熱機械工藝的制作方法
【專利摘要】一種生產變形的和拉長的鋼元件的方法，包括如下步驟：將鋼線材或鋼絲暖軋成變形的和拉長的鋼元件；以后在高于鋼的較高轉變溫度(Ac3/Acm)的溫度下加熱變形的和拉長的鋼元件；及在加熱之后，將變形的和拉長的鋼元件淬火。
【專利說明】
熱機械工藝

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種由熱機械工藝(Thermo-mechanical processing, TMP)生產變形和拉長鋼元件的過程，特別是涉及由TMP制成的平變形鋼絲或平片。

【背景技術】
[0002]熱機械工藝現(xiàn)在是用于多種鋼產品的生產線的關鍵部分。鋼的形狀以及顯微結構為了最終產品和應用的利益可由TMP修改。
[0003]US5922149A公開了一種用來制造拉長變形金屬絲的TMP。變形金屬絲或者通過冷成形(例如，軋制rolling)或者通過熱成形由鋼生產。以后，對變形金屬絲進行至少一種淬火(quenching)操作。
[0004]US5542995A公開了一種由棒、條或有縫鋼制造平鋼帶或帶材的方法。將鋼件加熱到大于AdAai的溫度。然后鋼由至少七個站熱軋，以便得到最終設計帶或帶材形狀。將熱軋帶或帶材淬火，以形成希望晶粒結構。
[0005]熱軋和冷軋是在鋼產品的生產中的兩種常見技術，其中鋼需要模壓和再變形。鋼軋制涉及金屬坯料通過一對軋輥。軋制產生特定厚度的平鋼板或帶材，并且過程根據(jù)軋制金屬的溫度而分類。如果金屬的溫度高于其再結晶溫度，或者高于金屬的晶粒結構可改變的溫度，那么將過程命名為熱軋。相反，冷軋通常在室溫下進行。
[0006]對于熱軋過程，大變形可連續(xù)地重復，而鋼保持柔軟和可延展。鋼的硬度不能由熱軋良好地控制，它是化學組成和在軋制之后的冷卻速率的函數(shù)。即使鋼的硬度可控制在相當?shù)退较?，它也不可能?jīng)過不同的道次而增加。熱軋產品的硬度一般比冷軋產品的硬度低，并且熱軋的要求變形能量也小于冷軋要求變形能量。另外，在熱軋期間，晶粒生長加速，特別是對于普通碳鋼，因為溫度高于鋼的奧氏體化溫度(Ac3)(依據(jù)組成，一般高于725°C?825°C )。同時，當溫度高于700°C時，在鋼的外表面的氧化物顯著地增加。兩個事實對于鋼的性能(例如強度)都是有害的。而且表面氧化的經(jīng)歷將導致材料損失和不良的最終表面光潔度。
[0007]冷軋過程具有加工硬化和強化材料的附加效果，因而進一步改進材料的機械性能。它也改進表面光潔度，并且保持較緊容差，允許由熱軋所不能得到的希望質量。然而，室溫鋼比熱鋼有較小展延性，所以冷軋在單次通過中不能將工件的厚度減小得與熱軋一樣多。另外，冷軋鋼的可延展性由于應變硬化而減小，因而使它更脆。


【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種新TMP，這種新TMP可避免現(xiàn)有技術的缺點。
[0009]本發(fā)明的目的也是提供一種TMP，這種TMP可生產變形和拉長鋼元件，該變形和拉長鋼元件具有可接受的延展性和硬度。
[0010]本發(fā)明的進一步目的是提供一種TMP，這種TMP可通過較少壓延步驟生產在所要求容差(tolerance)內的變形和拉長鋼元件。
[0011]本發(fā)明的另一個目的是開發(fā)一種TMP，借助于這種TMP，可按保證恒定和良好質量的高生產率，生產變形鋼絲。
