CN1164785C - 二次加工性能出色的汽车构件用不锈钢管 - Google Patents

二次加工性能出色的汽车构件用不锈钢管 Download PDF

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Abstract

一种不锈钢管，它具有含有0.20%或小于0.20%的C、1.5%或小于1.5%的Si、2.0%或小于2.0%的Mn、10%-18%的Cr、0.03%或小于0.03%的N、0.6%或小于0.6%的Cu、0.6%或小于0.6%的Ni、2.5%或小于2.5%的Mo、1.0%或小于1.0%的Nb、1.0%或小于1.0%的Ti和1.0%或小于1.0%的V中的一种或两种以上的元素的且余量为铁和不可避免的杂质的化学成分，它具有由铁素体或铁素体和马氏体构成的组织，其按照TE＝TS×(El+21.9)(TS是管轴向上的抗拉强度(MPa)，El是管轴向上的延伸率(%))定义的TE值超过25000MPa。

Description

二次加工性能出色的汽车构件用不锈钢管
技术领域
本发明涉及用于汽车构件的不锈钢管且尤其是缩径、扩管、弯曲、扭转等二次加工性能出色的不锈钢管。而本发明所说的汽车构件例如是指车轮部分、保险杠、车架等部件。
背景技术
过去，用于汽车构件的不锈钢管都是通过冷加工不锈钢板而制成的。在这种冷加工中，为了避免由加工应变引起的延展性恶化而进行小应变成形。
发明内容
但是，即便进行小应变成形，由冷加工引起的加工应变也必然具有加工硬化，存在成品管的延展性恶化的问题。尤其是，在缩径加工后又进行弯曲加工的应用场合中，由冷加工引起的延展性恶化是在随后的缩径或弯曲加工中发生过度减薄和破裂的直接原因。因此，通过小应变冷加工而制成的成品管不能适用于在缩径加工后又进行弯曲加工的应用场合。
本发明解决了上述问题，其目的是要提供一种与具有相同强度水平的钢管相比其延展性比过去更出色的且在缩径加工和随后的弯曲加工中的减薄量缩小并不发生开裂的钢管。就是说，本发明的目的是提供一种缩径和弯曲复合加工性能出色的、缩径、扩管、弯曲、扭转等二次加工性能出色的汽车构件用不锈钢管。
本发明人对含有铬的不锈钢管进行了提高缩径、扩管、弯曲、扭转等二次加工性能的要素的研究。结果发现，只有在化学成分、微观组织及强度和延展性在某个范围内时，才显示出出色的加工性能，由此制定了本发明。
即本发明是这样一种二次加工性能出色的汽车构件用不锈钢管，其特征是，它具有按质量百分比地含有0.20％或小于0.20％的C、1.5％或小于1.5％的Si、2.0％或小于2.0％的Mn、10％-18％的Cr、0.03％或小于0.03％的N的且余量为铁和不可避免的杂质的化学成分并且它具有由铁素体或铁素体和马氏体构成的组织并且按照下式(1)定义的TE值超过25000MPa，即
TE＝TS×(E1+21.9)                    (1)
在这里，TS是管轴向上的抗拉强度(MPa)，E1是管轴向上的延伸率(％)。此外，本发明钢管的兰克福特值最好大于0.5。
而且，在本发明的钢管中，所述铁素体的晶粒直径最好为8μm或小于8μm。而且，在本发明的钢管中，所述马氏体的面积率最好为30％或小于30％。
根据本发明，在上述化学成分的基础上，它按质量百分比地还含有0.6％或小于0.6％的Cu、0.6％或小于0.6％的Ni、2.5％或小于2.5％的Mo、1.0％或小于1.0％的Nb、1.0％或小于1.0％的Ti和1.0％或小于1.0％的V中的一种或两种以上的元素。
本发明是耐疲劳特性出色的汽车构件，它上述之一的不锈钢管进行二次加工和调质热处理并获得800MPa或大于800MPa的抗拉强度。
图面简介
图1是适于实施本发明的系列设备的一例的草图。
图2是表示轧制温度和缩径率对抗拉强度、延伸的影响的曲线。
                       符号说明
8-原管；16-成品管；20-温度计；21-缩径轧制装置；23-除鳞装置；24-急冷装置；25-再加热装置；26-冷却装置；
本发明的最佳实施形式
