CN101501233B - 疲劳特性优异的汽车行走部件用钢材以及使用该钢材的汽车行走部件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供疲劳特性高，热处理不需要较多的成本，而且成形加工性也优异的汽车行走部件用钢材以及使用该钢材的汽车行走部件的制造方法。本发明的汽车行走部件用钢材是复合添加有Nb、Mo的钢材，进行板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍的弯曲成形后的板厚中心的维氏硬度与距表面0.5mm以内的维氏硬度最高值之差为50～150点。由于表面硬度高且中心部的硬度低，因此疲劳特性和成形加工性优异。再者，如果在由λ＝T(20+log(t))定义的回火参数λ为14000～19000的条件(T为绝对温度，t为时间(小时)，温度上限为660℃)下进行退火，则可缓和内部应力，使疲劳特性进一步提高。
Description
技术领域
本发明涉及疲劳特性优异的汽车行走部件用钢材及使用该钢材的汽车行走部件的制造方法。
背景技术
配置在汽车左右车轮间的前桥梁(axle beam)、其周边的悬架构件等汽车行走部件，在行驶中反复地受到冲击载荷和扭转载荷等，因此在需要高的强度的同时，需要高的疲劳特性。例如，日本特开2001-321846号公报公开了将高强度的钢管冲压加工形成为异型截面形状的中空结构的前桥梁。
该日本特开2001-321846号公报的前桥梁，为了提高疲劳特性，将高强度的钢管冲压加工成异型截面形状后加热至高温，再进行急水冷从而进行淬火。可是，为此必须加热至钢材的相变点以上的高温，因此加热成本高，而且需要用于防止氧化皮的气氛控制，或需要去氧化皮工序，因此存在成本更高的问题。另外，一般地高强度的钢管的成形加工性差，容易产生尺寸偏差，因此存在向车体上装配的作业性降低的问题。
再者，在前桥梁之类的异型截面的行走部件的制造工序中，对成为坯材的钢管施加较强的弯曲加工，因此在弯曲加工部产生较大的残余应力。所以，以往在不淬火的场合由于残余应力而使疲劳特性降低，另外，为了除去残余应力而进行消应力退火时，钢材会软化，存在仍然不能确保必要的疲劳特性的问题。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有的问题，提供成形加工性良好，疲劳特性高，而且热处理不需要较多的成分的疲劳特性优异的汽车行走部件用钢材及使用该钢材的汽车行走部件的制造方法。
为了解决上述的课题而完成的发明方案1的疲劳特性优异的汽车行走部件用钢材，是复合添加有Nb、Mo的钢材，其特征在于，进行板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍的弯曲成形后的板厚中心的维氏硬度与距表面0.5mm以内的维氏硬度的最高值之差为50～150点。
另外，为了解决同一课题而完成的发明方案2的疲劳特性优异的汽车行走部件用钢材，是复合添加有Nb、Mo的钢材，其特征在于，进行板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍的弯曲成形后，在由λ＝T(20+log(t))定义的回火参数λ为14000～19000的条件(T为绝对温度，t为时间(小时)，温度上限为660℃)下退火后的板厚中心的维氏硬度与距表面0.5mm以内的维氏硬度的最高值之差为50～150点。
发明方案3的发明是限定了发明方案1或2所述的汽车行走部件用钢材的组成的发明，其特征在于，以质量％计，具有C：0.05～0.23％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.3～2.0％、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Nb：0.01～0.1％、Mo：0.1～0.5％、Sol.Al：0.01～0.05％、N：0.006％以下、其余量为Fe的组成。
发明方案4的发明，其特征在于，使发明方案3所述的钢材组成中还含有Ti：0.005～0.03％、V：0.005～0.1％、Cr：0.1～0.5％、Cu：0.001～0.5％、Ni：0.001～0.5％、B：0.0001～0.003％、Ca：0.0001～0.003％、Mg：0.0001～0.004％之中的任一种或两种以上。
发明方案5及其后面的发明方案是成形退火后的疲劳特性优异的汽车行走部件的制造方法的发明，发明方案5的发明，其特征在于，将以质量％计，具有C：0.05～0.23％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.3～2.0％、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Nb：0.01～0.1％、Mo：0.1～0.5％、Sol.Al：0.01～0.05％、N：0.006％以下、其余量为Fe的组成的钢材进行弯曲成形使得板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍，使板厚中心维氏硬度与距表面0.5mm以内的维氏硬度的最高值之差为50～150点。