[0012]本發(fā)明的又一個目的是開發(fā)一種經(jīng)濟TMP，這種經(jīng)濟TMP具有低成本和小空間要求。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，提供有一種生產變形和拉長鋼元件的過程。它包括如下步驟:將鋼線材或鋼絲暖軋成變形和拉長鋼元件，以后在高于鋼的較高轉變溫度(Ac3/AeM)的溫度下加熱變形和拉長鋼元件；在加熱之后，將變形和拉長鋼元件淬火。這里，暖軋(warm rolling)是指如下過程:使在升高溫度下加熱的金屬在兩個軋輥之間通過，以弄平和拉長金屬，這些升高溫度在較低轉變溫度(Acl)以下。較高轉變溫度(Ac3/AeM)或奧氏體化溫度是指在Fe-C相圖中其中開始奧氏體形成的溫度。這個溫度依賴于鋼等級和在鋼中的碳含量。根據(jù)本發(fā)明的過程將暖軋、進一步奧氏體化加熱及淬火組合在單個連續(xù)生產線中，使生產更經(jīng)濟和能量有效。與熱軋相比，根據(jù)本發(fā)明，鋼棒或鋼絲保持在高于kc3/kcw的溫度下的持續(xù)時間由暖軋限制或縮短，以后是奧氏體化加熱。這一方面可限制在表面處的氧化層的厚度，并且另一方面可在比較低溫度下控制晶粒生長。與由常規(guī)熱軋工藝的鋼相比，根據(jù)本發(fā)明的過程，鋼元件的晶粒尺寸受到限制，并且小得多。因為較小晶粒對于淬火裂紋比較粗晶粒不敏感，所以根據(jù)本發(fā)明的過程生產的鋼元件的疲勞壽命增加。況且，在暖或熱軋中，鋼元件在與軋機本身(軋輥)、軋制乳化液、及導向輥相接觸期間將失去熱量。存在將沿鋼絲引起鋼溫度波動的很大危險，因為損失將相對于時間而變化(例如，臨時地較多乳化液濺落在鋼絲上)。通過在軋制后具有另外的奧氏體化操作，避免溫度波動，導致更均質的鋼產品。額外地且重要地，變形和拉長鋼元件的尺寸或精度由暖軋良好地控制。變形和拉長鋼元件的容差(例如±20 μ m，優(yōu)選地± 10 μ m)，在有限壓延步驟內是可接受的。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，線材或鋼絲可以是具有范圍從0.1至1.0Wt%的碳含量的鋼。優(yōu)選地，線材或鋼絲也可以是普通碳鋼，普通碳鋼優(yōu)選地具有范圍從0.45至0.70wt %的碳含量。鋼絲可以是半成品，該半成品具有圓形橫截面，該圓形橫截面具有2至5_的直徑。優(yōu)選地，鋼絲具有3至4mm的直徑。變形和拉長鋼元件可以是平變形鋼絲，該平變形鋼絲具有幾乎矩形橫截面。平變形鋼絲的寬度的范圍是從5至10mm，并且厚度的范圍是從0.5至1.5mmο優(yōu)選地，具有幾乎矩形橫截面的平變形鋼絲的寬度乘厚度是6 X 0.8mm、7 X 0.9mm或7X1.0mm。比較薄或小尺寸平變形鋼絲難以由熱軋精確地生產。加熱鋼絲的熱量當鋼絲離開奧氏體化爐時或當鋼絲與軋輥接觸時，由于鋼絲的小尺寸和因而小容量，將快速地消散。熱量損失對于具有小橫截面面積的鋼絲比對于具有大橫截面面積的鋼絲更可能發(fā)生。根據(jù)本發(fā)明，暖軋使得生產薄或小尺寸平變形鋼絲變得可能。
[0015]鋼絲通過的軋制站越多，厚度減小得越多。應用的軋制站的數(shù)量取決于希望厚度減小。在本發(fā)明中，變形和拉長鋼元件可以通過兩個厚度減小暖軋機，即第一暖軋機和第二暖軋機，軋制到最終尺寸。兩個暖軋機用來將鋼絲的厚度從約4mm的直徑弄平或減小到平形狀，該平形狀具有約7X0.9mm的寬度乘厚度。依據(jù)所期望的減小量，也可以應用更多軋制站。與用于類似減小的冷軋相比，暖軋的應用顯著地簡化過程，并且降低成本。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，在第一厚度減小暖軋機之前和在兩個厚度減小暖軋機之間，可以測量和控制成形鋼元件的張力。況且，變形和拉長鋼元件由在第一和第二厚度減小暖軋機之間的直角形成或邊緣軋制站軋制。重要的是使張力最小，并且/或者使它在鋼絲中保持恒定，該鋼絲在站之間運動。張力可導致鋼絲的顯著變細或斷開。精確速度調節(jié)系統(tǒng)可用來控制速度，在該速度下軋輥被驅動以使張力最小。更明確地說，重要的是保持張力恒定。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，在軋制之前首先將線材或鋼絲加熱到例如400°C至700°C，優(yōu)選地600°C至700°C。