤0.015％，Si:0.15-0.35％，Ni:≤0.25％，Cr:0.40-0.80％，Mo:0.30-0.60％，V:≤0.07％，Cu:≤0.35％，Al:0.15-0.05％，Ne:≤0.05％，Ti:≤0.05％，Sn:≤0.05％，Sb:≤0.05％，As:≤0.05％，Pb:≤0.05％，且Sn、Sb、As、Pb各元素的总量≤0.15％，余量为Fe。该中国专利文献还公开该无缝钢管的制造方法。
上述两篇专利文献所公开的钢材或无缝钢管的制造方法均需要对其所对应的钢材或无缝钢管实施淬火+回火的热处理方式来达到较高的抗拉强度。
公开号为CN101528964A，公开日为2009年9月9日，名称为“安全气囊蓄压器用无缝钢管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种无缝钢管及其制造方法。该无缝钢管的化学元素的质量百分含量(wt.％)为：C:0.08-0.20％，Si:0.1-1.0％，Mn:0.6-2.0％，P:≤0.025％，S:≤0.010％，Cr:0.05-1.0％，Mo:0.05-1.0％，Al:0.002-0.10％，还含有从Ca:0.0003-0.01％，Mg:0.0003-0.01％，以及REM(稀土类元素):0.0003-0.01％中选出的至少1种，和从Ti:0.002-0.1％以及Nb:0.002-0.1％中选出的至少一种，由下式(1)定义的CEQ处于0.45～0.63范围内，CEQ＝C+Si/24+Mn/6+(Cr+Mo)/5+(Ni+Cu)/15(1)。
上述中国专利文献采用了正火+回火的热处理方式来达到高强度、高韧性的目的，但是上述无缝钢管的化学成分中含有Ca、Mg和稀土元素，增加了钢管的制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车安全气囊用高强韧无缝钢管，该无缝钢管具有较高的强度和强韧积，良好的低温韧性和低温爆破性能以及较大的延伸率和低温冲击吸收功，并且该无缝钢管的管壁薄，尺寸精度好。
为了实现上述目的，本发明提出了一种汽车安全气囊用高强韧无缝钢管，其化学元素质量百分配比为：
C：0.05-0.15％；
Si：0.1-0.45％；
Mn：1.0-1.9％；
Ni：0.1-0.6％；
Cr：0.05-1.0％；
Mo：0.05-0.2％；
Cu：0.05-0.50％；
Al：0.015-0.060％；
Nb：0.02-0.1％；
V：0.02-0.15％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本技术方案中不可避免的杂质主要是S和P元素，尽量控制S在0.015％以下，控制P在0.025％以下。
本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管中的各化学元素的设计原理为：
C：C元素是提高钢的强度的主要元素之一，其通过碳化物的形成能够有效地提高钢的强度，且添加成本低。当C含量低于0.05wt.％时，无缝钢管不能达到850MPa以上的抗拉强度，但是当C含量高于0.15wt.％时，无缝钢管的韧性、低温冲击性能、低温爆破性能及焊接性能等综合性能均会受到影响。在本发明的技术方案中需要将C元素的含量控制为0.05～0.15wt.％。
Si：Si元素在炼钢过程中是作为还原剂和脱氧剂的，其在钢中不形成碳化物，且其在钢中的固溶度较大，能够强化钢中的铁素体以提高钢的强度。然而，一旦硅含量超过0.45wt.％时则会大大降低钢管的韧性，尤其是钢管的低温冲击韧性，同时还会降低钢管的焊接性能。因此，应该将Si含量控制为0.10～0.45wt.％。
Mn：Mn是重要的合金化元素和弱碳化物的形成元素。Mn主要通过固溶强化来提高钢的强度。增加Mn含量能够使钢的相变温度降低，减小淬火临界冷却速度，Mn含量达到1.0wt.％以上时，能够显著增大钢的淬透性；不过，若Mn含量超过1.9wt.％时，钢的冲击韧性随之下降得较为显著。故而在本技术方案中需要将Mn含量设定为1.0～1.9wt.％。
Ni：Ni既是可以提高钢的强度和淬透性的元素，又是可以提高钢的韧性的元素。综合钢的成本因素考虑，在本发明的技术方案中，将Ni含量控制在0.1～0.6wt.％的范围之内，才能与其他元素配合可达到理想的强化作用并同时提高钢的韧性。
Cr：Cr是中强碳化物的形成元素。钢中的Cr的一部分置换成铁形成合金渗碳体，以提高其稳定性，另一部分则溶于铁素体中起到固溶强化作用，提高铁素体的强度和硬度。与此同时，Cr也是提高钢的淬透性的主要元素。但是Cr含量一旦超过1.0wt.％则会对焊接部位的韧性产生影响，并且考虑添加成本的因素，将本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管中的Cr控制为0.05～1.0wt.％。
Mo：Mo在钢中有固溶强化和提高钢的淬透性的作用。当Mo含量达到0.05wt.％时，才会具有显著的固溶强化和提高淬透性的效果，当Mo含量超过一定范围时会对钢管焊接部位的韧性产生影响。同时，还要考虑成本因素，将本发明的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管中的Mo含量控制为0.05～0.2wt.％。