从批量生产性和效果显著性出发，本发明的不锈钢管最好是以焊管为原管并对其进行热缩径轧制而成的管。作为这种原管，优选通过利用高频电流的电阻焊接法而制成的电阻焊钢管(电焊有缝钢管)或者把开口管两端加热到固相压焊温度并加压接合而成的固相压焊钢管或锻接钢管。
现在，说明限定本发明钢管的化学成分的理由。化学成分的含量(浓度)单位为质量％并简写为％。
C：0.20％或小于0.20％
C，为了确保强度而含有碳，如果碳含量过高，则韧性和耐锈性恶化。因此，碳含量被限定为0.20％或小于0.20％，最好是0.15％或小于0.15％。为了确保良好的淬透性，碳更好地是0.03％-0.15％。
Si：1.5％或小于1.5％
Si，作为脱氧元素而必须含有硅，如果硅含量过剩，则加工性恶化，因此硅含量被限定为1.5％或小于1.5％并最好是0.15％-1.0％。
Mn：2.0％或小于2.0％
Mn，为了改善脱氧脱硫作用和热加工性能，锰含量必须最好为0.15％或大于0.15％，如果在钢中形成硫化物，则耐蚀性恶化。因此，锰含量最好偏低，但如果考虑生产时的经济性，则允许最高到2.0％，锰含量最好是1.50％或小于1.50％。
Cr：10％-18％
Cr，为了具有耐蚀性而必须含铬，如果不到10％，则作为不锈钢不能确保一般的耐蚀性，另一方面，如果超过18％，则脆化变得明显，制造有问题。因此，铬含量被限定为10％-18％。
N：0.03％或小于0.03％
N，为了确保强度而含有氮，但如果氮含量过高，则韧性和耐锈性恶化。因此，氮含量被限定为0.03％或小于0.03％并最好是0.010％或小于0.010％。
而且，在本发明中还含有0.6％或小于0.6％的Cu、0.6％或小于0.6％的Ni、2.5％或小于2.5％的Mo、1.0％或小于1.0％的Nb、1.0％或小于1.0％的Ti和1.0％或小于1.0％的V中的一种或两种以上的元素。
Cu、Ni、Mo、Nb、Ti和V都是提高耐蚀性的元素，根据需要，能有选择地含有其中的一种或至少两种。
Cu，铜是提高耐蚀性且尤其是耐锈性的元素，根据需要而含有铜，但由于过度添加铜使热加工性恶化，所以其上限最好被规定为0.6％。铜含量更好地是0.30％-0.40％。
Ni，为提高耐蚀性且尤其是耐锈性而含有镍，但由于过高的镍含量与效果相比有损于经济性，因此其上限最好被规定为0.6％并更好地是0.4％或小于0.4％。
Mo，是保持耐蚀性的有效元素，尤其是当要提高耐孔蚀性时，它有效地提高了再钝化能。不过，过高的钼含量与效果相比有损于经济性，同时还引起了脆化，因此其上限最好被规定为2.5％并更好地是1.5％或小于1.5％。
Nb，通过固定碳、氮而提高耐蚀性。另外，铌促进了缩径轧制加工应变的积累并使相变成核点增加并且进一步提高了铁素体细化效果。不过，如果铌含量超过1.0％，则形成金属间化合物并由此使加工性恶化。因此，铌含量最好被限定为1.0％或小于1.0％并更好地是0.5％或0.5％以下。
Ti，钛通过固定氮、碳而提高耐蚀性。此外，钛抑制了在铁素体+奥氏体(α+γ)区内的铁素体颗粒长大并使铁素体颗粒细化效果更显著。但是过高的钛含量因钛化合物析出量增加而引起表面状况恶化。因此，钛含量最好被规定为1.0％或小于1.0％并更好地是0.5％或小于0.5％。
V，钒通过固定碳、氮而提高了耐蚀性。此外，钒抑制了在铁素体+奥氏体(α+γ)区内的铁素体颗粒长大。不过，过高的钒含量因钒化合物析出量增加而引起表面状况恶化，因此，钒含量最好被规定为1.0％并更好地是0.2％或小于0.2％。
本发明钢管的除上述成分外的余量由铁和不可避免的杂质构成。
作为不可避免的杂质，允许含有0.008％或小于0.008％的O、0.045％或小于0.045的P以及0.020％或小于0.020％的S。
O，氧以氧化物形式使洁净度恶化，所以，最好尽可能地降低氧含量，能够允许0.008％或小于0.008％的O。
P，由于磷在晶界析出并使韧性恶化，所以，最好尽可能地降低磷含量，能够允许0.045％或小于0.045％的P。
S，硫增加了硫化物并使洁净度恶化，因此，最好尽可能地降低硫含量，能够允许0.020％或小于0.020％的S。
接着，说明限定本发明钢管组织的理由。
根据本发明的不锈钢管的组织是由铁素体(F)或铁素体(F)+马氏体(M)构成的组织。
按面积率，马氏体(M)最好占30％或小于30％，如果超过30％，则TE值降低。
