CN1519386A - 一种冷却和退火的贝氏体钢零件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冷却和退火的贝氏体钢零件及其制造方法，其中该方法的特征在于以下步骤：制备和铸造含有以下成分的钢材(按重量百分比计)：0.06％≤C≤0.25％、0.5％≤Mn≤2％、痕量≤Si≤3％、痕量≤Ni≤4.5％、痕量≤Al≤3％、痕量≤Cr≤1.2％、痕量≤Mo≤0.30％、痕量≤V≤2％、痕量≤Cu≤3.5％；并且要符合以下至少一种条件：^*0.5％≤Cu≤3.5％；^*0.5％≤V≤2％；^*2％≤Ni≤4.5％和1％≤Al≤2％；余量是铁和制备过程中产生的杂质；在1100℃至1300℃的温度下将铸钢至少一次热变形以得到零件坯体；在静止空气或强迫通风中对零件坯体进行受控冷却；在将所述坯体加工成零件之前或之后，加热钢材来进行析出退火。

Description

一种冷却和退火的贝氏体钢 零件及其制造方法

本发明涉及冶金，更确切地涉及用于制造承受高应力零件的钢领域。

这种零件通常是由这样一种钢材制造的，这种钢材经过了淬火和退火，或在可能的情况下是不含铁素体-珠光体结构的锻钢，这种钢材被认为是提供了技术与经济成本之间的最佳折中，尽管它的机械性能仍存在局限。

通常用于此目的的铁素体-珠光体结构的钢材有XC70、45Mn5、30MnSiV6和38MnSiV5型，在轧制或锻造后它们只是在静止的空气中进行线上冷却。所以，它们的生产相对经济，而它们在高水平的应力下寿命将受到限制。

已经提出用25MnSiCr-VBS型等级的贝氏体钢通过在空气中锻造或轧制后冷却制造这种零件。与以上例子相比，强度性能得到了明显提高，但是虽然如此，与通过使用淬火和退火得到的钢材相比仍存在局限。

本发明的目的是提供一种在一种等级的钢材和制造零件的方法之间的关系，这中关系与现有的不降低冶金性能、甚至可能提高这种性能的情况的关系相比表现出了经济的优点。用该方法制造的零件一定可以承受高的疲劳应力。对于锻造的零件，该制造方法可以具体适于任何锻造生产线。

为了这个目的，本发明提供了制造钢零件的方法，该方法特征在于以下步骤：

制备和铸造含有以下成分的钢材(按重量百分比计)：0.06％≤C≤0.25％、0.5％≤Mn≤2％、痕量≤Si≤3％、痕量≤Ni≤4.5％、痕量≤Al≤3％、痕量≤Cr≤1.2％、痕量≤Mo≤0.30％、痕量≤V≤2％、痕量≤Cu≤3.5％并满足以下至少一种条件：