Cu：Cu可以增强钢的韧性，即便是含量较少的Cu也能获得相应的效果，如果Cu含量超过0.50wt.％时，对钢的热加工性会产生较大影响，即使添加复合元素也不能保证钢管的热加工性，因此，在本发明的技术方案中需要将Cu含量控制为0.05～0.50wt.％。
Al：Al在钢中具有脱氧作用且其有助于提高钢的韧性和加工性。当Al含量达到0.015wt.％以上时，其提高钢的韧性和加工性的效果较为显著，但是当Al含量超过0.060wt.％时，钢中会出现裂纹的倾向增大。本发明基于此而将Al含量控制在0.015～0.060wt.％之间。
Nb：Nb的作用是提高钢的韧性。当Nb含量≥0.02wt.％时，这一添加效果比较明显，不过当Nb含量＞0.1wt.％时，钢的韧性反而会有所降低。因此，在本发明的技术方案中应该将Nb含量设定为0.02～0.1wt.％。
V：V是强碳化物的形成元素，其与碳的结合能力很强，形成的细小弥散的VC质点能够起到弥散强化的作用，使钢的强度明显增加。如果V的含量小于0.02wt.％时，弥散强化作用并不明显，但是如果V的含量大于0.15wt.％时，对钢的加工性能也会产生影响，为此，控制钢中的V的含量为0.02～0.15wt.％
本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管不含有Ca，Mg或稀土金属等成本较高的添加元素，其通过对化学成分的优化设计，结合合理的制造工艺，使得本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的强度高、强韧积大、低温韧性好，低温爆破性能佳且具有较大的延伸率和低温冲击吸收功。
进一步地，本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管中还包括≤0.005wt％的B元素。
在钢中加入微量的B就能够显著地提高钢的淬透性，改善钢的工艺性能和力学性能，为此，在本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管中添加适量的B，并将B的含量控制为≤0.005wt.％。
进一步地，本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的壁厚≥1.5mm。
进一步地，本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的外径为15-50mm。
更进一步地，本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的微观组织为铁素体+下贝氏体。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种上述汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，其包括步骤：
(1)将管坯加热后均热；
(2)进行热穿孔，通过张力减径机对管坯进行减径减壁厚后自然冷却；
(3)退火、酸洗、磷化皂化；
(4)冷加工至成品尺寸；
(5)进行去应力退火。
本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，不采用复杂的淬火+回火的热处理方式，而是通过简单经济的去应力退火热处理方式来获得具有高强度、高强韧积以及良好低温韧性和低温爆破性的无缝钢管，这样不仅简化了上述无缝钢管的制造方法的工艺步骤，还避免了淬火工序变形量大而导致无缝钢管不能满足汽车安全气囊产品的高尺寸精度的要求。采用去应力退火热处理方式既可以保证钢管的抗拉强度，又可以保证钢管的塑性和强韧性。
进一步地，本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，在上述步骤(1)中，将管坯加热到1220℃-1260℃，均热10-20min。
进一步地，本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，在上述步骤(4)中，采用冷拔或冷轧的方式进行冷加工。
采用冷拔或冷轧的方式将钢管加工至规定的尺寸后是为了降低冷加工过程中所产生的应力。
进一步地，本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，在上述步骤(4)中，每道次冷加工的延伸系数≤1.5，以在保证钢管的生产效率的同时，避免在冷加工后钢管产生开裂等缺陷。
更进一步地，本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，在上述步骤(4)中，最后一道次冷加工延伸系数≥1.4以保证钢管在最终热处理前冷加工强化的强度。
更进一步地，本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，在上述步骤(5)中，去应力退火温度680-780℃，保温时间为10-20min。
去应力退火的加热温度过高，或者保温时间过长均会导致钢管成品的晶粒粗大，使得钢管的强度和硬度都不能达到使用要求。然而，加热温度过低又会导致析出的碳化物不能充分固溶，不能达到强化作用。在此，将本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法中的去应力退火温度设定为680-780℃，并且控制保温时间为10-20min是为了能够使钢中的碳化物在较短的时间内析出，以达到固溶强化的作用，同时又为了能够防止晶粒长大，提高钢的强度和韧性，令上述无缝钢管的最终性能可以满足汽车安全气囊用钢的使用要求。