任何適當加熱方法可以用來加熱線材或鋼絲，如在電阻爐、烘箱、紅外輻射(IR)加熱器、氣體燃燒器、流化床中或經(jīng)任何傳導加熱。作為另一個例子，中頻感應加熱爐也可以用來加熱鋼絲。這里，中頻意味著范圍從10至200kHz的頻率。優(yōu)選地，在暖軋期間使用單元，該單元調整鋼的溫度，以補償在軋制步驟期間可能發(fā)生的熱量損失。在暖軋之后，變形和拉長鋼元件通過進一步熱工藝而奧氏體化。熱工藝可以在電阻爐、IR爐或高頻感應加熱爐中進行。優(yōu)選地，爐子用惰性或還原氣體沖洗，如用氮氣沖洗，以將鋼保持在保護氣氛中而避免氧化。這里，高頻意味著范圍從250kHz至2MHz的頻率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，感應加熱的頻率確定物體的表皮深度。在本發(fā)明中，表皮深度優(yōu)選地根據(jù)鋼絲厚度/直徑而適應，以得到高效加熱。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，淬火在變形和拉長鋼元件的奧氏體化之后進行。淬火是從高溫非常迅速地冷卻到低溫。根據(jù)本發(fā)明，淬火在奧氏體化溫度以上開始。淬火步驟可以降低到在溫度(Ms)與溫度(Mf)之間發(fā)生，在溫度(Ms)，馬氏體形成開始，在溫度(Mf)，馬氏體形成結束。優(yōu)選地，淬火在小于30秒(優(yōu)選地小于6秒，更優(yōu)選地小3秒)的時段期間降低到Mf以下的溫度，例如100°C，以形成馬氏體結構。淬火可在油槽、鹽槽、聚合物槽中或在水槽中進行。然后將淬火的變形和拉長鋼元件在范圍從320°C至600°C的溫度下在范圍從I至200秒(選地I至20秒)的時段期間回火，以釋放應力并且具有必要的延展性?；鼗?tempering)可在鹽槽中、在具有低熔點的適當金屬合金的槽中、在適當爐子或烘箱中進行，或者可借助于感應或爐子和感應的組合而達到。然后將變形和拉長鋼元件冷卻到室溫。
[0019]可選擇地，回火可在小于60秒并且優(yōu)選地小于30秒的時段期間，降低到馬氏體形成開始的溫度(Ms)以上的溫度，以形成珠光(perlitic)結構。回火可降低到稍高于Ms的溫度。比如，鋼的馬氏體轉變的開始溫度Ms依據(jù)鋼的組成是大約280°C，并且回火在30秒內降低到大約300°C的溫度。
[0020]全部步驟在一條單一連續(xù)生產線中進行。這里，“單一連續(xù)生產線”意味著，一個處理步驟直接由另一個處理步驟跟隨而沒有中斷，直到完成全部步驟。根據(jù)本發(fā)明的過程顯著地節(jié)省空間和能量，并且簡化對于設備的要求。
[0021]最終產品是變形和拉長鋼元件，具體地說是具有幾乎矩形橫截面的平變形鋼絲或平葉片。這種平變形鋼絲或平葉片可用作汽車車窗的刮水器、彈簧絲或加強元件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的用來制造變形和拉長鋼元件的TMP的示意表示。
[0023]圖2表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的鋼元件的溫度分布。
[0024]圖3表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的鋼元件的溫度分布。

【具體實施方式】
[0025]實施例1
[0026]開始材料是具有3.5mm直徑的圓形鋼絲。它可以具有各種組成成分，例如0.45至0.75被％的碳含量，并且剩余部分是鐵。
[0027]圖1是用來制造變形和拉長鋼元件的TMP的示意表示。根據(jù)本發(fā)明鋼絲通過的基本或特征處理步驟由第一加熱(Hl)、第一暖軋(WRl)、鋼絲的張力的測量(Ml)、第二暖軋(WR2)、第二加熱或奧氏體化(H2)、及回火(Q)的方塊指示。這些步驟將在下面進一步討論。在圖1中，示意地表明在每個步驟之后鋼絲的橫截面。在熱力學過程期間鋼絲的溫度分布示意地表示在圖2中。
