CN113061702A - 热机械工艺 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及热机械工艺。一种生产变形的和拉长的钢元件的方法，包括如下步骤：将钢线材或钢丝暖轧成变形的和拉长的钢元件；以后在高于钢的较高转变温度(Ac3/Acm)的温度下加热变形的和拉长的钢元件；及在加热之后，将变形的和拉长的钢元件淬火。

Description

热机械工艺
本申请是申请日为2014年9月26日、申请号为201410499642.0、发明名称为“热机械工艺”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种由热机械工艺(Thermo-mechanical processing,TMP)生产变形和拉长钢元件的过程，特别是涉及由TMP制成的平变形钢丝或平片。
背景技术
热机械工艺现在是用于多种钢产品的生产线的关键部分。钢的形状以及显微结构为了最终产品和应用的利益可由TMP修改。
US5922149A公开了一种用来制造拉长变形金属丝的TMP。变形金属丝或者通过冷成形(例如，轧制rolling)或者通过热成形由钢生产。以后，对变形金属丝进行至少一种淬火(quenching)操作。
US5542995A公开了一种由棒、条或有缝钢制造平钢带或带材的方法。将钢件加热到大于Ac3/ACM的温度。然后钢由至少七个站热轧，以便得到最终设计带或带材形状。将热轧带或带材淬火，以形成希望晶粒结构。
热轧和冷轧是在钢产品的生产中的两种常见技术，其中钢需要模压和再变形。钢轧制涉及金属坯料通过一对轧辊。轧制产生特定厚度的平钢板或带材，并且过程根据轧制金属的温度而分类。如果金属的温度高于其再结晶温度，或者高于金属的晶粒结构可改变的温度，那么将过程命名为热轧。相反，冷轧通常在室温下进行。
对于热轧过程，大变形可连续地重复，而钢保持柔软和可延展。钢的硬度不能由热轧良好地控制，它是化学组成和在轧制之后的冷却速率的函数。即使钢的硬度可控制在相当低水平下，它也不可能经过不同的道次而增加。热轧产品的硬度一般比冷轧产品的硬度低，并且热轧的要求变形能量也小于冷轧要求变形能量。另外，在热轧期间，晶粒生长加速，特别是对于普通碳钢，因为温度高于钢的奥氏体化温度(Ac3)(依据组成，一般高于725℃～825℃)。同时，当温度高于700℃时，在钢的外表面的氧化物显著地增加。两个事实对于钢的性能(例如强度)都是有害的。而且表面氧化的经历将导致材料损失和不良的最终表面光洁度。
冷轧过程具有加工硬化和强化材料的附加效果，因而进一步改进材料的机械性能。它也改进表面光洁度，并且保持较紧容差，允许由热轧所不能得到的希望质量。然而，室温钢比热钢有较小展延性，所以冷轧在单次通过中不能将工件的厚度减小得与热轧一样多。另外，冷轧钢的可延展性由于应变硬化而减小，因而使它更脆。
发明内容
本发明的目的是提供一种新TMP，这种新TMP可避免现有技术的缺点。
本发明的目的也是提供一种TMP，这种TMP可生产变形和拉长钢元件，该变形和拉长钢元件具有可接受的延展性和硬度。
本发明的进一步目的是提供一种TMP，这种TMP可通过较少压延步骤生产在所要求容差(tolerance)内的变形和拉长钢元件。
本发明的另一个目的是开发一种TMP，借助于这种TMP，可按保证恒定和良好质量的高生产率，生产变形钢丝。
本发明的又一个目的是开发一种经济TMP，这种经济TMP具有低成本和小空间要求。
