CN114341387B - 张力夹以及生产这种张力夹的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种弹簧线材，该弹簧线材在至少9mm的直径下也可以很好地冷成型，但同时具有改进的机械性能。为此，根据本发明的弹簧线材由钢制成，该钢以重量％为单位组成如下：C：0.35‑0.42％，Si：1.5‑1.8％，Mn：0.5‑0.8％，Cr：0.05‑0.25％，Nb：0.020‑0.10％，V：0.020‑0.10％，N：0.0040‑0.0120％，Al：≤0.03％，其余为铁和不可避免的杂质，其中杂质的总含量限制为最多0.2％并且这些杂质中包括最多0.025％P和最多0.025％S。根据本发明的弹簧线材尤其适用于制造具有优化使用特性的张力夹。本发明还涉及一种方法，该方法能够实现根据本发明的弹簧线材的符合实践的制造。

Description

张力夹以及生产这种张力夹的方法
技术领域
本发明涉及一种由碳含量为0.35-0.42重量％的弹簧钢制成的弹簧线材。
此外，本发明涉及一种用于将轨道车辆的导轨压紧在导轨固定点中的张力夹，该张力夹由这种弹簧线材形成，本发明还涉及用于制造此处所讨论类型的弹簧线材的方法。
背景技术
在“导轨固定点”中，待固定的导轨分别固定在承载该导轨所属轨道的基底上。在此，基底可以由常规的木制轨枕或由混凝土或塑料材料形成的轨枕或板形成。导轨固定点通常包括至少一个引导板，该引导板在侧面贴靠在导轨上并且在使用期间将作用在导轨上的横向力引出到基底中，还包括张紧在基底上的张力夹。通过至少一个弹簧臂的端部，张力夹在轨脚上施加有弹簧弹性的压紧力，通过该压紧力将导轨压紧保持在基底上。压紧力可以通过W形或ω形的张力夹特别有效地施加，其通过其两个弹簧臂的自由端作用在轨脚上。这种形状的张力夹的示例是链接URLhttps://www.vossloh.com/de/produkte-und-loesungen/produktfinder/(检索日期2019年8月12日)下解释的产品。
生产张力夹所需的弹簧线材通常具有9–15mm的圆形直径。在实际使用中，张力夹的各个区段要么主要承受弯曲载荷，要么主要承受扭转载荷，其中或多或少的比例的相应其他载荷形式的载荷可能会叠加到相应的主要载荷中。
其生产的通常生产路线包括“将钢水浇铸成钢锭”、“充分加热钢锭”和“将钢锭热轧成弹簧线材”、“冷却经热轧的弹簧线材”和“将弹簧线材存储(Ablegen)为或卷绕成卷材”等工作步骤，其中热轧通常分多个步骤进行，包括将钢锭预轧、中间轧和终轧以形成弹簧线材。待执行的工作步骤和要注意的影响变量是本领域技术人员已知的(参见例如StahlFibel,2015,VerlagStahleisen GmbH,Düsseldorf,ISBN 978-3-514-00815-1)。
张力夹由以这种方式生产的弹簧线材冷成型。为此，从弹簧线材定长切割棒材，然后通常分几个步骤将棒材弯曲以形成张力夹。通过这种方式，可以生产具有复杂形状的张力夹。获得的张力夹最后进行热处理，其中将其加热到Ac3以上的温度，然后淬火，以通过硬化优化其机械性能。此处的目的是调整得到高抗拉强度Rm和高屈服极限Rp0.2。在此追求≈1的Rm/Rp0.2比例，一方面是为了能够通过张力夹施加高弹性压紧力，另一方面是为了扩展张力夹的弹性变形能力范围并由此最大化地扩展其疲劳极限。此处所讨论类型的张力夹的抗拉强度Rm和屈服极限Rp0.2通常在1200–1400MPa的范围内。