[0028]工藝的第一步驟是放線(pay-off)步驟,其中，開始材料，即具有3.5mm直徑的圓形鋼絲，被分配并且開始通過過程的各步驟。放線可利用轉動圓盤式放線卷軸而完成。優(yōu)選地，利用具有兩個圓盤式卷軸雙重站，從而在第一卷正在放出的同時，可加載第二卷。
[0029]用于盤繞圓形鋼絲的下個步驟是矯直(straightening)步驟,其中，將鋼絲至少部分地矯直，并且將盤條卷曲(coil set)至少部分地除去。矯直步驟可利用常規(guī)矯直機進行。然后在進一步處理之前，將鋼絲清潔并且除去在鋼絲上的氧化皮。鋼絲可以由拉模拉制以減小直徑，并且可以進一步增大抗拉強度。
[0030]參照圖1，下個步驟是由方塊Hl代表的對于鋼絲的第一熱工藝。拉制鋼絲(11)在中頻感應爐中加熱到希望溫度，例如600°C至700°C。這在如圖2所示的鋼絲的溫度分布中由階段A指示。拉制鋼絲的位置，尤其是張力，優(yōu)選地在通過中頻感應加熱爐之前測量。
[0031]下個步驟是軋制暖鋼絲(12)，這種軋制優(yōu)選地包括如圖1所示的第一暖軋(WRl)和第二暖軋(WR2)。暖圓形鋼絲(12)首先被驅動，并且通過第一軋機(WRl)。將鋼絲(12)成形成平形狀，并且同時，減小鋼絲(12)的厚度。由于在鋼絲與軋輥之間的顯著溫度差，當暖鋼絲接觸軋輥時，熱量傳遞從暖鋼絲到冷軋機發(fā)生。鋼絲的熱量損失引起其輕微溫度降。這個溫度降由圖2的階段B中的第一臺階式溫度降反映。優(yōu)選地使用調整鋼的溫度的單元。然后鋼絲(13)通過張力測量和控制單元，以使在站之間運動的鋼絲的張力最小?？梢詰镁匦涡纬烧荆摼匦涡纬烧揪哂衅巾敳亢偷撞寇堓?，這些平頂部和底部軋輥具有平軋輥孔型設計，以生產矩形橫截面鋼。可選擇地，可以應用非驅動邊緣軋制，以控制平變形鋼絲的寬度和邊緣變化。以后，為了進一步厚度減小，應用第二暖軋(WR2)。在第二暖軋期間鋼絲的熱量損失由圖2的階段B中的第二臺階式溫度降指示。在這些軋制步驟之后的鋼絲
(14)具有平形狀和幾乎矩形橫截面，該矩形橫截面具有6至1mm的寬度和0.8至1.5mm的厚度。平變形鋼絲的厚度的容差是約±20 μ m。
[0032]下個步驟是，通過在圖2中方塊H2所代表的第二熱工藝將平變形鋼絲奧氏體化。任何可買到爐子可以用作奧氏體化爐，優(yōu)選地應用高頻感應發(fā)生器。將平變形鋼絲加熱到比鋼的點Ac3高的溫度，例如高于900°C。這由圖2的鋼絲的溫度分布中的階段C表示。借助于通過奧氏體化爐，將鋼絲(15)的溫度協(xié)調和保持在比鋼的點Ac3高的溫度，例如約9500C (在圖2中的階段D)。
[0033]這個實施例中，為了到馬氏體的金相轉變，進行淬火(在圖1中的方塊Q)。這由圖2中的階段E代表。在例如小于6秒的時段期間，將平變形鋼絲(15)從比鋼的點Ac3高的溫度降低到在馬氏體形成結束的溫度(在圖2中的Mf)以下的溫度，例如從大約950°C的溫度降低到大約100°C的溫度，而迅速地淬火。淬火可在油槽、鹽槽中或在聚合物槽中進行。
[0034]優(yōu)選地，希望在淬火之后回火。將淬火的平變形鋼絲(16)在例如在320至600°C之間(優(yōu)選地在350至500°C之間)的溫度范圍中回火。然后將平變形鋼絲冷卻到室溫。
[0035]最后，將平變形鋼絲切割和轉移，以允許連續(xù)過程。獲得最終產品。
[0036]另外，可以應用擠壓步驟，并且鋼絲優(yōu)選地涂有聚合物。比如，鋼絲涂有聚氯乙烯(PVC)，優(yōu)選地涂有聚對苯二甲酸乙酯(PET)。
[0037]全部以上步驟在一個單一連續(xù)鋼絲生產線中進行，這個單一連續(xù)鋼絲生產線設計成在100m/min至200m/min的速度下工作，例如:在大約120m/min、150m/min及180m/min的速度下工作.