根据本发明，提供有一种生产变形和拉长钢元件的过程。它包括如下步骤：将钢线材或钢丝暖轧成变形和拉长钢元件，以后在高于钢的较高转变温度(Ac3/ACM)的温度下加热变形和拉长钢元件；在加热之后，将变形和拉长钢元件淬火。这里，暖轧(warm rolling)是指如下过程：使在升高温度下加热的金属在两个轧辊之间通过，以弄平和拉长金属，这些升高温度在较低转变温度(Ac1)以下。较高转变温度(Ac3/ACM)或奥氏体化温度是指在Fe-C相图中其中开始奥氏体形成的温度。这个温度依赖于钢等级和在钢中的碳含量。根据本发明的过程将暖轧、进一步奥氏体化加热及淬火组合在单个连续生产线中，使生产更经济和能量有效。与热轧相比，根据本发明，钢棒或钢丝保持在高于Ac3/ACM的温度下的持续时间由暖轧限制或缩短，以后是奥氏体化加热。这一方面可限制在表面处的氧化层的厚度，并且另一方面可在比较低温度下控制晶粒生长。与由常规热轧工艺的钢相比，根据本发明的过程，钢元件的晶粒尺寸受到限制，并且小得多。因为较小晶粒对于淬火裂纹比较粗晶粒不敏感，所以根据本发明的过程生产的钢元件的疲劳寿命增加。况且，在暖或热轧中，钢元件在与轧机本身(轧辊)、轧制乳化液、及导向辊相接触期间将失去热量。存在将沿钢丝引起钢温度波动的很大危险，因为损失将相对于时间而变化(例如，临时地较多乳化液溅落在钢丝上)。通过在轧制后具有另外的奥氏体化操作，避免温度波动，导致更均质的钢产品。额外地且重要地，变形和拉长钢元件的尺寸或精度由暖轧良好地控制。变形和拉长钢元件的容差(例如±20μm，优选地±10μm)，在有限压延步骤内是可接受的。
根据本发明，线材或钢丝可以是具有范围从0.1至1.0wt％的碳含量的钢。优选地，线材或钢丝也可以是普通碳钢，普通碳钢优选地具有范围从0.45至0.70wt％的碳含量。钢丝可以是半成品，该半成品具有圆形横截面，该圆形横截面具有2至5mm的直径。优选地，钢丝具有3至4mm的直径。变形和拉长钢元件可以是平变形钢丝，该平变形钢丝具有几乎矩形横截面。平变形钢丝的宽度的范围是从5至10mm，并且厚度的范围是从0.5至1.5mm。优选地，具有几乎矩形横截面的平变形钢丝的宽度乘厚度是6×0.8mm、7×0.9mm或7×1.0mm。比较薄或小尺寸平变形钢丝难以由热轧精确地生产。加热钢丝的热量当钢丝离开奥氏体化炉时或当钢丝与轧辊接触时，由于钢丝的小尺寸和因而小容量，将快速地消散。热量损失对于具有小横截面面积的钢丝比对于具有大横截面面积的钢丝更可能发生。根据本发明，暖轧使得生产薄或小尺寸平变形钢丝变得可能。
钢丝通过的轧制站越多，厚度减小得越多。应用的轧制站的数量取决于希望厚度减小。在本发明中，变形和拉长钢元件可以通过两个厚度减小暖轧机，即第一暖轧机和第二暖轧机，轧制到最终尺寸。两个暖轧机用来将钢丝的厚度从约4mm的直径弄平或减小到平形状，该平形状具有约7×0.9mm的宽度乘厚度。依据所期望的减小量，也可以应用更多轧制站。与用于类似减小的冷轧相比，暖轧的应用显著地简化过程，并且降低成本。
根据本发明，在第一厚度减小暖轧机之前和在两个厚度减小暖轧机之间，可以测量和控制成形钢元件的张力。况且，变形和拉长钢元件由在第一和第二厚度减小暖轧机之间的直角形成或边缘轧制站轧制。重要的是使张力最小，并且/或者使它在钢丝中保持恒定，该钢丝在站之间运动。张力可导致钢丝的显著变细或断开。精确速度调节系统可用来控制速度，在该速度下轧辊被驱动以使张力最小。更明确地说，重要的是保持张力恒定。