例如，通过增加碳含量来提高强度在此受到弹簧线材仍应冷成型这一要求的限制。一种在实践中证明可用于制造张力夹弹簧线材的、根据DIN EN 10089:2002标准化为名称“38Si7”、并以材料编号1.5023记录在钢铁清单(“Stahl-Eisen-Liste”)中的钢以重量％为单位的组成如下：0.35–0.42％C、1.50–1.80％Si、0.50–0.80％Mn以及作为剩余部分的铁和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质包括最多0.025％的P和最多0.025％的S。
除了合金化措施之外，用于制造弹簧部件的弹簧线材的机械性能也可以通过所谓的“热机械轧制”得到改善。在这种热机械轧制的尤其针对设置用于生产承受弯曲载荷的弹簧的弹簧线材的变体方案中，弹簧线材在其组织结构尚未完全再结晶的、但仍高于钢的Ar3温度的钢温度范围内被热轧。以这种方式，可以生产具有特别精细的组织结构的弹簧线材，这有助于张力夹的高强度和优化的弹簧性能(DE 195 46 204 C1)。在热机械成型的尤其是针对设置用于制造承受扭转载荷的弹簧的弹簧线材的处理的另一变体方案中，将棒状原材料以至少50K/s的加热速率加热到高于再结晶温度的温度，然后在产生奥氏体的动态和/或静态再结晶的温度下成型。成型产品的以这种方式重结晶的奥氏体被淬火和回火(DE 19839 383 A1)。
除了上述现有技术之外，还应提及CN 105 112 774 A中说明的弹簧钢，该弹簧钢可以通过空气冷却硬化并且在碳和微合金元素含量相对较低的情况下应该具有高变形能力。为此，这种已知的弹簧钢以重量％为单位的组成如下：0.15–0.50％C、0.30–2.00％Si、0.60–2.50％Mn、最高0.020％S、最高0.025％P、0.0005–0.0035％B和作为剩余部分的Fe。在将这样组成的钢加热到900-1050℃并保持在这个温度后，经过控制冷却得到其主要成分是贝氏体和马氏体，也可能含有少量的残余奥氏体的组织结构。通过低温回火可以进一步提高钢的性能。以这种方式处理的钢应具有至少1350MPa的抗拉强度Rm、至少1050MPa的屈服极限Rp0.2和至少10％的伸长率A。
发明内容
基于上述现有技术，本发明的目的是提供一种弹簧线材，该弹簧线材在至少9mm的直径下也可以很好地冷成型，但同时具有改进的机械性能。
此外，应当给出一种具有优化特性的张力夹和一种方法，该方法能够实现根据本发明的弹簧线材符合实践的生产。
实现该目的的用于将轨道车辆的导轨压紧在导轨固定点中的张力夹由根据本发明提供的弹簧线材形成。
不言而喻，在实施根据本发明的方法时，本领域技术人员不仅可实施在此详细解释的方法步骤，而且如果需要，还可执行在实际实施现有技术中的这些方法时通常实施的所有其他步骤和措施。
本发明的有利设计方案在下文中给出，并且与总体发明思想一样，在下文中详细解释。
除非另有明确说明，否则本文中合金成分含量的说明始终以重量％给出。
因此，根据本发明的弹簧线材由一种钢制成，该钢以重量％计组
成如下：
C：0.35-0.42％,
Si：1.5-1.8％，
Mn：0.5-0.8％，
Cr：0.05-0.25％，
Nb：0.020-0.10％，
V：0.020-0.10％，
N：0.0040-0.0120％，
Al：≤0.03％，
其余为铁和不可避免的杂质，其中杂质的总含量限制为最多0.2％并且这些杂质中包括最多0.025％P和最多0.025％S。
根据本发明设定用于弹簧线材的合金配方基于这样的考量，即通过添加额外的合金元素来提高抗拉强度Rm和屈服极限Rp0.2。这允许将弹簧线材的碳含量并且由此将冷成型性保持在对于实际加工而言最佳的低水平，同时与现有技术相比显著提高了抗拉强度Rm和屈服极限Rp0.2。具体地，根据本发明的弹簧线材合金中的各个合金成分及其含量如下确定：
