CN1490184A - 抗弯曲不锈钢制成的两轮车辆结构零件 - Google Patents

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Abstract

一种由铁素体/马氏体双相不锈钢板或管制得的两轮车辆。该不锈钢含有由最高达0.04质量％的C、最高达2.0质量％的Si、最高达2.0质量％的Mn、10.0～20.0质量％的Cr、最高达4.0质量％的Ni、最高达3.0质量％的Cu、最高达0.12质量％的N及任选的最高达0.015质量％的B、最高达3.0质量％的Mo、最高达0.10质量％的Ti、最高达0.40质量％的Nb、最高达0.30质量％的V中的一种或多种，余量基本是铁。以将由公式St＝100C+30N－0.32γ(γ代表双相退火状态中马氏体相的比例(体积％))所限定的敏化指数(St)控制在－31～－7以内的方式控制铁素体/马氏体双相。该钢板的表面硬度为HV270或更高。

Description

抗弯曲不锈钢制成的两轮车辆结构零件
技术领域
本发明涉及在焊接热影响区耐蚀性和抗弯曲性优良的不锈钢制成的两轮车辆，如自行车、摩托车和轮椅的结构零件。
背景技术
两轮车辆，如自行车、摩托车和轮椅的轮胎钢圈及框架经常被暴露在腐蚀气氛中。为了延长寿命，已将这些结构零件的材料由电镀钢板改变成铁素体不锈钢板，例如SUS304。该材料可焊性也将是良好的，因为结构零件通常是通过焊接制造的。
日本第73866A/1986号专利提出了一种通过以0.1～0.3质量％和0.15～0.3质量％的比例分别添加Ti和Nb两种元素，即使在焊接部分韧性、延性和耐蚀性得到改进而在焊接时没有弯曲的10～20质量％Cr铁素体不锈钢。然而，所建议的不锈钢所具有的缺点是，由于以高比例添加Ti，该Ti夹杂物经常会造成Ti条痕。
日本第16485 7A/1987号专利提出了另一种用做轮胎钢圈的铁素体不锈钢，其中以适当比例将奥氏体构成物，例如Ni、Mn或Cu添加到12.5～17质重％Cr铁素体不锈钢中，同时降低C和N含量，以改进在焊接部分的晶粒间耐蚀性而不需要对韧性和可加工性的稳定化元素，如Ti或Nb。还报导了为产生马氏体相将CE值控制在预定范围内。但该不锈钢由于C和N含量总量降低至0.04质量％或更少而具有不良强度，这与马氏体产生无关。该钢可通过添加合金化元素强化，但添加合金化元素提高钢的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供由在焊接热影响区和基体金属部分两处可焊性、强度和抗弯性以及耐蚀性均改进的不锈钢板或管制成的廉价结构零件，如两轮车辆，例如自行车、摩托车和轮椅的轮胎钢圈和框架。
本发明提出了一种铁素体/马氏体双相不锈钢板制成的结构零件。
为达到该目的的不锈钢具有由最高达0.04质量％的C、最高达2.0质量％的Si、最高达2.0质量％的Mn、10.0～20.0质量％的Cr、最高达4.0质量％的Ni、最高达3.0质量％的Cu、最高达0.12质量％的N、以及任选的最高达0.015质量％的B、最高达3.0质量％的Mo、最高达0.10质量％的Ti、最高达0.40质量％的Nb、最高达0.30质量％的V中的一种或多种，以及余量除不可避免的杂质外为铁所组成的化学组成。
该不锈钢在通过控制马氏体与C和N含量的比例(γ)，将由公式St＝100C+30N-0.32γ(其中γ代表双相退火状态中马氏体相的比例(体积％))所限定的敏化指数(St)调节到-31～-7的值的条件下，具有由5～75体积％的铁素体和25～95体积％的马氏体所组成的双相结构。
轮胎钢圈通常由不锈钢板制得，而框架零件通常由不锈钢管制得。在任何场合，将不锈钢板或管的表面硬度，除焊接部分外，调节到HV270或更高。
用作结构零件的不锈钢板制备如下：将具有特定组成的钢带冷轧而后在连续式退火炉中双相退火，通过在铁素体/马氏体双相区中于850～1100℃下加热钢带进行双相退火作为最终热处理并随后冷却该加热钢带。
