CN101155941B - 用于感应加热淬火和轴的硼钢种 - Google Patents
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Abstract
低合金硼钢，尤其用于轴的低合金硼钢，该轴通过表面区的感应加热淬火而具有增加的疲劳和静强度。疲劳强度的最大改进是通过静态(同一位置)感应加热淬火而得到的，这归因于相较与通过顺序(扫描方法)得到的在表面内具有较高的压缩应力。然而，在轴芯核内的高对应拉伸应力已经证实能够导致这些钢种的中心裂纹。本发明意味着，与通常在标准组成的硼钢中作为杂质出现而不列出钼和镍含量相比，通过使用略微增加的钼和镍含量而消除中心裂纹的的发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种依据所附权利要求1的前序部分的硼钢种。
本发明还涉及一种依据所附权利要求6的前序部分的由硼钢制备的轴。
背景技术
低合金硼钢尤其用于轴，该轴通过表面区的感应加热淬火而具有增加的疲劳和静态强度，还具有耐磨损表面层。
这种感应加热淬火在表面区内导致压缩应力，该压缩应力抵消疲劳裂纹的发生，从而对疲劳强度具有正面影响。压缩应力的大小与疲劳强度之间的关系是明确的。压缩应力越大，疲劳强度越高。
表面区内的压缩应力通过中间部位(芯核)内的拉伸应力来平衡。芯核内的拉伸应力通常不影响强度，因为施加负荷引起的应力水平尤其在芯核内是低的。
在静态感应加热淬火(也称作同一位置淬火)中，即淬火操作中，其中待淬火的总体积首先加热到淬火温度，然后立即或在一定耽搁后冷却，表面区内的压缩应力变得特别高，疲劳强度变得比通过顺序感应加热淬火得到的更好，所述顺序感应加热淬火中加热和随后冷却在感应器/冷却喷淋器和待淬火工件间连续相互运动期间进行。然而，应力，不只是芯核内的拉伸应力，在静态感应加热淬火的情况下，可以在实际淬火过程中变得如此大，以致于在芯核出现裂纹(中心裂纹)。然而，如果中心裂纹可以避免，那么轴的静态感应加热淬火导致非常好的疲劳强度。典型的代表性比例对于顺序感应加热淬火在20kNm扭转疲劳为约20000负荷循环，而对于静态感应加热淬火则在20kNm扭转疲劳为80000负荷循环。
低合金硼钢已经证实对上述现象是非常敏感的，其在某些条件下产生中心裂纹，这在经淬火的产物中当然是不可接受的。这种裂纹当它们没有到达相关产物的表面时通常是难以检测的。不过已经证实通过用超声波检查可以检测它们。
本发明的目的是提供可以静态感应加热淬火且无中心裂纹产生的低合金硼钢。
发明内容
上述目的是通过根据所附权利要求1和6的硼钢和轴来实现的。
其他优势通过从属权利要求中所规定的内容来实现的。
附图说明
本发明参考具体实施方式中的实施例和附图来更详细地描述，其中：
图1所示为关于裂纹的发生作为组成的函数的表格形式的汇编，其中主要是钼和镍含量明显地改变。
图2所示为裂纹的发生作为钼和镍含量的函数的图表。
图3所示为使用本发明的钢种进行实验的传动轴的轴向截面。
具体实施方式
在本说明书中，在所示钢种中元素的所有百分数据都是重量比。
本发明的钢种是低合金硼钢，具有本发明组成范围的本发明的钢种与相应的已知钢种一起显示在表1中。
对感应加热淬火特性具有相当大影响的碳的含量为0.30-0.50％，从而在淬火后得到所希望的强度。优选碳含量总计为0.38-0.45％。
硅的存在量为0.15-0.40％，优选大于0.15％-0.40％，主要作为其他合金元素的载体加入，但也具有一些增强作用。
锰的存在量为1.10-1.50％，优选大于1.10％-1.50％，并且部分通过增加可淬火性而具有增强作用，当有很大的淬火深度时，其可影响感应加热淬火中的淬火深度。加入锰也是为了结合硫，否则所述硫将对冲击强度具有副作用。
磷含量小于0.035％，必须保持低含量以防止由于晶界弱化而导致的脆性和淬火裂纹。
硫通过形成硫化锰(MnS)而改进了可加工性，但是同时降低了强度，因为MnS构成了可作为裂纹凹口的钢基体弱区域。硫含量需要保持在0.020-0.050％的范围内。
铬的存在量小于0.5％，优选大于0.2％且小于0.5％。铬增加了可淬火性，并且降低了脱碳的危险。
本发明已经证实含量为0.030％-0.15％的钼和以下描述的一定含量的镍一起能够防止中心裂纹的发生，尤其是在静态感应加热淬火中。对于此类硼钢，钼含量通常没有具体说明。可能这样添加的钼与镍组合也降低了其他钢种中的淬火裂纹。钼含量优选为0.05-0.15％。