碳(“C”)在根据本发明的弹簧线材的弹簧钢中以0.35-0.42重量％的含量存在，以确保良好的可变形性、高韧性、良好的耐腐蚀性和对应力诱导开裂或氢致开裂的低敏感性。在此，最多0.40重量％，尤其是小于0.40重量％的C含量已证明在优化的延展性和与此相关的优化的室温变形性方面特别有效。
硅(“Si”)以1.5-1.8重量％，尤其是1.50-1.80重量％的含量存在于根据本发明的弹簧线材的钢中，以通过混晶强化确保高强度。此外，高硅含量确保了在由根据本发明的弹簧线材所形成的张力夹冷成型之后通常会经历的热处理过程中对弹簧线材强度值降低的良好抵抗性(“抗松弛性”)。为此，需要至少1.5重量％的Si含量。然而，过高的Si含量会降低韧性，提高热处理过程中脱碳的风险，此外也有助于粗晶粒的形成。因此，根据本发明将Si含量限制在1.8重量％。
锰(“Mn”)以0.5-0.8重量％的含量存在于根据本发明的弹簧线材的钢中，以确保弹簧钢具有足够的淬透性。此外，Mn与钢中通常由于制造所限而不可避免的硫结合形成MnS，从而防止其有害影响。为此，在钢中需要至少0.5重量％，尤其至少0.50重量％的Mn，其中在至少0.6重量％，尤其至少0.60重量％或至少0.7％重量的含量下实现最优化效果。然而，过高的Mn含量会使韧性-脆性转变温度(“Ductile-Brittle-Temperature,DBTT”)变差，因此将Mn含量限制在最多0.8重量％，尤其0.80重量％。
铬(“Cr”)以0.05-0.25％的含量存在于根据本发明的弹簧线材的弹簧钢中，以进一步提高钢的淬透性。在这种情况下，根据本发明的钢中Cr的存在确保了由根据本发明的弹簧线材形成的张力夹的组织结构在硬化之后有大于95面积％由马氏体组成。至少0.05重量％的Cr含量还可以降低碳活性和热处理过程中表面层脱碳的风险。Cr在根据本发明的弹簧线材的弹簧钢中的积极作用可以以如下方式特别可靠地利用，即，设置至少0.1重量％，尤其至少0.10重量％或尤其至少0.18重量％的Cr含量。相对而言，Cr含量超过0.25重量％时，弹簧钢的韧性和抗松弛性会受损。
在根据本发明的钢中，铝(“Al”)在钢生产过程中不需要用于脱氧，但可以选择性地以最多0.03重量％的含量添加到弹簧钢中，以促进形成细晶粒的组织结构。然而，更高的Al含量会通过过量形成Al氧化物或Al氮化物而损害根据本发明的钢的钢纯度，并因此损害其韧性。
铌(“Nb”)对于本发明而言是特别重要的并且在根据本发明的弹簧线材的弹簧钢中的含量为0.02-0.1重量％。Nb延迟了在弹簧钢的再结晶停止温度-Ar3温度范围内进行的热机械轧制过程中的再结晶，通过该热机械轧制获得了根据本发明的弹簧线材的特别细晶粒的组织结构。如果根据本发明的弹簧线材在由其形成的张力夹的热处理期间被加热到奥氏体化温度并保持在该温度，则Nb的存在同时限制了晶粒生长。结果，通过根据本发明添加Nb和由此导致的特别细晶粒的组织结构的形成实现了强度的显著提高，该组织结构在张力夹最后进行的热处理期间也得以保持。为了能够特别可靠地利用Nb的积极作用，根据本发明的弹簧线材的弹簧钢的Nb含量可以为至少0.0250重量％、至少0.0280重量％或至少0.030重量％。在最多0.070重量％，尤其最多0.050重量％的含量下，Nb可以特别有效地利用。
钒(“V”)以0.020-0.10重量％的含量存在于根据本发明的弹簧线材的弹簧钢中。V与碳和氮形成碳化物和氮化物，其通常以细小的，例如8-12nm，尤其是约10nm大的碳氮化物沉淀形式存在并且通过沉淀硬化显著有助于提高根据本发明的弹簧线材的强度。同时，V以这种方式有助于弹簧钢的抗松弛性，根据本发明的弹簧线材由该弹簧钢构成。为了能够特别可靠地利用V的积极作用，根据本发明的弹簧线材的弹簧钢的V含量可以为至少0.0250重量％、至少0.0280重量％或至少0.030重量％。在最多0.070重量％，尤其最多0.060重量％的含量下，V可以特别有效地利用。