根据本发明，在轧制之前首先将线材或钢丝加热到例如400℃至700℃，优选地600℃至700℃。任何适当加热方法可以用来加热线材或钢丝，如在电阻炉、烘箱、红外辐射(IR)加热器、气体燃烧器、流化床中或经任何传导加热。作为另一个例子，中频感应加热炉也可以用来加热钢丝。这里，中频意味着范围从10至200kHz的频率。优选地，在暖轧期间使用单元，该单元调整钢的温度，以补偿在轧制步骤期间可能发生的热量损失。在暖轧之后，变形和拉长钢元件通过进一步热工艺而奥氏体化。热工艺可以在电阻炉、IR炉或高频感应加热炉中进行。优选地，炉子用惰性或还原气体冲洗，如用氮气冲洗，以将钢保持在保护气氛中而避免氧化。这里，高频意味着范围从250kHz至2MHz的频率。已经发现，感应加热的频率确定物体的表皮深度。在本发明中，表皮深度优选地根据钢丝厚度/直径而适应，以得到高效加热。
根据本发明，淬火在变形和拉长钢元件的奥氏体化之后进行。淬火是从高温非常迅速地冷却到低温。根据本发明，淬火在奥氏体化温度以上开始。淬火步骤可以降低到在温度(Ms)与温度(Mf)之间发生，在温度(Ms)，马氏体形成开始，在温度(Mf)，马氏体形成结束。优选地，淬火在小于30秒(优选地小于6秒，更优选地小3秒)的时段期间降低到Mf以下的温度，例如100℃，以形成马氏体结构。淬火可在油槽、盐槽、聚合物槽中或在水槽中进行。然后将淬火的变形和拉长钢元件在范围从320℃至600℃的温度下在范围从1至200秒(选地1至20秒)的时段期间回火，以释放应力并且具有必要的延展性。回火(tempering)可在盐槽中、在具有低熔点的适当金属合金的槽中、在适当炉子或烘箱中进行，或者可借助于感应或炉子和感应的组合而达到。然后将变形和拉长钢元件冷却到室温。
可选择地，回火可在小于60秒并且优选地小于30秒的时段期间，降低到马氏体形成开始的温度(Ms)以上的温度，以形成珠光(perlitic)结构。回火可降低到稍高于Ms的温度。比如，钢的马氏体转变的开始温度Ms依据钢的组成是大约280℃，并且回火在30秒内降低到大约300℃的温度。
全部步骤在一条单一连续生产线中进行。这里，“单一连续生产线”意味着，一个处理步骤直接由另一个处理步骤跟随而没有中断，直到完成全部步骤。根据本发明的过程显著地节省空间和能量，并且简化对于设备的要求。
最终产品是变形和拉长钢元件，具体地说是具有几乎矩形横截面的平变形钢丝或平叶片。这种平变形钢丝或平叶片可用作汽车车窗的刮水器、弹簧丝或加强元件。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的用来制造变形和拉长钢元件的TMP的示意表示。
图2表示根据本发明第一实施例的钢元件的温度分布。
图3表示根据本发明第二实施例的钢元件的温度分布。
具体实施方式
实施例1
开始材料是具有3.5mm直径的圆形钢丝。它可以具有各种组成成分，例如0.45至0.75wt％的碳含量，并且剩余部分是铁。
图1是用来制造变形和拉长钢元件的TMP的示意表示。根据本发明钢丝通过的基本或特征处理步骤由第一加热(H1)、第一暖轧(WR1)、钢丝的张力的测量(M1)、第二暖轧(WR2)、第二加热或奥氏体化(H2)、及回火(Q)的方块指示。这些步骤将在下面进一步讨论。在图1中，示意地表明在每个步骤之后钢丝的横截面。在热力学过程期间钢丝的温度分布示意地表示在图2中。