本发明已经证实含量为0.15％-0.40％的镍与上述钼一起能够防止中心裂纹的发生，尤其是在静态感应加热淬火中。镍含量同样通常不具体说明。镍被认为是杂质。也可能这样添加的钼与镍组合也降低了其他钢种中的淬火裂纹的危险。镍含量优选为0.20-0.40％。
需要一定含量的钛来保持硼在钢的固溶体中的一定含量，从而改进淬火特性。因此钛的存在量应为0.020-0.050％。
铝是脱氧剂，因此以低含量存在。铝通过形成氧化铝而损害了疲劳强度，铝含量应保持＜0.050％。
低含量的硼改进了淬火特性，例如可淬火性，当有淬火深度时可影响感应加热淬火的淬火深度。在固溶体中所希望的含量是至少0.0005％，而总含量应限制为小于0.004％。
实施本发明
在通常环境下，钼和镍构成甚至在标准组成中也没有具体说明的杂质。根据本发明对于导致裂纹消失作用的钼和镍的组成范围仍然包括明显超过优势杂质水平的含量。然而，所述范围对应相对少量的合金物质钼和镍，并且对于这里的低合金硼钢的钢成本可能具有极大的边界效应。
另一方面，相当大增加的强度是通过能够无中心裂纹发生来施加静态感应加热淬火来实现的，其在某些情况下在相关工件中可能意味材料可以被节省，而不会影响疲劳强度等方面的性能。
实施例
通过静态感应加热淬火而淬火的具有不同钼和镍含量的由硼钢TB 1639制备的传动轴(图3)如下：
1.在约40秒内感应加热到表面温度为约1000℃。
2.通过水基聚合物混合物(聚亚烷基二醇)冷却。
3.通过感应静态加热到表面温度为约300℃来回火(再加热，约90秒)。
通过超声波由轴端表面检测裂纹的发生。
由大量的具有相互改变的化学组成的进料，在图1的表中显示了裂纹在大量传动轴上的发生。在该表中，“No.”代表其中裂纹被检测的轴的数，“Tot.”代表用于每种钢进料的检测的轴的总数，而“Incid.％”表示“No.”和“Tot.”之间的比值，即具有检测裂纹的轴的比例。图2显示了裂纹的发生率，“裂纹发生率％”作为钼含量和镍含量的函数，但由于加工原因钼含量和镍含量不能被分开。
由其中无裂纹被检测(图1“Incid.0％”)的轴(测试件)的组成，可以求出用于防止裂纹的约0.030％的钼和约0.15％的镍的最小含量。
上述最小含量已经小幅度地调节到各含量组合为0.035％钼/0.0167镍和0.038钼/0.188％镍，这导致无裂纹。相对于所提出的最小含量，优选的最小含量已经具有了向上幅度。
对于钼和镍已经设置了含量上限。这是部分为了成本原因，并且为了防止增加钼和镍含量时发生的不利之处，例如受损的可加工性。
在上述的实验探讨范围内，也可能通过测量和计算来核实静态感应加热淬火比轴的顺序感应加热淬火导致表面的更高的压缩应力和芯核的更高的拉伸应力。
化学组成
Scania硼钢TB 1639作为低合金材料在以下表1中列出。低合金组成通常无钼和镍的含量，这些物质被认为是普通杂质。也列出了实验中导致无裂纹的本发明的通常组成、优选组成和详细组成。
表1根据现有技术和本发明的硼钢的组成
化学组成
| 基础物质 | TB1639基 | 普通发明 | 优选实施方案 | 图1的实施例 |
| CSiMnPSCrMoNiTiAlB(total)B(soluble) | 0.38-0.450.15-0.401.10-1.50＜0.0350.020-0.050＜0.500.020-0.050＜0.050＜0.0040＞0.005 | 0.30-0.500.15-0.401.10-1.50＜0.0350.020-0.050＜0.500.030-0.150.15-0.400.020-0.050＜0.050＜0.0040＞0.005 | 0.30-0.50＞0.15-0.40＞1.10-1.50＜0.0350.020-0.050＜0.20-0.500.05-0.15＞0.20-0.400.020-0.050＜0.050＜0.0040＞0.005 | 0.4170.2821.3230.0110.0280.2970.0380.1880.0390.032＜0.0040＞0.005 |
Claims (3)
1.一种硼钢，用于静态感应加热淬火，其以重量百分比计包括：
0.38-0.45％碳
＞0.15且≤0.40％硅
＞1.10且≤1.50％锰
＜0.035％磷
0.020-0.050％硫
＞0.20且≤0.50％铬
0.05-0.15％钼
0.20-0.40％镍
0.020-0.050％钛
＜0.050％铝
＜0.0040％全部硼
＞0.0005％可溶硼
以及余量铁和杂质。
2.一种轴，其特征在于其由权利要求1的硼钢制造。
3.权利要求2的轴，其特征在于通过静态感应加热淬火导致的淬火层。
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