CN105358720A - 耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件 - Google Patents

耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件，其包含硬化钢种，所述钢种是通过热成形和/或淬火由半成品零件制成的。另外，本发明涉及一种由半成品零件制备耐磨的、至少部分未涂覆的用作农业机械、运输机械、采矿机械或建造机械中的加工、运输和/或破碎工具的方法，其中将所述半成品零件加热至高于Ac1转化温度，并且随后进行热成形和/或淬火。本发明的目的在于在热成形和/或淬火之前通过表面硬化具有被硬化至深度不超过100μm的表面区域，优选为深度至多为40μm，从而提供这样的至少部分未涂覆的钢制零件，所述钢制零件与磨损性材料一起使用的适用性得到改善。

Description

耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件
技术领域
本发明涉及一种耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件，其由硬化钢种构成，所述钢制零件由半成品零件通过热成形和/或淬火制成。另外，本发明涉及一种由半成品零件制备耐磨的、至少部分未涂覆的用作农业机械、运输机械、采矿机械或建造机械中的加工、运输和/或破碎工具的方法，其中将所述半成品零件加热至高于Ac1转化温度，并且随后进行热成形和/或淬火。
背景技术
耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件需要具有高强度并且同时能承受研磨力，例如用于农业机械(特别是犁)的制造，以及用于磨损性材料的疏浚机或螺旋输送机的料斗，例如混凝土搅拌机的螺旋输送机。为了达到上述应用中提到的必要的高强度，所述零件优选地经过热成形，其中所述半成品零件首先加热至高于Ac1转化温度点，从而通过热成形和随后的淬火(即迅速冷却)进行微结构的相***化，以形成具有马氏体微结构的材料。马氏体微结构不但具有显著较高的硬度，而且具有显著较大的机械强度，例如抗拉强度。相应的钢制零件是已知的，例如德国专利DE102010050499B3。该德国专利描述了用于制备链斗式挖泥船、混凝土搅拌机螺旋输送机、螺旋输送机叶片或其他输送设备的输送叶片，其中所述部件经热成形和模压淬火。
然而，已经发现不论在制备过程中是否经过淬火工艺，以这种方式制得的部件在耐磨性方面都存在问题，特别是其与磨损性材料接触时。
德国公开DE102010017354A1第一次关注了由镀锌扁钢产品经热成形制备高强度或非常高强度的钢部件时的问题。当超出保护涂层的金属的熔点时，存在“液态金属脆化”的风险，这是由涂层的熔融态金属渗透进入扁钢制品在形成时产生的缺口或裂缝中而引起的。所述液态金属渗透进入钢基材，沉积在晶界处，从而降低了可承受的最大拉伸或抗压应力。作为一个解决方案，该专利公开提供了对外层区域进行渗氮，从而产生了结构精细的外层区域。
发明内容
相反，本发明关注经热成形和/或淬火的钢制零件在未涂覆区域不具有期望的耐磨性的问题，以及因此不适合用于输送工具，例如与磨损性材料接触。因此，本申请的目的在于提供对于磨损性材料具有改善的适用性的至少部分未涂覆的钢制零件。另外，也提供了相应钢制零件的低成本制备方法。
所述目的通过以下方式实现，对于钢制零件，所述钢制零件在热成形和/或淬火之前通过表面淬火至少部分地具有被硬化至深度不超过100μm的表面区域，优选为被硬化至深度至多为40μm。
已经发现，在热成形和/或淬火之前，将用于制备钢制零件的半成品零件加热至高于Ac1相变温度以上或Ac3温度以上，导致靠近表面的区域脱碳，从而这些区域的碳含量显著低于基材的碳含量。结果，在热成形和/或淬火期间，靠近表面的深度至多为100μm的区域，特别是深度至多为40μm的区域不能被硬化至所需的程度。然而，已经发现，无论靠近所述表面的区域是否因热成形或淬火期间的高温导致脱碳，半成品零件的未涂覆区域在热成形和/或淬火之前的至少部分表面硬化使得表面区域和基材都具有很高的强度。由此提供了这样的钢制零件，所述钢制零件至少部分地具有被硬化至深度不超过100μm的表面区域，或者是深度为40μm的表面区域，因此所述钢制零件具有比目前已知的至少部分未涂覆的钢制零件明显更好的耐磨性。