本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管由于采用了上述技术方案，使得其具备较高的强度和强韧积，良好的低温韧性和低温爆破性能以及较大的延伸率和低温冲击吸收功，其抗拉强度≥850Mpa，-60℃低温冲击吸收功≥15J，延伸率≥18％。
另外，本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的管壁薄，重量轻尺寸精度好，能够满足轻量化车系的使用需求。
此外，本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管不添加昂贵的金属元素，生产成本低。
本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法能够生产制造出抗拉强度大，强韧积高，低温韧性好，低温爆破性能佳、延伸率大且低温冲击吸收功性能良好的无缝钢管。
此外，本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法通过控制每道次冷加工的延伸系数，不但保证了制造钢管的生产效率，还有效地避免了钢管的开裂。
具体实施方式
下面将根据具体实施例对本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管及其制造方法做出进一步说明，但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明的技术方案的不当限定。
实施例A1-A10和对比例B1-B6
按照下列步骤制造本发明所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管A1-A10以及对比例B1-B6，其包括步骤如下：
(1)冶炼并制成管坯，并将钢中的化学元素质量百分配比如表1所示；
(2)采用环形加热炉将管坯加热至1220℃-1260℃，均热10-20min；
(3)采用立式锥形热穿孔机进行热穿孔，通过三辊张力减径机对管坯进行减径减壁厚后自然冷却；
(4)经酸洗后进行中间退火热处理，经过中间退火热处理后磷化皂化；
(5)采用冷拔或冷轧的方式进行冷加工至成品尺寸，每道次冷加工的延伸系数≤1.5，其中最后一道次冷加工延伸系数在1.4-1.5范围内，冷加工后的钢管成品尺寸为壁厚1.5-5mm，外径15-50mm；
(6)进行去应力退火，去应力退火温度680-780℃，保温时间为10-20min后空冷。
需要说明的是，在上述步骤(5)之前可以采用适当的中间热处理工艺来进一步地保证钢管的冷加工性能。
表1列出了本案实施例A1-A10以及对比例B1-B6的化学元素的质量百分配比。
表1.(wt.％，余量为Fe和其他不可避免的杂质)
序号 C Si Mn Ni Cr Mo Cu Al Nb V B
A1 0.10 0.35 1.7 0.3 0.10 0.10 0.08 0.02 0.05 0.06 0.003
A2 0.11 0.38 1.8 0.4 1.0 0.05 0.06 0.03 0.06 0.08 0.004
A3 0.05 0.45 1.9 0.5 0.10 0.09 0.08 0.02 0.05 0.10 --
A4 0.11 0.40 1.3 0.5 0.18 0.15 0.09 0.03 0.06 0.10 0.003
A5 0.12 0.33 1.4 0.5 0.05 0.07 0.10 0.05 0.04 0.09 0.005
A6 0.10 0.37 1.8 0.6 0.20 0.18 0.12 0.02 0.02 0.07 0.005
A7 0.11 0.39 1.6 0.4 0.25 0.11 0.09 0.02 0.04 0.06 0.004
A8 0.13 0.32 1.5 0.4 0.22 0.10 0.08 0.04 0.06 0.08 0.005
A9 0.09 0.35 1.4 0.2 0.19 0.13 0.06 0.02 0.08 0.02 0.005
A10 0.10 0.36 1.1 0.5 0.16 0.15 0.07 0.03 0.05 0.07 0.005
B1 0.15 0.39 0.8 0.3 0.18 0.15 0.10 0.03 0.07 0.10 0.003
B2 0.12 0.38 1.7 -- 0.04 0.13 0.08 0.02 0.03 0.08 0.003
B3 0.2 0.38 2.0 0.3 0.95 0.01 0.08 0.03 0.08 0.09 0.010
B4 0.14 0.36 0.8 0.4 0.18 0.15 0.09 0.04 -- 0.08 0.003
B5 0.13 0.38 1.6 0.3 0.09 0.11 0.11 0.03 0.09 -- 0.004
B6 0.12 0.37 1.4 0.5 0.25 0.11 0.09 0.03 0.08 0.06 0.004
表2示出了实施例A1～A10和对比例B1～B5中的各步骤的工艺参数。
表2.
