CN1195708A - 用于制造由冷塑性变形成形的钢件的钢及其方法 - Google Patents

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Abstract

用于制造由冷塑性变形成型的钢件的钢,其化学成分(重量%)包括:0.03%≤C≤0.16%,0.5≤Mn≤2%,0.05%≤Si≤0.5%,0%≤Cr≤1.8%,0%≤Mo≤0.25%,0.001%≤Al≤0.05%,0.001%≤Ti≤0.05%,0%≤V≤0.15%,0.005%≤B≤0.005%,0.004%≤N≤0.012%,0.001%≤S≤0.09%;余为Fe和因冶炼而产生的杂质,该钢的化学成分还满足如下关系式:Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V≥2.2%和Al+Ti≥3.5×N。制造由冷塑性变形成型的钢件的方法和所获得的钢件。

Description

用于制造由冷塑性变形成形的钢件的钢及其方法
本发明涉及用于制造由冷塑性变形成形的钢件的钢及其方法。
许多钢件，特别是高性能的机械零件通过冷锻或冷压，更常见的是使热轧钢坯料冷塑性变形来制造。所用的钢的碳含量在0.2-0.42％(重量)之间。该钢与Cr，或与Cr-Mo，或与Ni-Cr，或与Ni-Cr-Mo，或最后与Mn-Cr合金化，从而达到足够的淬透性，以便在淬火后获得马氏体组织。为了退火后获得希望的机械性能是需要这种组织的，所述的机械性能一方面是高的抗拉强度，另一方面是好的塑性。为了能够冷成形，该钢预先必须经球化处理或最大程度的软化热处理，这包括在650℃以上温度长时间保温，可能是保温几十小时。该处理使此钢有球化的珠光体组织，它是容易冷变形的。该技术具有缺点，尤其是需要三次热处理，这三次热处理使制造复杂化从而增加成本。
本发明的目的是通过提供一种制造机械零件的方法来补救这个缺陷，该机械零件由具有高性能的钢制成，该零件是通过使此钢冷塑性变形成形，不需要进行球化处理或最大程度软化热处理或退火热处理。
因此，本发明的主题是一种钢，它用于制造由冷塑性变形成形的钢件，该钢的化学成分(重量％)包括：
                  0.03％≤C≤0.6％
                  0.5％≤Mn≤2％
                  0.05％≤Si≤0.5％
                  0％≤Cr≤1.8％
                  0％≤Mo≤0.25％
                  0.001％≤Al≤0.05％
                  0.001％≤Ti≤0.05％
            0％≤V≤0.15％
            0.0005％≤B≤0.005％
            0.004％≤N≤0.012％
            0.001％≤S≤0.09％
任选地最多0.005％的Ca，最多0.01％的Te，最多0.04％的Se和最多0.3％的Pb，余为Fe和因冶炼产生的杂质，该钢的化学成分还满足以下关系：
             Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V≥2.2％和               Al+Ti≥3.5×N
该钢的化学成分最好为：
                   0.06％≤C≤0.12％
                   0.8％≤Mn≤1.7％
                   0.1％≤Si≤0.35％
                   0.1％≤Cr≤1.5％
                   0.07％≤Mo≤0.15％
                   0.001％≤Al≤0.035％
                   0.001％≤Ti≤0.03％
                   0％≤V≤0.1％
                   0.001％≤B≤0.004％
                   0.004％≤N≤0.01％
                   0.001％≤S≤0.09％
任选地最多为0.005％的Ca，最多为0.01％的Te，最多为0.04％的Se和最多为0.3％的Pb。
余为Fe和因冶炼而产生的杂质。
更好是杂质或残余元素的含量同时或分别为：
                   Ni≤0.25％
                   Cu≤0.25％
                   P≤0.02％
本发明还涉及一种由冷塑性变形成形的钢件的制造方法，它包括作为唯一的热处理的淬火。术语“淬火”，从此贯穿下文，广义上说，指的是一种足够快的，获得实际上不是铁素体-珠光体组织并且主要也不是马氏体组织的冷却步骤。
除了淬火，该方法的要点是热轧钢的半成品，以获得热轧产品，及任选地由此热轧产品切成坯料和通过冷塑性变形使此坯或热轧产品成形。