本发明人已从不同方面研究和检验了对两轮车辆，例如自行车、摩托车和轮椅结构零件必要的不锈钢板的性能，特别是焊接热影响区的耐蚀性和抗弯曲性。如下的说明针对自行车零件，但是相同的性能对摩托车和轮椅当然是必要的。
自行车的主要结构零件是轮胎钢圈和框架。为了稳定骑自行车的状态，这些零件将保持原始形状而没有形变。
在骑车时接近路表面的轮胎钢圈被暴露在腐蚀气氛中，并也经受与橡胶闸的摩擦。卵石或类似物碰撞轮胎钢圈和框架。考虑到这些实际条件，轮胎钢圈和框架必须具有良好的刚性、耐蚀性、耐磨性以及抗凹陷性等性能。
因为具有应变致马氏体和奥氏体金相结构的半稳定奥氏体不锈钢为该目的所需的刚性和抗凹陷性不良，本发明人已研究了铁素体/马氏体双相不锈钢的实用性，该钢含有最高达0.04质量％的C、最高达0.12质量％的N、以及10.0～20.0质量％的Cr。通过适当地控制双相退火状态中马氏体的比例以及相对于C和N含量的敏化指数St，达到了适于该目的的刚性、抗凹陷性和耐蚀性。
刚性(抗弯曲性)通过将不锈钢硬化到维氏硬度270或更高和使铁素体/马氏体双相细晶化以使提高杨氏模数而得到改进。产生马氏体相导致提高强度并改进抗凹陷和耐蚀性能。
当不锈钢板焊接时，被焊接热加热高达600～900℃。在这样的高温区，铬的碳氮化物由钢基质中沉淀并回过来造成Cr贫化区。该Cr贫化区不利地促进了敏化并降低了耐蚀性能。
铁素体和马氏体相为b.c.c.(体心立方)晶体结构，其中C和N基本上不溶并且碳氮化物由于扩散速率大于f.c.c.(面心立方)晶体结构的奥氏体相很可能沉淀。马氏体相反向转化成奥氏体相，其中在高温下，与铁素体或马氏体相比较，相当大量的C和N被溶解。
在铁素体或马氏体相中已一度沉淀的碳氮化物在反向转化时再次溶解在奥氏体相中。通过将不锈钢快速加热至高温奥氏体区以使在短时间内完全反向转化也可避免造成Cr贫化区和降低灵敏度的碳氮化物沉淀。动力学理论很好地解释了在碳氮化物沉淀前完成反向转化。这就是，当不锈钢被加热高达奥氏体区时，在加热阶段通过温度区，其中碳氮化物在铁素体或马氏体中沉淀，但碳化物的沉淀在一定保温周期后开始。
在以后的冷却工序中，溶解C的奥氏体相转化成马氏体而没有碳化物沉淀。因此，马氏体相被强化。
在反向转化时C和N原子的状态意味着当C和N含量增加时敏化作用加快，而当在双相退火状态中反向转化马氏体的比例(换言之，在室温时可反向转化的马氏体比例)增加时，敏化作用被抑制。在这一意义上，为了抑制铬的碳化物沉淀和Cr贫化区的产生，将在室温时反向转化马氏体的比例控制在与C和N的特定关系，以使在升高温度下将C和N原子溶解在反向转化奥氏体中。
附图说明
图1是说明模仿轮胎钢圈产品形状的剖面图。
图2是显示有关C和N含量和马氏体比例的焊接部分耐蚀性的曲线图。
图3是说明弯曲试验的视图。
具体实施方式
一种用作结构零件，如轮胎钢圈和框架的不锈钢含有预定比例的各种不同合金化元素如下：
C最高达0.04质量％
C是一种对强化马氏体相有效的奥氏体构成物。通过C含量控制由在高于Ac1的温度加热不锈钢并随后将其冷却至室温而产生的马氏体的比例。在C为0.01质量％或更高时表明了C对马氏体相强度和马氏体的比例的作用。但是，大于0.04质量％的过量的C造成在双相退火的冷却阶段或在硬化时晶界处铬的碳化物沉淀并降低晶粒间耐蚀性。
Si最高达2.0质量％
Si是一种在炼钢时作为脱氧剂添加的元素，并且由于增进应变时效而提高钢板的可时效硬化性。当Si含量增加时，马氏体相硬化，奥氏体相固溶硬化，冷加工钢板被强化。然而，大于2.0质量％的过量Si造成制备过程中的热裂纹和损伤。 Si含量的上限较佳被定为1.5质量％。
Cr为10.0～20.0质量％
Cr是一种耐蚀性的基本元素。 Cr含量被定为10.0质量％或更高，以给予不锈钢为目的所需的耐蚀性。但是，高于20.0质量％的过量Cr不仅使不锈钢韧性恶化，而且也需要为产生马氏体晶粒而添加奥氏体构成物，例如C、N、Ni、Mn和Cu。添加奥氏体构成物提高了钢的成本并且不利地在室温下稳定奥氏体相。Cr含量优选被控制在13.5～18.5质量％范围内。