除这种组织外的组织是因强度和/或延展性不够高而缩径、扩管、弯曲、扭转等(包括其组合)的二次加工性能欠缺的组织。尤其是，在铁素体组织中且当铁素体晶粒直径为8μm或小于8μm时，二次加工性能可提高一级。
接着，说明限定本发明钢管的机械特性的理由。
根据本发明人锐意实验的结果，即便满足了在化学成分和组织方面的本发明要求，按照上述公式(1)定义的TE值为25000MPa或小于25000MPa的钢管的二次加工性能也差。就是说，TE值为25000MPa或小于25000MPa的钢管无法保证作为汽车构件所需的出色的二次加工性能且尤其是出色的缩径和弯曲复合加工性能。因此，在本发明中，TE值被限定为大于25000MPa。
另外，在要获得更好的二次加工性能且尤其是更出色的缩径和弯曲复合加工性能的场合下，兰克福特值最好大于0.5。管的兰克福特值(r值)是根据下式算出的，即按照JIS Z2201的规定，从被测定钢管上采取JIS12号实验片，在该实验片的管外侧中央处贴上应变片，按照JIS Z2241的规定进行拉伸实验，在均匀拉伸区域中，求出两组对应的宽度方向应变EW和长度方向应变EL、{EW(1)、EL(1)}、{EW(2)、EL(2)}，
r＝a/(-1-a)
在这里，a＝{EW(2)-EW(1)}/{EL(2)-EL(1)}。
接着，说明本发明不锈钢管的优选制造方法。
本发明的不锈钢管最好是以具有上述化学成分的焊管为原管并对其进行热缩径轧制而形成的成品管。
根据缩径轧制，进行双轴应力状态下的轧制加工，能够获得显著的晶粒细化效果。通过这种效果，与具有相同强度的过去材料相比，缩径轧制产品的延展性提高了一级。相反，在轧制钢板的情况下，除了轧制方向外，在板宽方向(垂直于轧制的方向)上也存在自由端，由于进行处于单轴向应力状态下的轧制加工，所以晶粒细化有限。
作为热缩径轧制方法，优选采用串列设置多个孔型轧机而成的减径机来进行的方法。图1示出了适于实施本发明的系列设备的一例。在图1中，示出了由具有孔型辊的多个机架构成的缩径轧制装置21。有几架轧机是根据原管直径和成品管直径的组合而适当决定的。在通常已知的2辊、3辊或4辊轧机中，也能采用适当的孔型辊数。
最好采用以下缩径轧制条件，即缩径轧制前的加热(也包括均热场合)温度为700℃-900℃，轧制温度为700℃-900℃，缩径率为30％或大于30％。在这里，缩径率＝(1-轧制后外径)/(轧制前外径))×100％。
当加热温度超过900℃时，表面状况恶化，同时，奥氏体晶粒在加热时变得粗大，成品管的组织难于细微化。另一方面，如果不到700℃，则不能确保适当的轧制温度，因此，优选700℃-900℃。加热方法优选利用加热炉或借助感应加热的方法。其中，从加热速度高、生产率高或者抑制晶粒长大的观点出发，优选感应加热方式。
轧制温度最好取700℃-900℃。该温区对应于从奥氏体+铁素体的双相区到铁素体区的温区。通过在双相区到铁素体区进行轧制，铁素体颗粒或甚至奥氏体颗粒受到加工，通过这种加工应变而进行再结晶并反复进行细微化过程，从而能够使轧制后的组织变得更细微。如果轧制温度超过900℃，则由于进入奥氏体区，所以轧制后的组织变为马氏体单相组织，无法获得二次加工性能出色的本发明钢管。而当轧制温度低于700℃时，无法充分引起再结晶，延展性恶化。因此，轧制温度优选700℃-900℃。
此外，为了进一步细化组织，轧制温度最好低于830℃。图2是表示热缩径轧制的轧制温度和缩径率对成品管的TS和E1的影响的曲线。这些成品管是以具有与SUS410相当的化学成分(0.01％～0.15％Si-1.5％Mn-11％Cr-0.15％Cu-0.15％Ni)的不锈钢电焊有缝钢管为原管并对其进行热缩径轧制后得到的管。如该图所示，在缩径率高的场合下，如果轧制温度超过830℃，则E1明显降低。
由于缩径轧制的优选轧制温度不太宽地等于700℃-900℃(最好是700℃-830℃)，所以从防止轧制中温度过度降低的观点出发，最好在缩径轧制过程中进行轧制管材的再加热(称其为中间加热)。中间加热例如是采用如图1所示的、设置在机架间的如由感应线圈构成的再加热装置25来进行的。从控制轧制开始温度的观点出发，最好将再加热装置25和冷却装置26组合起来地设置在缩径轧制装置21的入口侧。