旨在使此钢件基本上为贝氏体组织的这种淬火可在冷成形之前，同在其后一样好地进行。当在冷成形之前进行淬火时，在热轧状态下立即淬火同经重加热到AC3以上的奥氏体化后淬火同样合适。当淬火在冷成形之后进行时，在通过重加热到AC3以上的奥氏体区后进行淬火。
最后，本发明涉及由本发明钢制造的，通过冷成形获得的钢件，所说的钢的截面压下率Z大于45％，更好是大于50％，其抗拉强度Rm大于650MPa，对于一些用途而言甚至大于1200MPa。通常，而且希望的是，此钢件基本上为贝氏体组织，即由50％以上的贝氏体构成的组织。
现在通过下面的实施例更详细地叙述和说明本发明：
本发明钢的化学成分(重量％)包括：
—0.03-0.16％，更好0.06-0.12％的碳，以便在冷成形期间获得高的加工硬化性，从而防止形成对塑性不利的粗大碳化物，并使冷成形不需要进行球化处理或最大软化退火操作而得以进行；
—0.5-2％，更好为0.8-1.7％的锰，以便保证好的铸造性能，并获得足够的淬透性和合乎要求的机械性能；
—0.05-0.5％，更好是0.1-0.35％的硅，它是使钢脱氧所需的元素，特别是当铝含量低时需要的元素，但是其量太高时，促进不利于冷成形性和塑性的硬化。
—0-1.8％，更好0.1-1.5％的铬，以便将淬透性和机械性能调整到该零件所希望的水平，铬含量不得超过使此钢在轧态太硬或导致形成不利于冷成形性和塑性的马氏体的值；
—0-0.25％，更好是0.07-0.15％的钼，以便与硼协同，保证此构件各部分的均匀淬透性。
—任选地0-0.15％，更好小于0.1％的钒，以便当需要时获得高的机构性能(抗拉强度)；
—0.0005-0.005％，更好是0.001-0.004％的硼，以便提高所需的淬透性；
—0-0.05％，更好0.001-0.035％的铝，和0-0.05％，更好是0.001-0.03％的钛，铝和钛含量之和大于或等于氮含量的3.5倍，以便获得好的冷成形性和好的塑性所必需的细晶组织；
—0.004-0.012％，更好是0.006-0.01％的氮，以便通过形成氮化铝，氮化钛或氮化钒而不形成氮化硼来控制晶粒度；
—大于0.001％的硫，来保证起码的  机加工性能，以便使此零件最终精加工，但是硫要小于0.09％，以便保证好的冷成形性，可通过添加最多为0.005％的Ca或添加最多为0.01％的Te来改进机加工性能以及由冷塑性变形体现的良好成形性，在这种情况下，使Te/S之比保持在接近0.1为好，或添加最多为0.05％的Se，在这种情况下使Se含量接近S含量为好，或最后添加最多为0.3％的Pb，在这种情况下，必须降低S含量；余为铁和冶炼时产生的杂质。
该杂质主要是：
—磷，其含量必须小于或等于0.02％为好，以便保证在冷成形期间和之后有好的塑性；
—铜和镍，两者被认为是残余元素，其每种含量必须小于0.25％为好。
最后，该钢的化学成分必须满足如下关系：
             Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V≥2.2％
它保证锰、铬、钼和钒含量的总和能获得合乎要求的强度性能和主要为贝氏体的组织。
该钢的优点是：能很容易地进行冷塑性变形和不需要使此钢退火就可能获得具有优越塑性和高机械性能的贝氏体型组织。特别是，塑性可由截面压下率Z来测量，该比值大于45％，甚至大于50％。抗拉强度Rm大于650MPa，并可能超过1200MPa。当冷成形前该钢由于热轧还为热态进行淬火时，和在冷成形之前或之后，通过加热到AC3以上而奥氏体化后进行淬火时均可获得这些性能。
为制造冷成形零件，提供了用本发明钢制的半成品，在重加热到940℃以上后将其热轧，以便获得热轧产品，如棒、方坯或丝棒。
在第一实施方案中，在900-1050℃之间的温度停止热轧。热轧产品，当其由于热轧还是热的时，按照其横截面通过使用鼓风、油、喷雾、水或添加了聚合物的水使之冷却而直接淬火。然后将这样获得的产品切成坯，通过例如冷锻或通过冷压使之冷成形。冷成形后直接获得的最终机械性能主要起因于由冷成形操作产生的加工硬化。
在第二个实施方案中，热轧后，将奥氏体化后的此轧制产品淬火，然后切成将通过冷塑性变形成形的坯，或在淬火前切成坯，然后冷成形。在这两种情况下，奥氏体化的重点是在AC3和970℃之间加热，而淬火则按照产品的横截面以鼓风、油、喷雾、水或添加了聚合物的水冷却进行。冷成形后立即获得的最终机械性能主要起因于此成形操作产生的加工硬化。在该实施方案中，终轧条件同样不特别重要。
在第三实施方案中，对从该热轧产品上切下的坯进行冷成形操作，然后在冷成形后进行淬火。在上述情况下，在加热到AC3和970℃之间后通过鼓风、油、喷雾、水和添加了聚合物的水的冷却来淬火。而终轧条件不特别重要。
主要适用于制造机械零件的本发明也适用于制造冷拉棒、拉拔丝和剥皮的盘条，该冷拉、拔丝和去皮是通过冷塑性变形成形的特殊方法。可将拉拔棒和盘条或拉拔丝去皮、刮削或磨削，以使其表面光洁无缺陷。术语“冷成形钢件”包括所有这些产品，术语“坯”主要包括棒、条或丝的任何部分，在某些情况下，在冷成形前不将棒，条或丝切成坯。