Ni、Mn和Cu作为奥氏体构成物对在高温下产生铁素体/奥氏体双相结构(在室温时转化成铁素体/马氏体结构)是必要的。因为当Ni、Mn和Cu含量增加时马氏体的比例变得更大，不锈钢板更硬化。然而，过量添加高于4.0质量％的Ni、高于2.0质量％的Mn和高于3.0质量％的Cu阻碍奥氏体转化成马氏体，并使得在室温时存在奥氏体，导致不良的强度。在这一意义上，优选的是分别控制Ni、Mn和Cu的含量在0.50～3.0质量％、0.01～2.0质量％和0.02～2.5质量％范围内。
N最高达0.12质量％
N是和C相同的奥氏体构成物，尽管其对钢板强度的作用比C略弱。通过N含量控制由在高于Ac1的温度下加热不锈钢并随后在室温使其冷却而产生的马氏体的比例。但是，N比C更易使不锈钢敏化，以及在双相退火冷却阶段或在硬化时在晶界处沉淀的氮化物不利地降低耐蚀性。此外，过量N造成内部缺陷，如气孔。在这意义上，N含量的上限被定为0.12质量％(优选为0.08质量％)。
B最高达0.015质量％
B是防止使热轧钢板在热轧的升高温度区由铁素体和奥氏体相之间耐形变性的差别所引起的带材边部裂纹的一种任选合金化元素。然而，高于0.15质量％的过量B促进了对焊接时的热加工性和耐热裂纹性有害的低熔点硼化物的产生。
Mo最高达3.0质量％
Mo也是一种对耐蚀性有效的任选元素，但高于3.0质量％的过量的Mo降低热加工性并提高钢的成本。Mo含量的上限优选为2.0质量。
Ti最高达0.10质量％、Nb最高达0.40质量、以及V最高达0.30质量％
Ti、Nb和V为将C和N稳定成碳氮化物并改进焊接热影响区耐蚀性的任选元素。这些元素对晶体颗粒极小化和增强不锈钢有效。然而，高于0.10质量％的过量Ti会引起钛簇的产生和出现表面缺陷，高于0.40质量％的过量Nb促进低熔点合金化层或氧化物的产生并降低不锈钢的抗焊接热裂性能，以及高于0.30质量％的过量V极度提高不锈钢板的高温强度并造成生产过程中的麻烦。
除上述元素外，在为室温下形成铁素体/马氏体双相结构的合金化设计下，另外可添加一种或多种铁素体构成物，如铝。也可添加Y、Ca和REM(稀土金属)中的一种或多种以改进耐蚀性和热加工性，只要这些元素的添加不降低不锈钢板的强度。
不锈钢板另外被如下敏化指数和表面硬度所规定：
敏化指数在-31～-7范围内
当不锈钢板在焊接时被暴露于高温气氛时，铬的碳化物在钢基质中沉淀。碳化铬的沉淀意味着Cr贫化区的产生、敏化作用以及最终耐蚀性的降低。促进敏化作用的因素是C和N含量，而抑制敏化作用的因素是双相退火状态中反向转化奥氏体的比例，即室温时反向转化马氏体的比例γ(体积％)。总之，不锈钢通过适当地对表示室温下马氏体比例与C和N含量关系的敏化指数进行控制而较少被敏化，但改进了耐蚀性。
本发明人已发现，敏化指数St典型地由不同的试验被公式St＝100C+30N-0.32γ所限定，并且敏化作用通过将敏化指数St不大于-7而得到抑制。然而，敏化指数小于-31意味着C和N的含量降低到不够硬度为HV270的程度。优选的敏化指数是在-28～-10范围内。
例如，通过将热轧钢板在780℃退火12小时，在一个炉中使其原样冷却，以压缩比80％将其冷轧，在950℃将冷轧钢板退火1小时而后在露天冷却制得具有马氏体控制比例的不锈钢板。
具有表面硬度HV270或更高的基体金属
除了马氏体比例外，通过C和N含量控制不锈钢板的硬度。为了提供弹性良好的轻结构零件，不锈钢板必须在离焊接热影响的部分具有表面硬度为HV270或更高(优选为HV300或更高)。当表面硬度小于HV270时，使用厚的结构零件不利于生产两轮车辆，导致重的产品。
在室温马氏体比例不小于25体积％(优选为40体积％)对表面硬度为HV270或更高是必要的。这样一种马氏体比例，对给予两轮车辆结构零件抗凹陷和耐磨性能也有效。
由如下实施例将清楚地理解本发明的其他特色。
实施例1
在真空炉中熔化具有表1所示化学组成的一些钢，铸造成板坯，热轧至厚度为4.5mm，在炉中于780℃退火12小时并随后原样冷却，将退火钢板冷却，冷轧至厚度为1.5mm，在800℃中间退火1分钟，在露天冷却，再次冷轧至最终厚度为0.5mm，而后在950℃双相退火1分钟。