[0038]實施例2
[0039]根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，在淬火之后形成珠光結構，該珠光結構與關于第一實施例的馬氏體結構不同。根據(jù)第二實施例的鋼絲的溫度分布表明在圖3中。
[0040]對于鋼絲進行除淬火之外與第一實施例相似的處理。根據(jù)第二實施例，在圖1中的方塊Q所參考的淬火步驟中，將來自奧氏體化爐的平變形鋼絲(在圖3中的階段D)迅速冷卻(在圖3中的階段EI)到稍高于溫度Ms的溫度。例如，將平變形鋼絲從約950°C快速冷卻到約580°C (如在約30秒中)，并且在約580°C下保持一段時間。然后將鋼絲在水中進一步冷卻，如由在圖3中的階段EII表示的那樣。作為例子，用約20分鐘將鋼絲從580°C冷卻到100°C。
[0041]可選擇地，可以應用水空氣韌化工藝。將鋼絲從諸如約950°C的奧氏體化溫度逐漸或緩慢地冷卻到室溫。
[0042]根據(jù)第二實施例由淬火步驟工藝的平變形鋼絲具有珠光結構。
[0043]這里說明性描述的本發(fā)明可以在沒有這里未明確公開的任何元素(一個或多個)、限制(一個或多個)的情況下適當?shù)貙嵺`。應該理解，盡管本發(fā)明已經(jīng)由優(yōu)選實施例和選擇性特征明確地公開，但這里實施的本發(fā)明的修改和變更可以由本領域的技術人員利用，并且這樣的修改和變更認為在本發(fā)明的范圍內。
【權利要求】
1.一種生產變形的和拉長的鋼元件的方法，包括如下步驟: 將鋼線材或鋼絲暖軋成變形的和拉長的鋼元件； 隨后在高于鋼的較高轉變溫度(Ac3/Acm)的溫度下加熱變形的和拉長的鋼元件；及 在加熱之后，將變形的和拉長的鋼元件淬火。
2.根據(jù)權利要求1所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中，變形的和拉長的鋼元件的厚度容差是±20 μ m。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中，線材或鋼絲是具有范圍從0.1至1.0wt%碳含量的鋼。
4.根據(jù)以上權利要求任一項所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中線材或鋼絲是普通碳鋼。
5.根據(jù)以上權利要求任一項所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中線材或鋼絲具有圓形橫截面，該圓形橫截面具有2至5mm的直徑。
6.根據(jù)以上權利要求任一項所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中，變形的和拉長的鋼元件是平變形鋼絲，該平變形鋼絲具有寬度范圍從5至1mm和厚度范圍是從0.5至1.5mm的尺寸。
7.根據(jù)權利要求6所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中，變形的和拉長的鋼元件通過第一和第二厚度減小暖軋機軋制到所述尺寸。
8.根據(jù)權利要求7所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中，在第一厚度減小暖軋機之前以及在第一和第二厚度減小暖軋機之間，控制所述變形的和拉長的鋼元件的張力。
9.根據(jù)以上權利要求任一項所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中，在暖軋之前，在電阻爐、烘箱、紅外輻射(IR)加熱器、中頻感應加熱爐、氣體燃燒器、流化床之一中或經(jīng)任何傳導加熱，將線材或鋼絲加熱到范圍從400°C至700°C的溫度。
10.根據(jù)以上權利要求任一項所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中，加熱在電阻爐、IR爐或高頻感應加熱爐之一中進行。
11.根據(jù)權利要求7至10任一項所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中，變形的和拉長的鋼元件由在第一和第二厚度減小暖軋機之間的直角形成或邊緣軋制站軋制。
12.根據(jù)以上權利要求任一項所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中，在小于30秒的時段期間，淬火降低到溫度(Mf)以下以形成馬氏體結構，其中在所述溫度(Mf)，馬氏體結構形成結束。
13.根據(jù)以上權利要求任一項所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中，將淬火之后的變形的和拉長的鋼元件在范圍從320°C至600°C的溫度、在范圍從I至200秒的時段期間回火。
14.根據(jù)權利要求1至11任一項所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中，在小于60秒的時段期間，淬火降低到溫度(Ms)以上的溫度以形成珠光結構，其中在該溫度(Ms)，馬氏體結構形成開始。
15.根據(jù)以上權利要求任一項所述的生產變形的和拉長的鋼元件的方法，其中，變形的和拉長的鋼元件用作汽車車窗的刮水器、彈簧絲或加強元件。
【文檔編號】C21D8/06GK104511477SQ201410499642
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權日:2013年9月27日
【發(fā)明者】T·漢塞拉爾, P·萬蘭斯特, J·斯科爾德曼 申請人:貝卡爾特公司