0.5％≤Cu≤3.5％、

0.5％≤V≤2％、

2％≤Ni≤4.5％和1％≤Al≤3％，

余量是铁和制备过程中产生的杂质；

在1100℃至1300℃的温度下将铸钢至少一次热变形以得到零件坯体；

在静止空气或强迫通风下对零件坯体进行受控冷却；并

在所述坯体加工成零件之前或之后，加热钢材来进行析出退火。

优选，钢材包含5ppm到50ppm的B。

优选，钢材包含0.005％到0.04％的Ti。

如果钢材中含有B，Ti含量优选是N含量的至少3.5倍。

优选，钢材包含0.005％到0.06％的Nb。

优选，钢材包含0.005％到0.2％的S。

在该情况下，优选，钢材包含至少以下一种元素：Ca最高达0.007％、Te最高达0.03％、Se最高达0.05％、Bi最高达0.05％和Pb最高达0.1％。

在本发明的一种变化中，钢材的C含量在0.06％到0.20％范围内。

钢材的Mn含量优选在0.5％到1.5％之间，Cr含量优选在0.3％到1.2％之间

钢材的Ni含量优选在痕量到1％之间。

钢材的Ni含量也可以在2％到4.5％之间，在该情况下Al的含量在1％到2％之间。

析出退火一般优选在425℃到600℃之间进行。

当钢材包含0.5％到3.5％Cu时，析出退火优选在425℃到500℃之间进行1到10个小时。

当钢材包含0.5％到2％V时，析出退火优选在500℃到600℃之间进行1个小时以上。

当钢材包含2％到4.5％Ni和1％到2％的Al时，析出退火优选在500℃到550℃之间进行1个小时以上。

所述热变形可以是轧制。

所述热变形可以是锻造

优选，坯体受控冷却在600℃到300℃之间以小于3℃/s的速度进行的。

本发明也提供了一种通过上述方法得到的钢零件，其通常具有贝氏体微结构、拉伸强度Rm为750MPa到1300MPa且屈服强度Re大于或等于500MPa。

正如所理解的，本发明是由一种等级的钢材和一种铸造之后的处理方法的结合组成的，这种处理方法包括的步骤有将零件热变形，可能的在静止空气或在强迫通风下进行受控冷却和在机加工零件之前或之后析出退火。钢材的成分保证了不管使用那种冷却方法，所述钢制造零件的耐疲劳性的结果都可以满足用户的需要。

热变形操作可是一个或多个轧制操作，或在锻造操作之后的轧制操作，或单独锻造。必要是钢的最后一步热变形应当使钢的温度到达1100℃到1300℃，受控冷却应当从该温度开始进行。

钢材的化学特性和铸造后对其的热处理是为了获得贝氏体微结构，也为了获得最佳的机械特性。贝氏体微结构必须能够在静止空气中冷却后得到，但它也必须与强迫通风的冷却相适应。这样，本发明使用的零件可以在任何现有的装置上制造，而不管该装置是否能够在锻造或轧制后用强迫通风冷却，不管是否允许在静止空气中冷却。这样，最初为处理由含有铁素体-珠光体微结构的钢制造的零件而设计的锻造装置能够用于处理本发明具有贝氏体微结构的零件而不存在任何困难也无需任何特殊的调整。过去用于此目的已经使用的贝氏体钢材需要在强迫通风中冷却，因此不能适合在普通设计的装置上进行处理。

根据本发明，首先用所述的和下列详细解释的组份制备钢材，然后将其铸造成铸块或根据最终零件的型式进行连铸，然后更为一般地，将其轧制以得到半成品。

之后将该半成品进行锻造操作。

最后的热变形在1100℃到1300℃内进行，并接着在静止空气或强迫空气中，在轧制或铸造的热空气中进行受控冷却。这样提供了零件的坯体。

术语“坯体”用在此处表示棒材或一些其它型状半成品，最终的产品由该坯体通过机械加工得到，型状与热变形形式无关，所使用的热变形形式有：轧制、锻造或其组合。

接着进行析出退火。这可在从所述坯体中机械加工出零件之前或之后进行

对必须或可以存在的各种化学元素来说，所需的分析范围如下。(所有的百分比都是重量百分比)。

碳含量为0.06％到0.25％。此含量用来控制所得微结构的类型。小于0.06％时，所得微结构对所要得达到的目的没有意义。大于0.25％时，与其它元素组合，在静止空气冷却后所得微结构不能充分接近贝氏体。

锰含量在0.5％到2％之间，当所加入的浓度大于0.5％时，该元素提供了一种适合淬火的材料，并且使获得与冷却方法无关的宽的贝氏体范围成为可能。然而，含量大于2％会引起导致过度偏析的危险。

硅含量为痕量到3％。此元素不是必须的，准确地说，但在通过进入固溶体中硬化贝氏体方面是有益的。另外，当铜以相对大的含量存在时，硅用来避免在热成形中与存在的铜相联系的问题。然而，含量大于3％可以导致材料的可加工性能问题。

