CN101006189B - 制造硬化的锻钢部件的方法 - Google Patents

Abstract

制造钢部件的方法尤其适合于一些部件如具有最后形状锻造齿轮齿的转向齿条。方法包括：将至少一部分钢坯加热到第一温度为至少600℃；将所述部分锻造成一定形状；用受控制的方式将上述部分冷却到第二温度为高于200℃；然后立即将上述部分的至少一部分表面加热到奥氏体温度，然后将上述部分淬火以使表面硬化。

Description

制造硬化的锻钢部件的方法

技术领域

本发明涉及制造表面硬化的锻钢部件的方法，尤其是涉及制造具有锻造齿轮齿的部件如转向齿条。

发明背景

通过感应硬化法的表面硬化钢部件众所周知。工艺提供硬的耐磨外层，而同时保持比较软而坚韧的内芯，并且十分适合于批量生产。感应硬化通常适用于中碳钢，所述中碳钢含碳量是在0.3％和0.8％(0.3-0.8％C)之间，而更典型的是含碳量约为0.4％C。感应硬化钢材的理论和实践众所周知。简要地说，感应硬化法使用一导电体，所述导电体通常取具有至少一匝的线圈形式，放在待硬化的表面积附近，并用合适频率下的电流激励。这样将钢部件的表面层加热到高于奥氏体温度，然后通常是用冷却液如水淬火使上述表面层快速冷却并硬化。可以采用专门研制的淬火系统来使畸变减至最小。硬化之后，部件可以回火以改善它的韧度。

齿轮齿，尤其是用于汽车齿条的小齿轮转向的转向齿条的齿通常是感应硬化。感应硬化齿轮齿存在的一个问题是它难以在齿尖和齿根之间得到均匀的硬度深度。经常是齿尖几乎完全硬化，以便在齿根处得到足够的硬度深度。另一个问题是加热和淬火别的冷部件的表面可能产生裂纹或过度的畸变。已知在感应硬化之前将部件预加热到一低于奥氏体温度的温度减少了这些问题。另外，由于为达到奥氏体温度所需增加的温度低，所以用来感应硬化预加热部件的能量比感应硬化冷部件所用的能量显著要低。另外，由于减小了部件的表面和内芯之间的温差，所以远离表面有较少的热传导作用。一种预加热方法采用两个感应加热频率。该方法在美国专利6315 841(Fisher等人申请)中已描述成适用于锻造伞齿轮的齿。在交换到较高频率以便进一步仅加热用于硬化的表面层之前，用较低的频率预加热部件。该方法的缺点是感应硬化设备的增加成本和复杂性。

传导加热是感应加热可供选择的方案，不过传导加热通常较少使用。两个电触点用部件形成，在待硬化的表面每一端处有一电接点，同时使高频电流通过部件。靠近表面设置的感应器感应电流在部件的表面附近流动，因此用与感应硬化相同的方式对表面层局部加热。在加热之后，将部件淬火以使其硬化。因为热传导硬化象感应硬化一样仅加热表面层，所以它有与感应硬化相同的问题，并且也从预加热得到好处。

温锻钢材众所周知。用于温锻的实际温度随应用不同而从约600℃改变到高达1000℃。温锻法优于热锻法的优点包括减小规模和增加了锻造精度。温锻法尤其是可用于锻造最后形状齿轮齿(net shapegear teeth)。最后形状意思是指在锻造之后不需要对齿精机加工。众所周知的是周圆钢将转向齿条的齿温锻成最后形状，且在这种应用中温锻温度通常是在650℃和850℃之间。用于温锻转向齿条的设备在美国专利5862 701(由Bishop等人申请)中已有描述。

在转向齿条温锻之后，通常是用受控制的方式将转向齿条冷却至室温，并在稍后进行感应硬化。因此将部件加热两次，一次是加热到锻造温度，而再次加热用于感应硬化，这样浪费了能源。

通常用来制造锻造和感应硬化部件，尤其是转向齿条的中碳钢包括SAE 1040和DIN 37CrS4。也可以使用具有贝氏体结构(贝氏体)的中碳钢。具有贝氏体结构的钢材的优点是它比珠光体结构更强，而仍然保持良好的延性水平。贝氏体结构的另一个优点如美国专利5667605(Bellus等申请)中所述是在重新加热之后它保持其硬度，同时不在该温度下保温过长时间。这是由于贝氏体结构比其它结构转变成奥氏体更慢。在美国专利5667605中所公开的钢号具有组成为含0.35％C，1.8％Mn，0.12％V及其它元素，所述钢号与DIN 35MnV7等效，尤其适合于生产用于锻造应用的贝氏体结构。