在第一个实施方案中，钢制零件的表面硬化区域通过渗碳或渗氮而硬化。在热成形或淬火之前，两种方法以针对性方式提供了对钢制零件表面附近的区域进行硬化的机会。另外，渗氮具有在热成形期间不降低硬度的优点。在渗碳的情况下，表面区域的碳含量升高，但是由于热成形而再次降低。
在另一个实施方案中，在热成形和/或淬火后，钢制零件的表面硬化区域优选地至少具有位于钢制零件表面区域下方基材的硬度。
由于钢制零件的表面区域的硬度大于基材的硬度，所述钢制零件的耐磨性也优选地得到改善。已经发现，表面区域的硬度尤其影响与高度磨损性材料接触的钢制零件的耐磨性，因此，即使使用略软的基材也可以制备非常耐磨的钢制零件。
因此，根据钢制零件的另一个实施方案，所述钢制零件被构造用作农业机械、运输机械、采矿机械或建造机械中的加工、运输和/或破碎工具，其中至少所述钢制零件中承受研磨力的区域经过表面硬化。
另外，锰硼钢，双相钢或TRIP钢也是特别有利的，因为其中特别是显著的马氏体的形成或者残余奥氏体成分转化为马氏体可能使得硬度增加。
在钢制零件的另一个实施方案中，在热成形和/或淬火之前，对钢制零件的表面区域进行硬化，所述表面区域至少在部分区域具有400HV至700HV的硬度。通常只有在非常高强度的钢种经热成形或淬火之后的基材中才能得到这样的数值。在热成形或淬火之前，表面硬化特别地提供了为制备线圈上的钢构件供应起始材料的机会。
根据本发明的另一个教导，上述目的是通过由半成品零件制备耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件的方法实现的，所述钢制零件用作农业机械、运输机械、采矿机械或建造机械中的加工、运输和/或破碎工具，其中将所述半成品零件的至少部分区域加热至高于Ac1转化温度，随后经过热成形和/或淬火；其中所述半成品零件在热成形和/或淬火之前至少部分地经过表面硬化，其中所述表面区域被硬化至深度不超过100μm。优先考虑对深度至多达40μm的表面区域进行硬化，该区域在热成形期间通常发生脱碳过程。通过硬化处理的持续时间控制待硬化的表面区域的深度。已经发现，尤其是，尽管加热至高于Ac1相变温度点的温度，钢制零件的表面硬化区域的表面硬度仍然保持稳定，从而在热成形和/或淬火之后能够获得高表面硬度。这使得用作农业机械、运输机械、采矿机械或建造机械中的加工、运输和/或破碎工具的钢制零件在与磨损性材料接触时能够降低磨损。
在热成形之前或淬火之前进行表面区域的硬化，使得能够在可卷绕材料上进行表面硬化，即在钢带上进行，从而能够由半成品零件特别经济地制备耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件。在该方法的一个优选的实施方案中，通过渗氮或渗碳进行表面区域的硬化。两种方法均能够为表面区域提供更高的硬度，这能够在热成形和/或淬火之后为经热成形/淬火的钢制零件的表面提供更高的耐磨损性。
在另一个实施方案中，表面硬化特别优选地在600℃至900℃保持温度下的热处理氛围中进行热处理，所述热处理氛围包括高达25体积％的H2、0.1体积％至10体积％的NH3、H2O以及余量的N2和不可避免的杂质。热处理氛围的露点优选地在-50℃至-5℃的范围内，从而降低环境湿度对硬化工艺的影响。另外，优选的是，在680℃至840℃的温度允许最大10体积％的H2和最大5体积％的NH3，并且将露点设置为-40℃至-15℃。后一个工艺参数提供了改善的且更均匀的表面硬化。
可以通过保持温度的维持时间来设定表面硬化的深度。表面硬化期间，维持半成品零件具有保持温度的时间优选地设为5s至600s，优选为30s至120s。
表面硬化优选地在连续淬火炉中进行，从而也可以对(例如)带状半成品零件(即可卷绕的半成品零件)进行表面硬化并且可进一步供入热成形和/或模压淬火步骤。然而，在箱式炉中进行表面硬化也是可以想到的。
如上所述，诸如锰硼钢、双相钢和TRIP钢的半成品零件首先在热成形期间或淬火期间表现特别高的强度提升，其次通过渗氮为表面附近的区域提供了达到400HV至700HV范围内的相同硬度的机会。因此，可以廉价地制备非常耐磨并且强度特别高的钢制零件。
附图说明
下面将结合实施例以及附图对本申请进行说明。在附图中，
图1简要示出制备耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件的方法的一个例子；
图2简要示出按照图1的例子处理的半成品零件或钢制零件的层结构；
图3、4示出用于农业机械和运输机械的钢制零件例子；以及
图5示出两个实施例和一个比较例中硬度分布作为与表面间距离的函数的图。
发明详述