如果缩径轧制的缩径率不到30％，则加工应变不够高，再结晶难于进行，铁素体颗粒和奥氏体颗粒也因而无法细微化并且不能实现轧制后的组织细微化。而当缩径轧制率不到30％时，无法充分形成轧制聚集组织，因此，例如如图2所示地，很难获得强度和延展性都出色的成品管。因此，缩径轧制的缩径率最好为30％或大于30％。如果缩径轧制的缩径率为50％或大于50％，则可以进一步细化组织。
在缩径轧制中，最好包含缩径率/道次(＝每道缩径率)为5％或大于5％的至少一个轧制道次。在缩径率/道次为5％或大于5％的轧制道次中，确认发生了动态再结晶，在进一步促进晶粒细化的同时，也能确认由加热放热引起的升温，从而能够防止轧制温度降低。
在本发明中，优选在润滑条件下进行轧制的缩径轧制。通过在润滑条件下进行缩径轧制(润滑轧制)，厚度方向上的应变分布变得均匀，晶粒直径的分布在厚度方向上也变得均匀。在无润滑轧制的情况下，应变因剪切效果而只集中在材料表面部上，厚度方向上的晶粒容易变得不一致。能够采用通常所知的矿物质油或在矿物质油中混入合成酯而成的轧制油来进行润滑轧制。
在缩径轧制后，一直把钢管冷却到室温。此时的冷却方式可以是空冷，但从尽可能抑制晶粒长大的观点出发，也可以采用冷却速度为10℃/s的急冷。其中，在缩径轧制装置21的出口侧设置急冷装置24，也可以进行水冷或喷雾冷却、鼓风冷却等。
根据本发明，在对上述的任一个不锈钢管进行完所需的缩径、扩管、弯曲、扭转等二次加工处理后，进行调质热处理，由此能够获得具有800MPa或大于800MPa的抗拉强度的且耐疲劳特性出色的高强度汽车构件。
作为调质热处理，最好采取这样的热处理，即在奥氏体区或奥氏体+铁素体区中加热后，通过空冷或水冷进行冷却，然后在Ac3相变点以下的温度上进行退火以便得到所需的强度(抗拉强度为800MPa或大于800MPa)。
实施例
(实施例1)
以由表1所示化学成分构成的电焊有缝钢管(外径146.0毫米)为原管，利用具有图1所示形式的缩径轧制装置(三辊式)并按表2、3所示的条件进行轧制，从而获得成品管。
调查这些成品管的组织、拉伸特性、兰克福特值和二次加工性能。
在组织方面，观察在垂直于管轴向的截面上的腐蚀图象，结果发现是F组织或F+M组织。对该腐蚀图象进行图象分析并测量F的面积率和晶粒直径。晶粒直径的测定根据切断法。在拉伸特性方面，使用JIS12号实验片来测定。根据延伸E1来评价延展性，在考虑实验片尺寸作用的情况下，延伸E1的值采用了利用E1＝E10×((a0/a))0.4(在这里，E10是实测延伸量，a0是292mm2，a是实验片面积(mm2))而求得的的换算值。
至于兰克福特值，按照上述方式进行测定。
作为二次加工性能来评价缩径和弯曲的复合加工性能。复合加工性能是如此评价的，即在对各10个实验材料进行20％缩径后，进行45°弯曲加工，按照裂痕发生条数(裂痕条数为x时，记为x/10)进行评价。
在表2中示出了这些结果。
如表2所示，本发明例表现出高强度、出色的延展性以及超过25000MPa·％的TE值以及良好的缩径和弯曲复合加工性能，本发明的钢管是二次加工性能出色的钢管。
实施例(2)
在实施例1所示的6号、9号、10号钢管中，首先作为二次加工地进行缩径率为20％的缩径加工，随后作为调质热处理地进行880℃×10分钟的热处理，随后空冷并进行200℃回火热处理，从而获得汽车构件。
从这些汽车构件中采取实验片，根据JIS Z2241进行拉伸实验(长度方向)，根据JIS Z2273进行疲劳实验。疲劳实验以脉动拉伸疲劳为目标来算出疲劳极限(反复次数106次)。
在表3中示出了这些结果。
如表3所示，本发明例成为了通过对高强度、延展性出色的且TE值超过25000MPa·％的不锈钢管(6号和9号钢管)进行缩径加工并随后进行调质热处理而耐疲劳特性出色的且高强度的汽车构件(1号部件、2号部件)。另一方面，不在本发明范围内的不锈钢管(10号钢管)不能进行二次加工。
工业实用性
根据本发明，能够大批量生产和供应缩径、扩管、弯曲、缩径等二次加工性能出色的汽车构件用不锈钢管，在工业上非常有效。
                                                   表1