镍含量为痕量到4.5％。这种非必须的元素提供了淬火能力和奥氏体稳定性。如果通过铝含量可能的话，可以形成非常硬化的NiAl沉淀，因此提供了具有高级别机械特性的金属。当铜以相对大的含量存在时，镍可以表现出与硅同样的功能。大于4.5％时，与给定的计划冶金目的相比，加镍是没有意义的花费。

铝含量为痕量到3％。这种非必须的元素是强还原剂，甚至在加入少量铝时，就可以限制溶解到液体钢的氧气量，因此提高零件中的夹杂物纯度，可能避免铸造过程中的过度再氧化。如前面所提到的，如果镍的含量很大时高浓度的铝易于形成NiAl沉积。铝的含量超过3％时将没有意义。

非必须元素铬的含量为痕量到1.2％。与锰相似，铬有助于提高淬火性能。加铬超过1.2％将是没有意义的花费。

钼的含量为痕量到0.30％。该非必须的元素能够阻止大晶粒的铁素体的形成，并使更可靠的得到贝氏体结构。加钼超过0.30％时将是没有意义的花费。

钡的含量为痕量到2％。该非必须的元素可以通过进入固溶体来硬化贝氏体。在高浓度下，其也可以通过析出碳化物和/或碳氮化物得到硬化。加钒超过2％时将没有意义的花费。

铜含量为痕量到3.5％。这种非必须性元素能够提高机加工性能，以及通过析出能够导致材料的二次硬化。然而，超过3.5％使得零件的热成形出现问题。如上所述，建议将铜和大量的镍或硅结合以使热成形问题最小化。加铜高于3.5％时，从任何方面都将是没有意义的花费。

而且，必须至少满足以下三种条件中的一种：

铜含量为0.5％到3.5％；

钒含量为0.5％到2％；以及

镍含量为2％到4.5％和铝含量为1％到2％。

上述元素是那些冶金作用是或可以是对本发明非常重要的元素，然而以下提到的其它元素也可以可选地存在以提高钢的某些性能。

硼的含量可为5ppm到50ppm。它可以提高淬火性能，但它需要在固溶体中才有效。换句话来说，必需注意要避免所有的或接近所有的硼为氮化硼或碳氧化硼形式。为了此目的，推荐将加入硼和钛结合，优选按照比例如3.5×N％≤Ti％。通过满足该条件，可能捕获所有溶解的氮和避免形成氮化硼或碳氮化硼。钛含量的最小值是0.005％，该值是对于通常可以发现的最低氮含量。虽然如此，建议保证钛的含量不超过0.04％，否则将会得到尺寸过大的氮化钛。

钛也有助于限制在高温下奥氏体晶粒的生长，为了达到此目的，可独立加入浓度为0.005％到0.04％的钛，该浓度与硼无关。

也可以加入浓度为0.005％到0.06％的铌。它可以在奥氏体中以碳氮化物的形式析出，因此有助于材料的硬化。

最后，用常规的方式，材料的可加工性能可以通过添加硫(0.005％到0.2％)得以提高，硫可以与加入的钙(最高达0.007％)，和/或碲(最高达0.03％)，和/或硒(最高达0.05％)和/或铋(最高达0.05％)，和/或铅(最高达0.1％)有关。

一旦在轧制后得到具有前述成分的半成品，零件的坯体可选地按照普通方法进行锻造。将其加热到1100℃到1300℃，然后进行制造零件坯体地变形。

在没有锻造的情况下，轧制必须在1100℃到1300℃温度范围内结束。

在轧制或锻造(如果进行锻造的话)之后，马上在静止空气或强迫通风中对零件进行控制冷却。一般地，使零件在600℃到300℃之间进行冷却速度不超过3℃/s的冷却。

根据本发明，不管在决定零件最终尺寸的机械加工之前或之后，钢是通过退火的方式以析出来进行硬化的，即是在等于或稍高于室温的温度下加热后将其进行热处理的；为此，三个选择都是可以的，事实上它们是可以相结合的：