通过显微镜在沿厚度方向200μm×200μm的视野中观察各个双相退火钢板以检测马氏体。10次观察每一钢板，计算并平均马氏体的体积比。
由各个双相退火钢板取样的试验块被塑性成形并且TIG焊接以制备具有图1所示形状的轮胎钢圈。通过对焊不使用焊丝在如下条件下进行TIG焊接：
焊接电流为70A，
焊炬移动速度为300mm/分，
作为密封气体的氩的体积为10升/分，以及
钨电极直径1.6mm。
通过研磨焊道矫整焊接部分并用#400磨料纸与基体金属部分一起精整。
从焊接和精整的钢板取样的尺寸为100mm×150mm试验块并通过在JIS H8502中所规定的CASS试验(由此，试验块被浸在35±2℃时pH为3.0～3.1的(5％NaCl+0.26g/l CuCl2+乙酸)溶液中)检测。在200小时CASS试验后，观察该试验块以检测焊接热影响区的铁锈。结果评价如下并在图2中说明。
○：无铁锈的试验块
×：生锈的试验块
本发明人已研究了马氏体比例γ和100C+30N的值对出现铁锈的作用，并且通过图2所示100C+20N-0.32γ＝-7线使标记○和×彼此明显区别。图2的结果证明了，为了防止焊接部分不受腐蚀，敏化指数St(由公式St＝100C+20N-0.32γ所规定的)应小于-7。然而，当St降低小于-31时，由于C和N的不足，钢板变弱使硬度降至小于HV270。
表1：实施例1中不锈钢的化学组成(质量％)
  钢号    C   Si    Mn    Ni    Cr    Cu    N    Mo    Ti    Nb     100C+30N     γ
    1    0.055   0.23    0.03    0.98    19.23    2.23    0.120    0.97    0.04    0.05     9.10     50
    2    0.015   0.45    0.98    0.82    17.54    1.67    0.015    0.00    0.00    0.23     1.95     20
    3    0.034   0.78    0.33    0.56    18.23    0.13    0.118    0.00    0.07    0.34     6.94     42
    4    0.055   0.65    0.76    0.98    15.23    0.98    0.020    2.23    0.06    0.02     6.10     40
    5    0.040   0.30    0.55    3.23    18.79    1.23    0.030    0.00    0.00    0.38     4.90     88
    6    0.035   0.87    0.31    3.21    18.65    0.88    0.020    0.00    0.02    0.12     4.10     48
    7    0.020   1.23    1.76    2.00    17.34    1.23    0.020    1.95    0.03    0.01     2.60     43
    8    0.033   0.34    1.24    1.43    18.98    0.45    0.090    0.38    0.04    0.23     6.00     72
    9    0.022   1.33    0.27    0.99    16.77    1.89    0.035    0.00    0.02    0.00     3.25     55
γ代表室温时马氏体的比例(体积％)。
实施例2