在纯铁碳钢如SAE 1040或37CrS4中，通过首先从奥氏体温度快速冷却到一高于开始转变成马氏体的温度，然后在该温度下保温至结构转变成贝氏体或者精细珠光体和铁素体的混合物，可以得到精细结构如贝氏体或精细珠光体和铁素体的混合物。开始转变成马氏体的温度随钢号不同而改变，且通常是在230℃和350℃之间。实际精细结构类型发展取决于钢材快速冷却到的温度和冷却速率。同贝氏体一样，精细珠光体和铁素体的混合物改善了强度，而同时保持良好的延性水平。

本发明的目的是改进现有技术中的至少某些问题。

发明概述

本发明包括制造钢部件的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将至少一部分钢坯加热到第一温度为至少600℃；

b)将上述部分锻造成一定形状；

c)用受控制的方式将上述部分冷却到第二温度为高于200℃；

d)将上述部分的至少一部分表面加热到至少是奥氏体温度；然后

e)将上述部分回火，因而使上述表面硬化。

优选的是，上述第一温度为低于1000℃，而更优选的是上述第一温度是在750℃和850℃之间。

优选的是，上述第二温度为低于500℃，而更优选的是上述第二温度为高于300℃。

优选的是，上述钢坏用合适于感应硬化的中碳钢制造。

在一个优选实施例中，上述钢坯用具有贝氏体结构的钢材制成，且上述第二温度为高于600℃，而更优选的是上述第二温度是在650℃和700℃之间。

在另一个优选实施例中，步骤c)包括将上述部分快速冷却至上述第二温度，并将上述部分在该第二温度下保温至上述部分形成精细结构，而更优选的是上述快速冷却费时不到20秒，且上述第二温度是在400℃和550℃之间。

优选的是，在步骤d)处上述表面用感应加热法加热。优选的是，上述感应加热的频率是在1kHz和600kHz之间。优选的是，上述表面是通过感应线圈和淬火环一起沿着上述表面横向移动逐步地局部加热和淬火。可供选择地，在步骤d)处上述表面用传导加热法加热。

优选的是，在步骤b)处将上述部分锻造成一定形状，所述形状包括最后形状的齿轮齿。优选的是，上述部件是转向齿条，并且上述钢坯是圆钢棒材。

优选的是，上述方法还包括在步骤e)之后将上述部分回火的步骤。

在一个优选实施例中，本发明包括用圆钢棒材制造转向齿条的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将上述棒材的至少一部分加热到第一温度是在750℃和850℃之间；

b)在上述部分上锻造最后形状的齿轮齿；

c)在不到20秒的时间里将上述部分冷却至第二温度是在400℃和550℃之间；

d)将上述部分在近似上述第二温度下保温至上述部分形成精细结构；

e)将至少上述齿的至少表面加热到奥氏体温度；

f)将上述部分淬火，因而使上述表面硬化；然后

g)将上述部分回火。

附图简介

图1示意示出按照本发明所述制造表面硬化的锻钢转向齿条的方法。

图2示出按照本发明所述制造的转向齿条。

图3是图2的转向齿条沿着线段III-III的剖视图。

图4是图3的转向齿条的齿沿着线段IV-IV的剖视图。

图5示出感应硬化图2所示转向齿条有齿部分的方法。

实施本发明的最佳方式

本发明说成是适用于转向齿条。然而，本发明同等地可应用于要求表面硬化的其它锻钢部件，尤其是应用于可用最后形状锻造齿轮齿制成的其它部件，上述最后形状齿轮齿包括如伞齿轮、环形齿轮、冠形齿轮、准双曲面齿轮、转向小齿轮或差分小齿轮。

图1示意示出制造按照本发明所述的表面硬化锻钢转向齿条的方法包括步骤1-5。

步骤1包括将取圆钢形式的钢坯加热到高于600℃的温度。优选的是将棒材加热到适合于温锻的600℃和1000℃之间的温度，更优选的是加热到750℃和850℃之间的温度。优选的是加热通过感应加热进行，且只加热等锻造的圆钢部分。圆钢用适合于感应硬化的中碳钢如SAE 1040或DIN 37CrS4制成。中碳钢可以有一贝氏体结构，在这种情况下，中碳钢优选的是钢号为DIN 35MnV7。