最后，本发明可用来制造预处理棒或预处理条或丝，或更一般地是预处理铁类冶金产品，这些产品打算就在这种状况下用于通过冷成形而没有其它热处理时制造零件的。将这些铁类冶金产品在热轧后，当它们由于热轧还是热的时候，立即淬火或奥氏体化处理后淬火，从而产生主要是贝氏体的组织(贝氏体≥50％)。为具有光洁无缺陷表面，将其去皮或刮削。
现通过实施例说明本发明。
第一实施例
冶炼本发明钢，其化学成分(重量％)包括：
                    C＝0.065％
                    Mn＝1.33％
                    Si＝0.34％
                    S＝0.003％
                    P＝0.014％
                    Ni＝0.24％
                    Cr＝0.92％
                    Mo＝0.081％
                    Cu＝0.23％
                    V＝0.003％
                    Al＝0.02％
                    Ti＝0.02％
                    N＝0.008％
                    B＝0.0035％
从而满足如下条件：
          Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V＝2.27％≥2.2％
和              Al+Ti＝0.040％≥3.5×N＝0.028％
使用这种钢，在再加热到940℃以上后热轧来制造方坯，以便形成直径16mm，25.5mm和24.8mm的圆钢(或棒)。
1)16mm直径圆钢：
该16mm直径圆钢在990℃停轧，在下述三种条件(按照本发明)下，当此圆钢由于热轧还是热的时将其淬火：
A：以5.3℃/秒的速度冷却，等效于鼓风淬火；
B：以26℃/秒的速度冷却，等效于油淬；
C：以140℃/秒的速度冷却，等效于水淬。
淬火圆钢冷成形前的机械性能和其冷塑性变形成形的能力通过在冷态下直至断裂的拉伸和扭转试验来评价(扭转试验的结果以“试件断裂前的扭转次数来表示)
结果如下：
  淬火条件   扭转前圆钢的硬度(HV)   扭转前强度(MPa)   扭转前截面压下率Z   到断裂时的扭转次数
   A    234    734    69    4.7
   B    318    1001    73    5.2
   C    350    1103    69    5
主要随淬火条件而变的硬度和抗拉强度随冷却速度的增加而增加。但是，在所有的情况下，由于截面压下率Z始终显著大于50％，而扭转到断裂时的次数总大于3，所以塑性和冷变形性是优越的。
为了确定用这些圆钢通过冷塑性变形成形而制成的零件的机械性能，进行冷扭转-拉伸试验，其结果如下：
  淬火条件 扭转3次后的强度(MPa) 扭转3次后截面压下率Z 扭转3次后强度的增加(％)
    A     919     66     25％
    B     1189     67     19％
    C     1245     68     13％
冷扭转-拉伸试验的要点是在进行室温拉伸试验前，将试样进行3次冷扭转，以便模拟塑性变形成形。强度的增加与在加工硬化态(扭转3次之后)和正常态(扭转3次之前)之间的强度相应的增加相一致。
所获得的结果表明，甚至在大的冷变形(扭转3次)之后，截面压下率保持大于50％，并表明抗拉强度可超过1200MPa.。用冷扭转变形后强度的增加测得的加工硬化在所有情况下都是高的。
2)直径25.5mm圆钢
在冷成形前，在950℃奥氏体化后，在下述条件(按照本发明)下对直径25.5mm圆钢淬火：
D：鼓风冷却(在950和室温之间，平均冷却速度为3.3℃/秒)；
E：油冷(在950℃和室温之间，平均冷却速度为22℃/秒)；
F；水冷(在950℃和室温之间，平均冷却速度为86℃/秒)/
对该圆钢进行冷锻成形试验，该试验的要点是：
通过挤压沿母线开有缺口的园柱体测量极限挤压系数(L.C.F)。以％表示的该极限挤压系数是在沿园柱母线开的缺口在冷压力锻期间出现第一个裂口时的挤压量。
通过比较的方法，也可对现有技术的的冷锻钢测量L.C.F，该钢化学成分为：
              C＝0.37％
              Mn＝0.75％
              Si＝0.25％
              S＝0.005％
              Cr＝1％
              Mo＝0.02％
              Al＝0.02％
为使该现有技术的钢适于冷变形，预先已对其进行退火操作，以便使珠光体球化。
所得的结果如下：
  钢   热处理   硬度(HV)  强度(MPa)   极限挤压系数％
   本发明钢    D    249   793    52
   E    303   954    52
   F    355   1115    52