如果铜含量为0.5％到3.5％，铜析出；

如果钒含量为0.5％到2％，钒析出；

如果镍含量为2％到4.5％和铝的含量为1％到2％，NiAl析出。

一般地，析出退火优选在425℃到600℃之间进行。而温度和持续时间为得到所需要的特性进行最优化。例如，铜析出优选在425℃到500℃之间持续热处理1小时的10小时得到。矾析出优选在500℃到600℃之间处理1小时以上而得到。NiAl析出优选在500℃到550℃之间处理1小时以上而得到。

退火可以按以下方式进行：

·或者在机械加工之后，以便金属在加工过程中不至于过硬；

·或在空气受控冷却之后和在机械加工之前；接着对零件进行机械加工，该零件具有高等级的机械特性，可以使机械加工特别精确。

由于退火，最终的产品有可能获得高等级的机械加工特性。典型的，牵引(traction)强度Rm为1000MPa到1300MPa，弹性极限Re为约900MPa或更多。

碳的含量最好限制在0.06％到0.2％之间以得到硬度限制在300Hv30到330Hv30之间的贝氏体。最好的是，锰的含量应当在0.5％到1.5％之间，铬的含量应当在0.3％到1.2％之间，如果仅需要好的淬火性能镍的含量可以最高达1％，或如上所提到的如果希望析出NiAl，镍可以最高达2％至4％。在该情况下，铝的含量应当在1％到2％之间。

对于这些钢，产品在轧制或锻造和在空气中受控冷却后得到的牵引特性(屈服强度、强度)没有达到特别高的等级：通常的拉伸强度Rm为约750MPa到1050MPa，屈服强度Re为约500MPa到700MPa。然而，这些钢表现出了很好的机械性能。

作为本发明的实施例和比较实施例，将在以下测试中提到。

实施例1(发明)

该实施例代表了本发明的变化，在其中可使用相应的低碳含量，并依靠添加铜产生析出硬化。

钢成分如下(用10^-3％重量表示)：

C	Mn	Si	S	P	Ni	Cu	Cr	Mo	Al	Ti	B	N
													80	1500	300	85	10	1500	2500	280	50	25	-	-	6

在1250℃到1200℃的温度范围内热锻造，并在静止空气(在700℃和300℃的温度范围内平均冷却速率为1℃/s)中冷却后，得到具有265Hv30中等硬度、强度小于900MPa的贝氏体微结构。由于这种机械特征，可加工性能不是问题。其后，退火在450℃持续进行1小时，能使得强度特性得到提高以得到大于340Hv30的硬度和1100MPa的强度。

实施例2(发明)

该实施例代表了本发明的变化，在其中可使用相应的低碳含量，并依靠添加钒产生析出硬化。

钢成分如下(用10^-3％重量表示)：

C	Mn	Si	S	P	Ni	Cu	Cr	Mo	Al	Ti	V
												150	1230	250	80	20	150	200	205	50	30	-	820

在1250℃到1200℃的温度范围内热锻造和在静止空气(在700℃和300℃的温度范围内平均冷却速率为1℃/s)中冷却后，得到相当于15mm直径的、已经相当坚硬的(300Hv30到320Hv30)具有大部分贝氏体做结构的锻件，其强度为约1000MPa，该强度为目前通过常规机加工手段仍能够得到的良好机加工性的上限。在580℃退火2小时后，通过添加钒硬化可得到的硬度为400Hv30，相当于强度大于1200MPa。

实施例3(发明)

该实施例代表了本发明的变化，在其中可使用相应的低碳含量，并通过镍和铝结合的添加物的析出产生硬化。

钢成分如下(用10^-3％重量表示)：

C	Mn	Si	S	P	Ni	Cu	Cr	Mo	Al	Ti	B	N
													95	1150	200	80	10	3000	206	220	60	1500	-	3	3