步骤2包括从圆钢的加热部分中锻造有齿部分。图2示出在如美国专利US 5862701中所描述的模具设备中用经过加热的圆钢锻造的转向齿条10。锻造的有齿部分11由于是在美国专利5862701中所描述的设备中锻造的结果而具有“Y”形剖面。然而，如果使用其它类型的锻造模具，则锻造的有齿部分11的剖面可以有其它形状，如普通的“D”形。锻造的齿12是最后形状，因此不需要精机加工。

步骤3包括用受控制的方式将锻造的有齿部分11冷却到高于200℃的温度，而对于普通的中碳钢如SAE 1040和DIN 37CrS4来说，优选的温度范围是在300℃和500℃之间。然而，如果齿条10用具有贝氏体结构的钢材如DIN 35MnV7锻造，则优选的是仅冷却到高于600℃的温度，而更优选是冷却到在650℃和700℃之间的温度。这是由于贝氏体结构使钢能在高温下不转变其结构的情况下比普通钢保持更长时间。合适的冷却方法是在锻造的齿条部分11上方鼓吹空气，而使齿条10保持在夹具中。冷却用这种方式控制，以便使齿条10的畸变和弯曲减至最小。

如果齿条10用纯铁碳钢如SAE 1040锻造，则可以应用一种可供选择的冷却方法，并希望形成精细结构如贝氏体或精细珠光体与铁素体的混合物。在这种情况下，首先将锻造的有齿部分11快速冷却到温度高于开始转变成马氏体的温度，如发明背景中所述。冷却可以用水雾、流化床或气动式喷水雾进行。然后，将锻造部分11在此温度下保温至结构转变成精细结构。优选的是，为了在SAE 1040中形成珠光体和铁素体的混合物，首先将锻造部分11在不到20秒的时间内从锻造温度冷却到400℃和550℃之间。然后将锻造部分11在该温度下保温至显微结构转变成贝氏体或精细珠光体和铁素体的混合物，这要花大约60秒钟的时间。

步骤4从锻造部分11在冷却到步骤3的温度下开始。这样下面所述的随后表面硬化过程具有如发明背景中所述预热的优点。步骤4包括将锻造的有齿部分11的表面(其中包括锻造齿12的表面)加热到一温度，所述温度高于奥氏体温度。将表面快速加热，以便锻造的有齿部分11保持在近似冷却步骤3中的温度下。转向齿条要求硬化锻造的有齿部分11的整个表面，而不是仅硬化锻造齿12，因为锻造的有齿部分11当装配到转向齿轮中时在齿条垫片中滑动。表面加热优选的是通过感应加热进行。这可以通过感应线圈进行，所述感应线圈围绕锻造的有齿部分11并遍布其整个长度。用于感应加热的频率将取决于精确应用。对转向齿条来说，合适的频率是在1kHz-600kHz范围内。可供选择地，加热可以通过如发明背景中所述的热传导进行。因为锻造的有齿部分11已有效地预热，所以与表面加热冷的部件相比，显著地减少了把表面层加热到足够深度所需的时间和能量。

步骤5包括在锻造的有齿部分11已加热到高于奥氏体温度之后立即将所述有齿部分11的表面淬火。这通过形成马氏体使表面硬化。优选的是，淬火用这种方式进行，以便控制齿条的畸变量。在硬化之后，锻造的有齿部分11可以回火，以增加硬化的表面层的韧度。如果齿条10用具有贝氏体结构的钢材如DIN 35MnV7锻造，且在步骤3处它仅冷却到一高于600℃的温度，则可能需要压力淬火锻造的有齿部分11以使畸变减至最小。压力淬火包括在淬火期间使有齿部分11紧压在相应形状的夹具上。

图3是在完成步骤1-5之后锻造的有齿部分11沿着图2的线段III-III的剖视图。硬化的表面层用标号13表示。图4是锻造齿12沿着图3的线段IV-IV的剖视图。如图4所示，齿12的根部14有足够的硬度深度16，以便抗疲劳断裂，而齿12本身未充分硬化。这种在齿根中足够的硬度深度和齿本身中硬度深度不过大之间的理想平衡部分是由于在冷却步骤3之后保留热量。