根据本发明的Nb和V的结合存在导致高抗拉强度Rm和通常大致相同高的屈服极限Rp0.2，从而在由根据本发明的弹簧线材制造的张力夹中，比例Rm/Rp0.2通常处于对于使用寿命和弹簧性能而言最佳的1-1.2的范围内。
氮(“N”)以0.0040-0.0120重量％(40-120ppm)的含量设置在根据本发明的弹簧线材的弹簧钢中，以便能够形成钒氮化物或钒碳氮化物。然而，过高的N含量会促进根据本发明的弹簧线材的应变时效，这与根据本发明的弹簧线材的韧性和张力夹所需的疲劳极限完全相悖。在此，通过将N含量限制在最多0.0100重量％(100ppm)可以特别可靠地排除在根据本发明的弹簧线材的弹簧钢中N的存在带来的负面影响。
由以根据本发明的方式构成的弹簧钢构成的弹簧线材在热轧状态下所达到的、在根据DIN EN ISO 6892-1的拉伸试验中确定的断面收缩率Z为至少55％，因此，通常高于在由常规合金38Si7钢制成的弹簧线材中测得的断面收缩率。
同时，在热轧状态下，其组织结构具有根据ASTM E112测定的至少ASTM 10的颗粒精细度。这种组织结构的颗粒精细度经过将弹簧线材冷成型为张力夹以及随后的张力夹热处理而在很大程度上获得。因此，根据本发明的、用于安装在导轨固定点中而制成的张力夹通常具有至少对应于根据ASTM E112确定的ASTM 8的组织结构的颗粒精细度。这对应于与由传统38Si7钢制成的弹簧线材弯曲的张力夹相比，至少一个在ASTM E112中给出的粒度等级的颗粒精细度改进。
用于制造本发明得到的弹簧线材的本发明方法包括以下工作步骤：
a)熔融钢，该钢以重量％计组成如下：C：0.35-0.42％，Si：1.5-1.8％，Mn：0.50-0.80％，Cr：0.05-0.25％，Nb：0.020-0.10％,V:0.020-0.10％,N:0.0040-0.0120％,Al:≤0.03％，其余为铁和不可避免的杂质，其中杂质的总含量限制为最多0.2％并且这些杂质中包括最多0.025％P和最多0.025％S；
b)将钢浇铸成初级产品；
c)将初级产品热轧成最终直径(Enddurchmesser)为9-15mm的热轧弹簧线材，其中热轧至少分两个子步骤进行，其中弹簧线材在最后一个热轧子步骤中在低于弹簧线材的钢的再结晶停止温度且高于弹簧线材的钢的Ar3温度的温度下最终热机械热轧；
d)以1–5℃/s的冷却速率将热机械最终热轧的弹簧线材冷却至550–650℃的卷绕温度；
e)将冷却至卷绕温度的弹簧线材存储为或卷绕成卷材；
f)将卷材形式的弹簧线材冷却至室温。
根据本发明，弹簧线材由此在热轧过程中经受热机械轧制步骤，在该步骤中，在低于钢的再结晶停止温度和高于Ar3温度的温度下轧制该弹簧线材。弹簧线材冷却到其此前为奥氏体的组织结构不再发生再结晶为止的温度称为“再结晶停止温度”。通过在根据本发明设定的温度范围内进行的热机械轧制与根据本发明选择的合金的组合，尤其是由于同时存在Nb和V，得到了特别细晶粒的组织结构，根据本发明的弹簧线材在热轧状态下的特征在于此。
同时，通过以根据本发明设定的冷却速率冷却经热轧的弹簧线材并通过保持根据本发明规定的550-650℃的卷绕温度，确保根据本发明的弹簧线材通过沉淀硬化调整得到最大硬度。
原则上，可以设想在单独的工作步骤中进行热轧子步骤“热机械轧制”，该工作步骤在弹簧线材的实际热轧之后进行。为此，提供的热轧弹簧线材首先加热到奥氏体化温度，然后冷却到低于再结晶停止温度但高于弹簧钢的Ar3温度的温度，并在此温度下以足够的变形程度热轧。然后如根据本发明的方法的工作步骤d)和e)中所示的那样进行弹簧线材的冷却和存储或卷绕。