在1250℃到1200℃的温度范围内热锻造和在静止空气(表示在700℃和300℃的温度范围内冷却率为1℃/s)中冷却后，得到具有240 Hv30中等硬度、强度小于800MPa的贝氏体微结构。对于这种机械特性，机加工不存在任何问题。其后，退火在520℃持续进行10小时，能使得强度特性得到提高以到达大于370Hv30的硬度和约1200MPa的强度。

实施例4(比较)

钢成分如下(用10^-3％重量表示)：

C	Mn	Si	S	P	Ni	Cu	Cr	Mo	Al	Ti	V	B
													230	1500	700	80	11	150	150	800	70	20	25	190	3

在1250℃到1200℃的温度范围内热锻造和在静止空气中冷却后，可得到具有等效直径25mm和硬度接近320Hv30、强度约为1050MPa得主要为贝氏体微结构的零件。在300℃到450℃内退火1小时不能使得所得的强度有任何有效的提高。

Claims (20)

1.一种制造钢零件的方法，其特征在于以下步骤：

·制备和铸造具有以下按重量百分比计的成分的钢材：0.06％≤C≤0.25％、0.5％≤Mn≤2％、痕量≤Si≤3％、痕量≤Ni≤4.5％、痕量≤Al≤3％、痕量≤Cr≤1.2％、痕量≤Mo≤0.30％、痕量≤V≤2％、痕量≤Cu≤3.5％；并且要符合以下至少一种条件：

*0.5％≤Cu≤3.5％；

*0.5％≤V≤2％；

*2％≤Ni≤4.5％和1％≤Al≤2％；

余量是铁和制备过程中产生的杂质；

·在1100℃至1300℃的温度下将铸钢至少一次热变形以得到零件坯体；

·在静止空气或强迫通风中对零件坯体进行受控冷却；

·在将所述坯体加工成零件之前或之后，加热钢材来进行析出退火。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于钢材中包含5ppm到50ppm的B。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于钢材中包含0.005％到0.04％的Ti。

4.根据权利要求2和3相结合的方法，其特征在于钢材中Ti含量等于N含量的至少3.5倍。

5.根据权利要求1到4的任一方法，其特征在于钢材中包含0.005％到0.06％的Nb。

6.根据权利要求1到5的任一方法，其特征在于钢材中包含0.005％到0.2％的S。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于钢材中包含至少以下一种元素：Ca最高达0.007％、Te最高达0.03％、Se最高达0.05％、Bi最高达0.05％和Pb最高达0.1％。

8.根据权利要求1到7的任一方法，其特征在于钢材中C含量在0.06％到0.20％之间。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于钢材中Mn含量在0.5％到1.5％之间，Cr含量在0.3％到1.2％之间。

10.根据权利要求8或9的方法，其特征在于钢材中Ni含量在痕量到1％之间。

11.根据权利要求8或9的方法，其特征在于钢材中Ni含量在2％到4.5％之间，Al的含量在1％到2％之间。

12.根据权利要求1到11的任一方法，其特征在于析出退火在425℃到600℃之间进行。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于钢材中包含0.5％到3.5％Cu，且析出退火在425℃到500℃之间进行1到10个小时。

14.根据权利要求12的方法，其特征在于钢材中包含0.5％到2％V，且析出退火在500℃到600℃之间进行多于1个小时。

15.根据权利要求12的方法，其特征在于钢材包含2％到4.5％Ni和1％到2％的Al，且析出退火在500℃到550℃之间进行多于1个小时。

16.根据权利要求1到15的任一方法，其特征在于所述热变形是轧制。

17.根据权利要求1到15的任一方法，其特征在于所述热变形是锻造。

18.根据权利要求1到17的任一方法，其特征在于坯体受控冷却在600℃到300℃之间以小于或等于3℃/s的速度进行。

19.一种钢零件，其特征在于它是根据权利要求1到17的任何一个方法得到的。

20.根据权利要求18的钢零件，其特征在于其具有贝氏体微结构、拉伸强度Rm为750MPa到1300MPa和屈服强度Re大于或等于500MPa。