表面加热步骤4和淬火步骤5可以沿着如图5所示的锻造的有齿部分11逐步地交替实施。感应加热线圈17比锻造的有齿部分11的长度窄，而邻近所述感应加热线圈17的是淬火环18(二者用剖视图示出)。线圈17和淬火环18围绕锻造的有齿部分11，并一起沿着所述有齿部分11横向移动，如箭头21所表示的。线圈17在区域19中局部加热锻造的有齿部分11，并从线圈17后面的淬火环18喷洒冷却液20，立即使局部加热区域19淬火和硬化。因此，锻造的有齿部分11沿着它的长度逐渐硬化。淬火环18可以用一种方式分段，此处喷射孔处在变动的轴向位置，以便在淬火期间控制有齿部分11的伸直度。例如，使冷却液对准齿的喷射孔可以比对准齿条背面的喷射孔更靠近线圈17。

Claims (18)

1.一种制造钢部件的方法，包括以下步骤：

a)将钢坯的至少一部分加热到第一温度为至少600℃；

b)锻造上述部分成一定形状；

c)用受控制的方式将上述部分冷却到第二温度为高于200℃；

d)在上述部分上进行表面硬化操作，该表面硬化操作包括将上述部分的表面局部地加热到至少是奥氏体温度；然后将上述表面淬火，

其特征在于，在步骤c)之后、直到步骤d)开始，上述部分的温度保持为高于200℃，从而在上述表面硬化操作之前预热上述部分。

2.如权利要求1所述制造钢部件的方法，其中上述第一温度低于1000℃。

3.如权利要求2所述制造钢部件的方法，其中第一温度是在750℃和850℃之间。

4.如权利要求1所述制造钢部件的方法，其中上述第二温度低于500℃。

5.如权利要求4所述制造钢部件的方法，其中上述第二温度高于300℃。

6.如权利要求1所述制造钢部件的方法，其中上述钢坯用适合于感应硬化的中碳钢制造。

7.如权利要求1所述制造钢部件的方法，其中上述钢坯用具有贝氏体结构的钢材制造，且上述第二温度为高于600℃。

8.如权利要求7所述制造钢部件的方法，其中上述第二温度是在650℃和700℃之间。

9.如权利要求1所述制造钢部件的方法，其中步骤c)包括将上述部分快速冷却到上述第二温度，并使上述部分在第二温度下保温至上述部分形成精细结构。

10.如权利要求9所述制造钢部件的方法，其中上述快速冷却费时少于20秒，且上述第二温度是在400℃和550℃之间。

11.如权利要求1所述制造钢部件的方法，其中在步骤d)处上述表面用感应加热法加热。

12.如权利要求11所述制造钢部件的方法，其中上述感应加热的频率是在1kHz和600kHz之间。

13.如权利要求11所述制造钢部件的方法，其中上述表面通过感应线圈和淬火环一起沿着上述表面横向移动逐步地局部加热和淬火。

14.如权利要求1所述制造钢部件的方法，其中在步骤d)处上述表面通过传导加热法加热。

15.如权利要求1所述制造钢部件的方法，其中在步骤b)处上述部分锻造成包括最后形状齿轮齿的形状。

16.如权利要求15所述制造钢部件的方法，其中上述部件是转向齿条和上述钢坯是圆钢。

17.如权利要求1所述制造钢部件的方法，还包括在步骤d)之后使上述部分回火的步骤。

18.一种用圆钢棒材制造转向齿条的方法，包括以下步骤：

a)将上述棒材的至少一部分加热到第一温度是在750℃和850℃之间；

b)在上述部分上锻造最后形状齿轮齿；

c)在小于20秒时间里将上述部分冷却到第二温度是在400℃和550℃之间；

d)将上述部分在接近上述第二温度下保温至上述部分形成精细结构；

e)在上述部分上进行表面硬化操作，该表面硬化操作包括将上述齿的表面局部地加热到至少是奥氏体温度，接着将上述表面淬火；

f)使上述部分回火，

其特征在于，在步骤d)之后、直到步骤e)开始，上述部分的温度保持为高于200℃，从而在上述表面硬化操作之前预热上述部分。

Images