 现有技术钢  球化退火    174   547    44
由极限挤压系数可知尽管本发明钢硬度较高，而且不管强度水平如何，即使它很高(处理F)，它的冷锻成形性也比现有技术的钢高得多。
3)直径24.8mm圆钢
在轧后和冷成形前，在930℃奥氏体化前，在下述本发明条件下将24.8mm直径圆钢淬火：
G：鼓风淬火
H：油淬
将这样处理的圆钢冷锻，以便制造汽车轮的万向节，测得的其机械性能如下：
    处理   强度(MPa)  截面压下率Z(％)
    G    741   71
    H    984   74
这些结果表明，不管初始处理如何，在冷锻零件上获得的塑性都是很高的(Z≥50％)而且，这与强度水平无关。
此外，在这两种情况下，由于已检验该零件既无内部的，又无外部的任何缺陷所以该圆钢很适于冷锻成形。
使用其它直径24.8mm圆钢(与前一个相同)，通过冷锻制成同样的转向节。该圆钢是经轧制的，在冷成形操作后进行了淬火的圆钢。该淬火在940℃奥氏体化后进行的。
在这些条件下，在该万向节上获得的性能如下：
                  Rm＝1077MPa
                  Z＝73％
热轧态下这些结果表明：使用本发明钢，尽管因在热轧态下淬火而使强度水平高，但圆钢冷锻后仍可获得很好的塑性(Z≥50％)。此外，本发明钢证明是完全适于在轧制状态下，不需要象在现有技术钢上所进行的预先球化处理而冷锻成形，该万向节事实上表明，没有任何内部的或外部的缺陷。
为了比较，使用现有技术的，成分如下的：
                   C＝0.195％
               Mn＝1.25％
               Si＝0.25％
               S＝0.005％
               Ni＝0.25％
               Cr＝1.15％
               Mo＝0.02％
               Cu＝0.2％
               Al＝0.2％
的钢制造同样的万向节。
为了获得类似于按本发明所获得的那些机械性能，则需要使用下述制造方法：
·为了使该钢适于冷成形将其球化退火；
·万向节的冷锻；
·根据现有技术对钢油淬；
·根据现有技术对钢回火；
第二实施例
使用本发明钢1和2，通过冷压也制造机械零件，钢1和2的化学成分(重量％)为：
                钢1                 钢2C     ＝            0.061％             0.062％Mn    ＝            1.6％               1.57％Si    ＝            0.28％              0.29％S     ＝            0.021％             0.021％P     ＝            0.004％             0.004％Ni    ＝            0.11％              0.11％Cr    ＝            0.81％              0.8％Mo    ＝            0.081％             0.128％Cu    ＝            0.2％               0.2％Al    ＝            0.028％             0.025％Ti   ＝          0.017％             0.016％V    ＝          0.002％             0.084％B    ＝          0.0039％            0.0038％N    ＝          0.007％             0.008％
因此满足如下条件：
在钢1的情况下：
        Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V＝2.43≥2.2％
        Al+Ti＝0.045％≥3.5×N＝0.024％
在钢2的情况下：
        Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V＝2.59≥2.2％
        Al+Ti＝0.041％≥3.5×N＝0.028％
按照本发明，以直径28mm棒的形式热轧这些钢。轧制后和冷成形前。在950℃奥氏体化后使该棒经受50℃的温油淬处理。为形成坯将棒切断，以60％的变形程度通过冷压由此坯制成零件。在冷压之前在此坯上和冷锻打后在此零件上获得的机械性能如下：
钢  冷压前硬度HV   冷压前此钢的Rm(MPa)   冷压后此零件的Rm(MPa)  冷压后此零件的Z(％)   因冷压而增加的Rm(％)(*)
  1    323     1019       1380     61       35
  2    331     1038       1430     59       38