在真空炉中熔化具有表2所示化学组成的一些钢，铸造成板坯，热轧至厚度为4.5mm，在炉中于780℃退火12小时并原样冷却。酸洗退火钢板，冷轧至厚度1.5mm，于800℃中间退火1分钟，露天冷却，再次冷轧至厚度为0.5mm而后于1030℃最终退火1分钟。表2中的钢K，相应于SUS 430LX，例外地在热轧和冷轧两种状态时于1000℃退火1分钟。
将由各种不锈钢板取样的试验块塑性成形成具有图1所示形状的轮胎钢圈并被TIG焊接成直径30mm的钢管。以焊接电流为150A以及焊炬移动速度为500mm/分进行TIG焊接。通过研磨焊道矫整焊接部分而后用#400磨料纸与基体金属部分一起精整。
通过弯曲试验以永久应变评价抗弯曲性，由此将沿L方向高度h。的试验体R制成模拟轮胎钢圈的半尺寸形状(图3所示)，将50kg重量W荷载在试验体R上然后去除荷载，而后测量沿L方向试验体R的高度h1并与原始高度ho比较以计算永久应变。永久应变值小于1mm被评价为抗弯曲性良好(○)。
表2：实施例2中不锈钢的化学组成(质量％)
钢种 C Si Mn Ni Cr Cu N Mo Ti Nb B V 注
 A    0.013    0.22    1.30    1.20    14.23    1.43    0.080    0.32    0.04    0.04    0.000    0.02 发明实施例
 B    0.029    0.47    0.31    2.43    16.59    0.48    0.029    0.05    0.01    0.02    0.007    0.06
 C    0.027    0.39    0.29    2.56    16.38    0.03    0.031    0.08    0.00    0.01    0.005    0.07
D 0.039 0.23 1.76 1.88 18.56 0.97 0.033 1.95 0.00 0.01 0.012 0.07
E 0.033 0.34 1.24 2.34 16.66 0.33 0.010 0.38 0.00 0.32 0.003 0.12
 F    0.009    0.54    0.78    0.97    15.78    2.17    0.066    0.88    0.08    0.01    0.006    0.23
 G    0.033    1.23    1.45    2.04    16.43    0.98    0.032    0.00    0.00    0.00    0.000    0.00
 H    0.066    0.55    0.29    1.95    16.35    0.06    0.009    0.08    0.01    0.01    0.006    0.02     对比例
 I    0.055    0.55    0.25    0.11    16.29    0.15    0.132    0.23    0.01    0.01    0.005    0.04
 J    0.003    1.78    0.31    0.19    9.45    0.76    0.008    0.22    0.00    0.07    0.000    0.08
K 0.032 0.34 0.87 0.23 18.23 0.43 0.098 0.26 0.08 0.14 0.002 0.04
 L    0.013    0.44    0.25    0.19    17.11    0.06    0.012    0.05    0.01    0.38    0.001    0.02
下面划线的数值是在本发明规定的范围之外。
钢J具有本发明规定的化学组成，但其St值大于-7。
检验了每种钢板以测定室温时双相退火状态中马氏体的比例。将测得的值取代St＝100C+30N-0.32γ公式的γ以计算敏化指数St。以实施例1中的相同方式测量或评价表面硬度、永久应变和耐蚀性。
结果示于表3。