工艺的第一步骤是放线(pay-off)步骤，其中，开始材料，即具有3.5mm直径的圆形钢丝，被分配并且开始通过过程的各步骤。放线可利用转动圆盘式放线卷轴而完成。优选地，利用具有两个圆盘式卷轴双重站，从而在第一卷正在放出的同时，可加载第二卷。
用于盘绕圆形钢丝的下个步骤是矫直(straightening)步骤，其中，将钢丝至少部分地矫直，并且将盘条卷曲(coil set)至少部分地除去。矫直步骤可利用常规矫直机进行。然后在进一步处理之前，将钢丝清洁并且除去在钢丝上的氧化皮。钢丝可以由拉模拉制以减小直径，并且可以进一步增大抗拉强度。
参照图1，下个步骤是由方块H1代表的对于钢丝的第一热工艺。拉制钢丝(11)在中频感应炉中加热到希望温度，例如600℃至700℃。这在如图2所示的钢丝的温度分布中由阶段A指示。拉制钢丝的位置，尤其是张力，优选地在通过中频感应加热炉之前测量。
下个步骤是轧制暖钢丝(12)，这种轧制优选地包括如图1所示的第一暖轧(WR1)和第二暖轧(WR2)。暖圆形钢丝(12)首先被驱动，并且通过第一轧机(WR1)。将钢丝(12)成形成平形状，并且同时，减小钢丝(12)的厚度。由于在钢丝与轧辊之间的显著温度差，当暖钢丝接触轧辊时，热量传递从暖钢丝到冷轧机发生。钢丝的热量损失引起其轻微温度降。这个温度降由图2的阶段B中的第一台阶式温度降反映。优选地使用调整钢的温度的单元。然后钢丝(13)通过张力测量和控制单元，以使在站之间运动的钢丝的张力最小。可以应用矩形形成站，该矩形形成站具有平顶部和底部轧辊，这些平顶部和底部轧辊具有平轧辊孔型设计，以生产矩形横截面钢。可选择地，可以应用非驱动边缘轧制，以控制平变形钢丝的宽度和边缘变化。以后，为了进一步厚度减小，应用第二暖轧(WR2)。在第二暖轧期间钢丝的热量损失由图2的阶段B中的第二台阶式温度降指示。在这些轧制步骤之后的钢丝(14)具有平形状和几乎矩形横截面，该矩形横截面具有6至10mm的宽度和0.8至1.5mm的厚度。平变形钢丝的厚度的容差是约±20μm。
下个步骤是，通过在图2中方块H2所代表的第二热工艺将平变形钢丝奥氏体化。任何可买到炉子可以用作奥氏体化炉，优选地应用高频感应发生器。将平变形钢丝加热到比钢的点Ac3高的温度，例如高于900℃。这由图2的钢丝的温度分布中的阶段C表示。借助于通过奥氏体化炉，将钢丝(15)的温度协调和保持在比钢的点Ac3高的温度，例如约950℃(在图2中的阶段D)。
这个实施例中，为了到马氏体的金相转变，进行淬火(在图1中的方块Q)。这由图2中的阶段E代表。在例如小于6秒的时段期间，将平变形钢丝(15)从比钢的点Ac3高的温度降低到在马氏体形成结束的温度(在图2中的Mf)以下的温度，例如从大约950℃的温度降低到大约100℃的温度，而迅速地淬火。淬火可在油槽、盐槽中或在聚合物槽中进行。
优选地，希望在淬火之后回火。将淬火的平变形钢丝(16)在例如在320至600℃之间(优选地在350至500℃之间)的温度范围中回火。然后将平变形钢丝冷却到室温。
最后，将平变形钢丝切割和转移，以允许连续过程。获得最终产品。
另外，可以应用挤压步骤，并且钢丝优选地涂有聚合物。比如，钢丝涂有聚氯乙烯(PVC)，优选地涂有聚对苯二甲酸乙酯(PET)。
全部以上步骤在一个单一连续钢丝生产线中进行，这个单一连续钢丝生产线设计成在100m/min至200m/min的速度下工作，例如：在大约120m/min、150m/min及180m/min的速度下工作.