(*)＝冷成形加工硬化性
这些结果表明：尽管冷变形度很高，塑性仍是高的(Z≥50％)，这与该钢初始强度水平(冷压之前)和最终强度水平(冷压之后)无关，即使最终强度水平很高也是如此，这还表明根据冷压而造成的强度的增加所测出的加工硬化性也是高的。
此外，尽管高的初始强度水平和高的冷变形(60％)，由于冷压的零件证明是无论内部的或外部的均无缺陷的所以冷压成形性是优越的。
这些实施例表明：本发明的钢和方法，不需要进行昂贵的球化处理或回火处理就可通过冷塑性变形制造零件，以获得很好塑性(Z≥50％)。特别是由于钢的高加工硬化性，使零件可获得与很高机械性能(Rm≥1200MPa)相结合的高塑性(Z≥50％)。最后，即使该钢的初始强度(或硬度)水平和冷变形度都高，也可达到很好的冷锻或冷压成形性。

Claims (11)

1.用于制造由冷塑性变形成形的钢件的钢，其特征在于其化学成分(重量％)包括：
             0.03％≤C≤0.16％
             0.5％≤Mn≤2％
             0.05％≤Si≤0.5％
             0％≤Cr≤1.8％
             0％≤Mo≤0.25％
             0.001％≤Al≤0.05％
             0.001％≤Ti≤0.05％
             0％≤V≤0.15％
             0.0005％≤B≤0.005％
             0.004％≤N≤0.012％
             0.001％≤S≤0.09％
任选地最多为0.005％的Ca，最多为0.01％的Te，最多为0.04％的Se和最多为0.3％的Pb，
余为Fe和冶炼时产生的杂质，该钢的化学成分还满足如下关系：
         Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V≥2.2％和                    Al+Ti≥3.5×N。
2.按照权利要求1的钢，其特征在于其化学成分为：
                  0.06％≤C≤0.12％
                  0.8％≤Mn≤1.7％
                  0.1％≤Si≤0.35％
                  0.1％≤Cr≤1.5％
                  0.07％≤Mo≤0.15％
                  0.001％≤Al≤0.035％
             0.001％≤Ti≤0.03％
             0％≤V≤0.1％
             0.001％≤B≤0.004％
             0.004％≤N≤0.01％
             0.001％≤S≤0.09％
任选地最多为0.005％的Ca，最多为0.01％的Te，最多为0.04％的Se和最多为0.3％的Pb，
余为Fe和冶炼时产生的杂质。
3.按照权利要求2的钢，其特征在于其化学成分为：
                  Ni≤0.25％
                  Cu≤0.25％。
4.按照权利要求2或3的钢，其特征在于其化学成分为：
                  P≤0.02％。
5.制造由冷塑性变形成形的钢件的方法，其特征在于：
提供由权利要求1-4中任一项的钢制成的半成品；
在将该半成品重加热到940℃以上的温度后，将其热轧，然后在900-1050℃之间的温度停轧，以获得轧制产品；
当该轧制产品由于热轧还是热的时，立即将其淬火，以使它主要是贝氏体组织；
任选地，由热轧产品切成坯；和
通过冷塑性变形将此坯或轧制产品成形，以获得具有最终机械性能的零件。
6.制造由冷塑性变形成形的钢件的方法，其特征在于
提供由权利要求1-4中之任一项的钢制成的半成品；
将该半成品热轧，以获得轧制产品；
在将此轧制产品重加热到AC3点以上后，将其淬火，以便使其基本上为贝氏体组织，
任选地，由此轧制产品切成坯；和
通过冷塑性变形将此坯或轧制产品成形，以获得具有最终机械性能的零件。
7.制造由冷塑性变形成形的钢件的方法，其特征在于：
提供由权利要求1-4中之任一项的钢制成的半成品；
将该半成品热轧，以获得轧制产品；
任选地，由此轧制产品切成坯；
通过冷塑性变形将此坯或轧制产品成形，以获得零件；和
在将该零件重加热到AC3点以上后，将其淬火，以使其基本上为贝氏体组织和具有最终机械性能。
8.冷成形钢件，其特征在于它由权利要求1-4中之任一项的钢制成而其截面压下率Z大于45％，及该钢的抗拉强度Rm大于650MPa。
9.按照权利要求8的钢件，其特征在于该钢的抗拉强度Rm大于1200MPa。
10.按照权利要求8或9的钢件，其特征在于它基本上为贝氏体组织。
11.热轧的铁类冶金产品，其特征在于它由权利要求1-4任一项的钢制成，并且基本上为贝氏体组织。
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