可以理解的是，由本发明的钢制得的任何轮胎钢圈和任何钢管基体金属硬度为HV270或更高，而在基体金属和焊接两个部分不会发生铁锈。轮胎钢圈具有小于1mm被抑制的永久应变。
对比钢H至K具有本发明规定范围之外的化学组成或敏化指数St。
对比钢H和I分别含有过量的C和过量C+N，因此它们的焊接热影响区耐蚀性不良。
对比钢J制得的轮胎钢圈和钢管不是由马氏体/铁素体双相结构组成并且硬度不良。永久应变清楚地大于1mm。对比钢J由于Cr含量不足耐蚀性和抗弯曲性也不良。对比钢K由于其较高的敏化指数St，在其焊接热影响区耐蚀性不良。耐蚀性的降低证明了由焊接热引起的敏化作用的发展。
对比钢L，相应于SUS 430LX，抗弯曲性不良。
表3：试验块的试验结果
钢种   硬度HV     双相退火状态中马氏体的比例(体积％)  敏化指数St            CASS试验的耐蚀性  抗弯曲性   注
     轮胎钢圈        框架
  (1)    (2)   (1)   (2)
  A   281     78     -21.3   ○    ○   ○   ○     ○ 发明实施例
  B   382     88     -24.4   ○    ○   ○   ○     ○
  C   306     90     -25.2   ○    ○   ○   ○     ○
D 347 50 -11.1 ○ ○ ○ ○ ○
  E   307     60     -15.7   ○    ○   ○   ○     ○
  F   277     62     -17.0   ○    ○   ○   ○     ○
  G   335     80     -21.3   ○    ○   ○   ○     ○
  H   392     70     -15.5   ×    ×   ×   ×     ○   对比例
  I   384     58     -9.1   ×    ×   ×   ×     ○
  J   168     0     0.5   ×    ×   ×   ×     ×
  K   295     32     -4.1   ○    ×   ○   ×     ○
  L   173     0     1.7   ○    ○   ○   ○     ×
(1)基体金属部分的耐蚀性
(2)焊接部分的耐蚀性
按照上述本发明，将在双相退火时能反向转化成奥氏体的马氏体比例控制在与铁素体/马氏体双相不锈钢板中C和N含量的特定关系，而不降低C和N含量太多。由于该特定关系，由该不锈钢板制得的两轮车辆轮胎钢圈和框架的耐蚀性和抗弯曲性两种性能优良而不发生焊接热影响区的敏化作用。

Claims (3)

1.一种两轮车辆抗弯曲结构零件，该零件由一种不锈钢板制得，该不锈钢板具有：
由最高达0.04质量％的C、最高达2.0质量％的Si、最高达2.0质量％的Mn、10.0～20.0质量％的Cr、最高达4.0质量％的Ni、最高达3.0质量％的Cu、最高达0.12质量％的N、以及余量除不可避免的杂质外为铁所组成的化学组成；
表面硬度为HV270或更高；以及
由5～75体积％的铁素体和25～95体积％的马氏体组成的双相结构，其条件是，通过控制相对于C和N含量的马氏体比例γ，将由公式St＝100C+30N-0.32γ所限定的敏化指数St调节至-31～-7的值，其中γ代表双相退火状态中马氏体相的体积百分比。
2.如权利要求1所述的抗弯曲结构零件，其中所述化学组成另外还含有最高达0.015质量％的B、最高达3.0质量％的Mo、最高达0.10质量％的Ti、最高达0.40质量％的Nb、最高达0.30质量％的V中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的抗弯曲结构零件，其中所述结构零件是焊接的轮胎钢圈或框架。
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