实施例2
根据本发明的第二实施例，在淬火之后形成珠光结构，该珠光结构与关于第一实施例的马氏体结构不同。根据第二实施例的钢丝的温度分布表明在图3中。
对于钢丝进行除淬火之外与第一实施例相似的处理。根据第二实施例，在图1中的方块Q所参考的淬火步骤中，将来自奥氏体化炉的平变形钢丝(在图3中的阶段D)迅速冷却(在图3中的阶段EI)到稍高于温度Ms的温度。例如，将平变形钢丝从约950℃快速冷却到约580℃(如在约30秒中)，并且在约580℃下保持一段时间。然后将钢丝在水中进一步冷却，如由在图3中的阶段EII表示的那样。作为例子，用约20分钟将钢丝从580℃冷却到100℃。
可选择地，可以应用水空气韧化工艺。将钢丝从诸如约950℃的奥氏体化温度逐渐或缓慢地冷却到室温。
根据第二实施例由淬火步骤工艺的平变形钢丝具有珠光结构。
这里说明性描述的本发明可以在没有这里未明确公开的任何元素(一个或多个)、限制(一个或多个)的情况下适当地实践。应该理解，尽管本发明已经由优选实施例和选择性特征明确地公开，但这里实施的本发明的修改和变更可以由本领域的技术人员利用，并且这样的修改和变更认为在本发明的范围内。

Claims (17)

1.一种生产变形的和拉长的钢元件的方法，包括如下步骤：
将钢线材或钢丝暖轧成变形的和拉长的钢元件；
随后在高于钢的较高转变温度Ac3/Acm的温度处加热变形的和拉长的钢元件；及
在加热之后，将变形的和拉长的钢元件淬火，
其中，暖轧、在高于较高转变温度Ac3/Acm的温度处加热以及淬火处于单一连续生产线中，以及
其中，精确速度调节系统被用来控制暖轧的轧辊被驱动的速度以使张力最小，并且非驱动边缘轧制被应用以控制变形的和拉长的钢元件的宽度和边缘变化。
2.根据权利要求1所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，单一连续生产线的工作速度在100m/min至200m/min之间。
3.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，保持在高于Ac3/Acm的温度处的持续时间由暖轧限制。
4.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，变形的和拉长的钢元件的厚度容差是±20μm。
5.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，线材或钢丝是具有范围从0.1至1.0wt％的碳含量的钢。
6.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中线材或钢丝是普通碳钢。
7.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中线材或钢丝具有圆形横截面，该圆形横截面具有2至5mm的直径。
8.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，变形的和拉长的钢元件是平变形钢丝，该平变形钢丝具有宽度范围从5至10mm和厚度范围从0.5至1.5mm的尺寸。
9.根据权利要求8所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，变形的和拉长的钢元件通过第一厚度减小暖轧机和第二厚度减小暖轧机轧制到所述尺寸。
10.根据权利要求9所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，在第一厚度减小暖轧机之前以及在第一厚度减小暖轧机和第二厚度减小暖轧机之间，控制所述变形的和拉长的钢元件的张力。
11.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，在暖轧之前，在电阻炉、烘箱、红外辐射IR加热器、中频感应加热炉、气体燃烧器、流化床之一中或经任何传导加热，将线材或钢丝加热到范围从400℃至700℃的温度。
12.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，加热在电阻炉、IR炉或高频感应加热炉之一中进行。
13.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，变形的和拉长的钢元件由在第一厚度减小暖轧机和第二厚度减小暖轧机之间的直角形成或边缘轧制站轧制。
14.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，在小于30秒的时段期间，淬火降低到温度Mf以下的温度以形成马氏体结构，在所述温度Mf处马氏体形成结束。
15.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，将淬火之后的变形的和拉长的钢元件在范围从320℃至600℃的温度、在范围从1至200秒的时段期间回火。
16.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，在小于60秒的时段期间，淬火降低到温度Ms以上的温度以形成珠光体结构，在所述温度Ms处马氏体形成开始。
17.根据权利要求1或2所述的生产变形的和拉长的钢元件的方法，其中，变形的和拉长的钢元件用作汽车车窗的刮水器、弹簧丝或加强元件。
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