 钢                                                          化学成分(质量％)
  C   Si   Mn   Cr   N   Cu   Ni   Mo   Nb   Ti   V   P   S
  A   0.010   0.40   1.25   11.5   0.010   0.3   0.3   -   -   -   -   0.018   0.002
  B   0.008   0.80   0.41   12.9   0.009   -   -   -   -   0.2   -   0.015   0.002
  C   0.010   0.25   0.40   16.0   0.010   -   -   -   -   -   -   0.019   0.002
  D   0.005   0.06   0.22   17.3   0.010   -   -   0.54   0.40   -   0.19   0.020   0.002
  E   0.010   0.20   0.27   25.1   0.011   1.0   -   -   -   0.3   -   0.020   0.002
                               表2
钢管号 钢号          缩径轧制条件 中间加热 润滑轧制    成品管尺寸      成品管组织                        成品管特性 备注
加热温度℃ 轧制开始℃ 轧制结束℃ 缩径率％ 外径mm 壁厚mm 组织 F面积率％ F粒径μm  0.2％应力MPa  TSMPa  E1％ TE值MPa％ 兰克福特值 复合加工开裂率％
1  B  735  732  642  30.4 有 有 101.6  2.0  F  100  8.1  515  598  23  26850  -  0/10 发明例
2  B  735  730  628  48.6 有 无 75.0  2.1  F  100  6.5  524  603  25  28281  -  0/10 发明例
3  B  735  740  645  60.3 无 有 57.9  2.1  F  100  5.6  520  615  26  29459  -  0/10 发明例
4  B  780  776  676  72.7 无 有 39.8  2.3  F  100  2.4  550  650  29  33085  -  0/10 发明例
5  B 象电焊有缝钢管 146.0  2.1  F  100  30.1  500  590  18  23541  -  10/10 对比例
6  A  735  732  642  30.4 有 有 101.6  2.0  F  100  5.0  507  590  25  27571  0.55  0/10 发明例
7  A  735  730  628  48.5 有 无 75.2  2.1  F  100  4.2  520  600  27  29340  1.22  0/10 发明例
8  A  735  740  645  60.2 无 有 58.1  2.1  F  100  2.5  511  610  30  31659  1.32  0/10 发明例
9  A  780  776  676  72.5 无 有 40.2  2.3  F，M  98  2.0  545  650  32  35035  1.41  0/10 发明例
10  A 象电焊有缝钢管 146.0  2.0  F  100  14.0  513  600  19  24540  0.38  10/10 对比例
11  C  735  730  628  48.6 有 无 75.0  2.1  F  100  10.1  497  541  25  25373  -  0/10 发明例
12  C  735  740  645  60.3 无 有 57.9  2.1  F  100  7.6  498  542  25  25420  -  0/10 发明例