图1首先概要地以示意说明的方式示出制备耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件的一个例子。半成品零件1由钢(如锰硼钢、双相钢或TRIP钢)构成，将半成品零件1首先供应至表面硬化2。如果带状半成品零件从线圈1a抽出并且供应至表面硬化2，有利的是(例如在渗氮的情况下)在连续淬火炉中进行表面硬化，(例如)带状半成品零件1的末端现在具有硬化表面，能卷绕在线圈(未示出)上。将表面硬化的带状半成品零件切割成一定长度，并且供应至热成形和/或淬火3，从而处理步骤3可以产生成形的、至少部分未涂覆的钢制零件4，其适用于农业机械、运输机械、采矿机械或建造机械中的加工、运输和/或破碎工具。首先，由于热成形和/或淬火步骤，用这种方式制得的钢制零件4具有强度值高的特点。其次，由于在热成形和/或淬火之前已经进行了表面渗氮，钢制零件的表面区域的硬化得以增强。如上所述，本发明的方法能够通过对表面区域进行表面硬化至100μm深度或是40μm深度的区域，从而抵消了表面区域的脱碳(在100μm深度内发生)。优选地通过渗氮进行表面硬化。然而，表面区域的渗碳也是可以想到的。
处理步骤2中的表面硬化优选地在600℃至900℃的保持温度下的热处理氛围中通过热处理方式进行，所述热处理氛围包括高达25体积％的H2、0.1体积％至10体积％的NH3、H2O以及余量的N2和不可避免的杂质。将氢气浓度降低至最大10体积％或是将NH3浓度限制为最大5体积％也会使渗氮结果获得进一步改善。
可以通过在保持温度下的维持时间来设定表面硬化的深度，例如设定为5s至600s。所述表面优选地在保持温度下氮化30s至120s，所述温度为680℃至840℃。在热成形或淬火之前进行表面硬化具有这样的优点，例如，在连续淬火炉利用带状半成品零件或在连续淬火炉中利用板状半成品零件进行热处理步骤比使用成形的钢制零件(具有不同的形状和不同的几何尺寸)有更显著的效率。同样地，利用带状半成品零件或配置为坯料的半成品零件可以更容易地保证表面硬化的质量。
然后，图2简要示出了在所述方法期间半成品零件在三个不同时间点的截面图。首先，所述半成品零件1具有对应于该制备方法的或多或少地均匀的(例如)铁素体微结构1a，这是由其制备方法和钢的组成共同决定的。作为表面硬化的结果，表面区域1b通过渗氮过程氮的向内扩散或渗碳过程碳的向内扩散得以硬化，同时伴随着微结构的改变。表面区域1b的厚度取决于热处理的持续时间。该表面区域通常至多达最大100μm，该区域内半成品零件的硬度发生改变。优选的区域(即充分的表面硬化和表面硬化热处理持续时间的折衷区域)具有20μm至40μm的厚度。例如，在渗氮时表面硬化的持续时间优选为30s至120s。仍然处于表面区域1b以下的材料1a的微结构在热处理期间基本上保持不变。
在热成形步骤中，基材1a的微结构首先转换成奥氏体，然后通过淬火部分地转换为马氏体。这样，基材1c可以同时获得高硬度和良好的机械强度。除了表面区域1b的这些层进行脱碳之外，表面区域1b保持不变。作为渗氮的结果，表面区域可以继续保持硬度。在对表面区域1b进行有针对性的渗碳而非渗氮的情况下，能够抵消脱碳，从而也能在此实现硬度的增加。因而，所形成的钢制零件4具有硬化区域1b，以及通过热成形和淬火得以硬化的区域1c。
图3和4示出了所述耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件的典型应用领域，在图3中为螺旋输送机5的形式并且在图4中为用于农用犁的犁头的形式。两个部件都是用于农业机械、运输机械、采矿机械或建造机械中的加工、运输和/或破碎工具(例如混凝土搅拌机)的典型代表，并且均暴露于高度磨损性材料。迄今为止，经热成形和/或模压淬火硬化的钢制零件由于其越来越容易磨损，因此并不十分有利。相反，由于对热成形和/或淬火期间脱碳的区域的表面进行硬化，热成形钢的使用范围增大。
表1
表1示出了样品A和B的硬度测量，样品A和B由22MnB5钢种构成。在760℃温度下的热处理氛围中对样品A和B进行表面渗氮90s，所述热处理氛围分别为包含1体积％的NH3或4体积％的NH3两种情况。由于奥氏体比铁素体能溶解更多的氮，所述表面渗氮在临界温度(T>Ac1)进行。随后对样品进行热成形和淬火。抛光的部分是由热成形或淬火的钢制零件制成，并且在距表面5μm的位置处测量硬度为HV0.01(DINENISO6507-1)。样品的显微硬度的测量值作为热处理氛围中NH3含量的函数，在相同的热处理参数(即保持时间和保持温度)下，NH3含量更高的热处理氛围中所述显微硬度值更高。