将上述实施例和对比例中的无缝钢管沿着钢管壁厚方向取尺寸为2mm*10mm*55mm的弧形试样，并在侧面开深度为2mm的标准V型缺口后，在-60℃下进行冲击后得到的各冲击功值列于表3中。
具体评价指标上述实施例和对比例中的无缝钢管是否合格的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的标准如下：1)抗拉强度＞850MPa，2)-60℃冲击吸收功＞15J，且3)-60℃低温爆破断口显示为韧性断裂，即当上述无缝钢管同时满足1)～3)的标准时为合格；反之，则为不合格，所获得的实施例和对比例中的无缝钢管的综合力学性能参数如表3所示。
表3.
*强韧积为抗拉强度和冲击功的乘积。
**液爆性能所在列中，1表示：-60℃液爆为韧性断裂，且无裂纹贯穿至钢管的任一端面。2则表示-60℃液爆有脆性断裂，且有裂纹贯穿至钢管的某一端面。
结合表1、表2和表3可以看出，由于实施例A1-A10中的各无缝钢管具有本发明的技术方案所规定的化学元素质量百分配比，并且其均按照本发明所提供的制造方法进行加工生产。实施例A1-A10中的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的抗拉强度均≥855Mpa、延伸率均≥18％且强韧积均≥14620MPa*J。另外，该汽车安全气囊用高强韧无缝钢管在-60℃的冲击吸收功最低为17J，同时，在-60℃下液爆后显示为韧性断口，且裂口不贯穿至钢管的任一端面。然而，由于对比例B1-B6中的各无缝钢管中的某些化学元素质量百分配比已经超过了本发明的技术方案所限定的范围，或者加工工艺未按照本发明提供的制造方法进行加工生产，因此，这些无缝钢管的综合力学性能中的至少一项并不符合汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的标准。
由上述表格所示的内容可知，本发明的技术方案通过合理的成分设计+合理的冷加工工艺+优化的热处理方式，获得了抗拉强度大，强韧积高，具有良好的低温冲击性能和延伸率的无缝钢管。此类无缝钢管尤其适用于制造汽车安全气囊。
要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种汽车安全气囊用高强韧无缝钢管，其特征在于，其微观组织为铁素体+下贝氏体，其化学元素质量百分配比为：
C：0.05-0.15％；Si：0.1-0.45％；Mn：1.0-1.9％；Ni：0.1-0.6％；Cr：0.05-1.0％；Mo：0.05-0.2％；Cu：0.05-0.50％；Al：0.015-0.060％；Nb：0.02-0.1％；V：0.02-0.15％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管，其特征在于，还包括≤0.005wt％的B元素。
3.如权利要求1所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管，其特征在于，其壁厚≥1.5mm。
4.如权利要求1所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管，其特征在于，其外径为15-50mm。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，其包括步骤：
(1)将管坯加热后均热；
(2)进行热穿孔，通过张力减径机对管坯进行减径减壁厚后自然冷却；
(3)退火、酸洗、磷化皂化；
(4)冷加工至成品尺寸；
(5)进行去应力退火。
6.如权利要求5所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，将管坯加热到1220℃-1260℃，均热10-20min。
7.如权利要求5所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，采用冷拔或冷轧的方式进行冷加工。
8.如权利要求5所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，每道次冷加工的延伸系数≤1.5。
9.如权利要求8所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，最后一道次冷加工延伸系数≥1.4。
10.如权利要求5所述的汽车安全气囊用高强韧无缝钢管的制造方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，去应力退火温度680-780℃，保温时间为10-20min。
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