然而，根据本发明的方法的技术和经济优化的变体方案设定，热轧(工作步骤c)的所有子步骤在连续过程中完成，即当弹簧线材离开分别使用的热轧道时得到了也完成热机械最终热轧的弹簧线材。
具体实施方式
下面借助于实施例更详细地解释本发明。
根据本发明，合金熔体E1-E5被熔化，其组成示于表1中。
为了比较，熔化对比熔体V1，其C、Si、Mn、P、S和N含量对应于适用于已知钢38Si7的规格，但其还具有有效含量的Cr。对比熔体V1的组成也示于表1中。
由熔体E1–E5,V1铸造传统棒材，在其在热轧的最后一步最终热轧之前，这些棒材也在数个步骤中以传统方式预轧和中间轧制成弹簧线材。热轧的最后一步实施为热机械轧制。为此，在进入最后一个热轧步骤之前，将弹簧线材冷却到低于钢E1–E5和V1的在此在850–950℃范围内的再结晶停止温度和高于钢E1–E5和V1的在此约为750–800℃的Ar3温度的温度。
制造各个相应弹簧线材E1-E5，V1的相应弹簧钢的再结晶停止温度可以以本身已知的方式通过实验确定或使用经验确定的公式估算。
类似地，制造相应弹簧线材E1-E5，V1的相应弹簧钢的Ar3和Ar1温度可以以本身已知的方式实验确定，例如通过热机械模拟器中的膨胀测量法。
在热轧结束后，将得到的热轧弹簧线材以1–5℃/s的冷却速度冷却至550–650℃的卷绕温度，在此温度下将其卷绕成卷材。然后将卷材形式的弹簧线材冷却至室温。
在所获得的热轧弹簧线材上根据ASTM E112确定组织结构的颗粒精细度“ASTM_F”并且根据DIN EN ISO 6892-1确定断面收缩率“Z_F”。由钢E1–E5和V1组成的弹簧线材的所获得的值“ASTM_F”和“Z_F”示于表2。
从由弹簧钢E1–E5、V1组成的热轧弹簧线材定长切割出棒材，在以传统方式酸洗和矫直之后，在冷的状态，即室温下将其在多个步骤中弯曲成常规成型的ω形张力夹。
在这种冷成型之后，对获得的张力夹进行热处理，其中将其加热到850-950℃的奥氏体化温度，使其组织结构完全为奥氏体。然后将奥氏体化的张力夹在水中淬火，以使其组织结构的95面积％以上为马氏体。
淬火后，使张力夹经历回火，在回火中，将其在60-120min的时间内加热到400-450℃的回火温度并保持在该温度。然后将以这种方式回火的张力夹在空气中冷却至室温。
在以这种方式获得的张力夹上根据DIN EN ISO 6892-1确定抗拉强度Rm和屈服极限Rp0.2。此外，根据DIN EN ISO 148-1确定缺口冲击功KV-20作为韧性的特征值。所获得的测量值列于表2中。已经发现，在缺口冲击功KV-20不变的情况下，不仅仅是由根据本发明组成的弹簧钢E1以根据本发明的方式制造的张力夹的抗拉强度Rm和屈服极限Rp0.2与由对比钢V1制造的张力夹相比显著增加，而且Rm/Rp0.2比值几乎保持不变。
同时，与由对比钢V1构成的张力夹相比，由根据本发明的弹簧钢E1-E5制成的张力夹具有显著改善的根据ASTM E112测定的组织结构颗粒精细度“ASTM”。
然后，将由根据本发明的钢E1-E5和对比钢V1组成的张力夹在相同条件下安装在固定点中，并确定由其在全新状态“TLn”下的压紧力和300万次负载周期“TL3M”后施加的压紧力。该测量的结果也列于表2中。可以看出，由根据本发明的弹簧钢E1-E5组成的张力夹不仅在全新条件下提供更高的压紧力TLn，而且该压紧力即使在300万次负载周期后也仅略有下降，而在由对比钢V1组成的张力夹中，压紧力下降明显更大的幅度。
Figure GDA0004138405720000111