13  C  780  776  676  72.7 无 有 39.8  2.3  F  100  5.9  501  550  25  25795  -  0/10 发明例
14  C 象电焊有缝钢管 146.0  2.0  F  100  13.0  463  505  23  22675  -  10/10 对比例
15  C  735  730  628  48.5 有 无 75.2  2.1  F  100  6.0  495  542  26  25962  -  0/10 发明例
16  D  735  740  645  60.2 无 有 58.1  2.1  F  100  6.0  500  549  25  25748  -  0/10 发明例
17  D  780  776  676  72.5 无 有 40.2  2.3  F  100  2.3  508  557  23  21021  -  0/10 发明例
18  D 象电焊有缝钢管 146.0  2.0  F  100  12.5  450  490  21  21021  -  10/10 对比例
19  E  820  800  709  48.5 有 有 75.1  2.0  F  100  23.0  275  450  23  20205  -  10/10 对比例
F：铁素体    M：马氏体
                                         表3
部件号   钢管号   钢号   缩径轧制     成品管尺寸   成品管组织              成品管特性 缩径加工   调质热处理     部件特性 备注
外径mm 壁厚mm   0.2％应力MPa  TSMPa  E1％  TE  值MPa％ 缩径率％ 淬火 回火 抗拉强度MPa 疲劳强度MPa
℃ ℃
1   6   A 有 101.6  2.0  F  507  590  25  27671  20％ 380  200  900  460 发明例
2   9   A 有 75.0  2.1  F，M  545  650  32  35035  20％  870  440 发明例
3   10   A 象电焊缝管 146.0  2.1  F  513  600  19   24540  不能加工 -  -  -  - 对比例
F：铁素体    M：马氏体

Claims (6)

1、一种二次加工性能出色的汽车构件用不锈钢管，其特征在于，它具有按质量百分比地含有0.20％或小于0.20％的C、1.5％或小于1.5％的Si、2.0％或小于2.0％的Mn、10％-18％的Cr、0.03％或小于0.03％的N的且余量为铁和不可避免的杂质的化学成分并且它具有由铁素体或铁素体和马氏体构成的组织，所述马氏体的面积率为30％或小于30％，并且按照下式(1)定义的TE值超过25000MPa·％，即
        TE＝TS×(E1+21.9)                   (1)
在这里，TS是管轴向上的抗拉强度(MPa)，
        E1是管轴向上的延伸率(％)。
2、如权利要求1所述的不锈钢管，其特征在于，兰克福特值大于0.5。
3、如权利要求1所述的不锈钢管，其特征在于，所述铁素体的晶粒直径为8μm或小于8μm。
4、如权利要求2所述的不锈钢管，其特征在于，所述铁素体的晶粒直径为8μm或小于8μm。
5、如权利要求1-4之一所述的不锈钢管，其特征在于，在上述化学成分的基础上，它按质量百分比地还含有0.6％或小于0.6％的Cu、0.6％或小于0.6％的Ni、2.5％或小于2.5％的Mo、1.0％或小于1.0％的Nb、1.0％或小于1.0％的Ti和1.0％或小于1.0％的V中的一种或两种以上的元素。
6、一种耐疲劳特性出色的汽车构件，对权利要求1-4之一所述的不锈钢管进行二次加工和调质热处理并获得800MPa或大于800MPa的抗拉强度。
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