样品A的硬度值首先从表面处测得的460HV降低到深度20μm处的333HV。所述硬度然后升高至约492HV值，这表明基材的脱碳在此处停止。通过表面硬化，最上方区域特别是5μm至15μm部分显著地得到硬化。从样品B可以看出，在NH3含量更高时，表面硬化效果更显著，从硬化的幅度以及深度方面均是如此。这可以归因于由于热处理氛围中具有更高浓度的NH3，向钢制零件表面扩散的氮更多。样品B的值从深度5μm处的546开始，降低至深度25μm处的394。所述值随后再次升高至深度45μm处约466。可以清楚的看到深度45μm的表面比基材更硬。
类似的图片示出图5所示的另两个实施例与比较例的测量结果的比较。用虚线表示的比较例示出其5μm至35μm的区域的硬度降低至低于400HV1(DINENISO6507-1)。与基材相比(即450HV1至500HV1范围内)，所述硬度的减少可用热成形期间的脱碳来解释。用于比较的两个具有不同渗氮变量(仍然分别为1％浓度NH3热处理氛围或4％浓度NH3热处理氛围)的实施例在靠近表面的区域具有明显的不同，在此可以测得高于500的硬度。通过这种方法，对于耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件，其能够提供不仅抗拉强度值特别高的热成形和/或淬火的钢制零件，而且由于具有(例如)500HV至700HV范围内较高的表面硬度，也能提供高耐磨性。

Claims (12)

1.一种耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件(4)，其由硬化钢种构成，所述钢制零件由半成品零件(1)经热成形和/或淬火制成，其特征在于，在热成形和/或淬火之前，所述钢制零件(4)通过表面硬化至少部分地具有被硬化至深度不超过100μm的表面区域(1b)。
2.根据权利要求1所述的钢制零件，其特征在于，通过渗碳或渗氮对所述钢制零件的硬化表面区域(1b)进行硬化。
3.根据权利要求1或2所述的钢制零件，其特征在于，在热成形和/或模压淬火之后，所述钢制零件的硬化表面区域(1b)至少具有位于所述表面区域下方的钢制零件的基材的硬度。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的钢制零件，其特征在于，所述钢制零件(4)被构造用作农业机械、运输机械、采矿机械或建造机械中的加工、运输和/或破碎工具(5，6)，其中至少所述钢制零件中承受研磨力的区域经过表面硬化。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的钢制零件，其特征在于，所述钢制零件(4)由锰硼钢、双相钢或TRIP钢构成。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的钢制零件，其特征在于，所述钢制零件中在热成形和/或淬火之前发生硬化的表面区域(1b)至少在部分区域具有400HV至700HV的硬度。
7.一种由硬化钢种构成的半成品零件制备耐磨的、至少部分未涂覆的钢制零件的方法，所述钢制零件用于农业机械、运输机械、采矿机械或建造机械中的加工、运输和/或破碎工具，其中将所述半成品零件的至少部分区域加热至高于Ac1转化温度，并且随后通过热成形和/或淬火制备特别地如权利要求1至6中任意一项所述的钢制零件，其特征在于，所述半成品零件至少部分经过表面硬化，其中，在热成形和/或淬火之前表面区域被硬化至深度不超过100μm处。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过渗氮或渗碳对所述表面区域进行硬化。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在600℃至900℃的保持温度、包含高达25体积％的H2、0.1体积％至10体积％的NH3、H2O以及余量为N2和不可避免的杂质的热处理氛围下，通过热处理进行所述表面硬化。
10.根据权利要求7至9中任意一项所述的方法，其特征在于，在表面硬化期间，所述半成品零件在所述保持温度下的持续时间为5s至600s，优选为30s至120s。
11.根据权利要求7至10中任意一项所述的方法，其特征在于，所述表面硬化是在连续淬火炉中进行的。
12.根据权利要求7至11中任意一项所述的方法，其特征在于，对由锰硼钢或TRIP钢构成的半成品零件进行表面硬化。
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