Claims (14)

1.用于将轨道车辆的导轨压紧在导轨固定点中的张力夹，所述张力夹由一种钢制成的弹簧线材制成，所述钢以重量％计组成如下：
C：0.35-0.42％,
Si：1.5-1.8％，
Mn：0.5-0.8％，
Cr：0.05-0.25％，
Nb：0.020-0.10％，
V：0.020-0.10％，
N：0.0040-0.0120％，
Al：≤0.03％，
其余为铁和不可避免的杂质，其中杂质的总含量限制为最多0.2％并且这些杂质中包括最多0.025％P和最多0.025％S。
2.根据权利要求1所述的张力夹，其特征在于，其C含量为最多0.40重量％。
3.根据权利要求1所述的张力夹，其特征在于，其Cr含量为至少0.1重量％。
4.根据权利要求3所述的张力夹，其特征在于，其Cr含量为至少0.18重量％。
5.根据权利要求1所述的张力夹，其特征在于，其Mn含量为至少0.6重量％。
6.根据权利要求5所述的张力夹，其特征在于，其Mn含量为至少0.7重量％。
7.根据权利要求1所述的张力夹，其特征在于，其Nb含量为至少0.030重量％。
8.根据权利要求1所述的张力夹，其特征在于，其Nb含量为至多0.070重量％。
9.根据权利要求1所述的张力夹，其特征在于，其V含量为至多0.060重量％。
10.根据权利要求1所述的张力夹，其特征在于，其N含量为至少0.0060重量％。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的张力夹，其特征在于，所述弹簧线材达到了在根据DIN ENISO 6892-1的拉伸试验中确定的至少55％的断面收缩率Z。
12.根据权利要求1至10中任意一项所述的张力夹，其特征在于，其组织结构的根据ASTM E112确定的颗粒精细度至少对应于ASTM10。
13.用于制造根据权利要求11或12中任一项所述的张力夹的方法，所述方法包括以下工作步骤：
a)熔融钢，该钢以重量％计组成如下：C：0.35-0.42％，Si：1.5-1.8％，Mn：0.50-0.80％，Cr：0.05-0.25％，Nb：0.020-0.10％,V:0.020-0.10％,N:0.0040-0.0120％,Al:≤0.03％以及其余为铁和不可避免的杂质，其中杂质的总含量限制为最多0.2％并且这些杂质中包括最多0.025％P和最多0.025％S；
b)将钢浇铸成初级产品；
c)将初级产品热轧成最终直径为9-15mm的热轧弹簧线材，其中热轧至少分两个子步骤进行，其中弹簧线材在热轧的最后一个子步骤中在低于弹簧线材的钢的再结晶停止温度且高于弹簧线材的钢的Ar3温度的温度下最终热机械热轧；
d)以1–5℃/s的冷却速率将热机械最终热轧的弹簧线材冷却至550–650℃的卷绕温度；
e)将冷却至卷绕温度的弹簧线材存储为或卷绕成卷材；
f)将卷材形式的弹簧线材冷却至室温，
将热轧弹簧线材定长切割出棒材，酸洗和矫直之后，在室温下将其在多个步骤中弯曲成ω形张力夹；在这种冷成型之后，对获得的张力夹进行热处理，其中将其加热到奥氏体化温度，使其组织结构完全为奥氏体；然后将奥氏体化的张力夹在水中淬火，以使其组织结构的95面积％以上为马氏体；淬火后，使张力夹经历回火，在回火中，将其在60-120min的时间内加热到400-450℃的回火温度并保持在该温度；然后将回火的张力夹在空气中冷却至室温。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，工作步骤c)中的热轧的子步骤在连续过程中完成。
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