另外，发明方案6的发明，其特征在于，将以质量％计，具有C：0.05～0.23％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.3～2.0％、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Nb：0.01～0.1％、Mo：0.1～0.5％、Sol.Al：0.01～0.05％、N：0.006％以下、其余量为Fe的组成的钢材进行板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍的弯曲成形后，在由λ＝T(20+log(t))定义的回火参数λ为14000～19000的条件(T为绝对温度，t为时间(小时)，温度上限为660℃)下进行退火，使板厚中心的维氏硬度与距表面0.5mm以内的维氏硬度的最高值之差为50～150点。
发明方案7和发明方案8的发明，其特征在于，使发明方案5、6中的钢材的组成中还含有Ti：0.005～0.03％、V：0.005～0.1％、Cr：0.1～0.5％、Cu：0.001～0.5％、Ni：0.001～0.5％、B：0.0001～0.003％、Ca：0.0001～0.003％、Mg：0.0001～0.004％之中的任一种或两种以上。
附图说明
图1是表示实施方式的前桥梁的立体图。
图2是图1的实施方式的前桥梁的A-A、B-B剖面图。
图3是表示本发明的钢材的板厚方向的硬度变化的曲线图。
图4是表示一般的钢材的板厚方向的硬度变化的曲线图。
图5是表示实施例1中的通过3点弯曲冲压进行的弯曲加工的说明图。
图6是表示实施例1中的疲劳试验的状态的说明图。
图7是表示实施例3中的0.03％Nb-0.3％Mo钢的板厚方向的维氏硬度的曲线图。
图8是表示实施例3中的0.05％Nb-0.05％V钢的板厚方向的维氏硬度的曲线图。
具体实施方式
本发明的汽车行走部件用钢材，是复合添加有Nb、Mo的析出硬化型钢材，具体地讲，是以质量％计，具有C：0.05～0.23％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.3～2.0％、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Nb：0.01～0.1％、Mo：0.1～0.5％、Sol.Al：0.01～0.05％、N：0.006％以下、其余量为Fe的组成的钢材。
Nb和Mo，是用于在进行板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍的弯曲成形时，不使表面层的金属组织粗大化而进行加工硬化，提高强度和硬度的同时，在退火时通过加热而析出(Nb，Mo)C，提高强度和硬度的重要元素。为了发挥该效果，Nb需添加0.01％以上，Mo需添加0.1％以上。Nb在少量添加时就有显著的效果，由于Nb是高价格的元素，因此从成本上的制约考虑，使上限为0.1％。关于Mo，除了具有与Nb同样的成本上的制约以外，由于通过大量添加会使加工性恶化，因此使上限为0.5％。
C，为了获得高强度需为0.05％以上，但超过0.23％时韧性降低，影响到疲劳特性，因此确定为0.05～0.23％的范围。Si作为脱氧元素含有0.05％以上是有效的，但过剩地添加时，在电焊焊接时会招致由SiO2引起的缺陷发生，因此确定为0.05～1.0％的范围。为了获得高强度，Mn也必须为0.3％以上，但超过2.0％时，会招致由MnO引起的缺陷发生，因此确定为0.3～2.0％的范围。P：0.03％以下、S：0.01％以下，与通常的电焊钢管的成分系同样。
Sol.Al和N是生成AlN，促进结晶微细化的元素。Al不到0.01％时，其效果不足，即使Al超过0.05％、N超过0.006％也不能够得到与其相称的效果，因此确定为与通常的电焊钢管的成分系同样的上述范围。
再者，通过在上述的基本的钢组成中选择性地添加Ti：0.005～0.03％、V：0.005～0.1％、Cr：0.1～0.5％、Cu：0.001～0.5％、Ni：0.001～0.5％、B：0.0001～0.003％、Ca：0.0001～0.003％、Mg：0.0001～0.004％，能够获得更理想的特性。
Ti是用于改善韧性的元素，V和Cr是用于辅助抑制由退火所致的软化的元素。Cu是用于提高强度的元素，Ni是用于提高韧性的元素。B是用于提高强度的元素，Ca是用于控制氧化物形态和抑制MnS生成的元素。这些的各特性在按各元素设定的上述范围内得到发挥，当低于其下限值时 不能呈现效果，即使大于其上限值，效果也饱和。再者，Mg是用于在将晶粒细化使弯曲特性提高的同时，抑制MnS生成使电焊区的韧性提高的元素，为此需要0.0001％以上，但使其含量超过0.004％不容易。
本发明中，由上述组成的钢材制造钢管，进行冲压加工使得成为例如图1、图2所示那样的剖面形状，制造前桥梁等汽车行走部件。钢管的制造是通常的电焊焊接。该实施方式的前桥梁，如图所示，剖面形状在两端部接近于圆，但在中央部进行了板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍的较强烈的弯曲加工。通过这样的弯曲加工而发生加工硬化，表面层的硬度上升，而另一方面，在成为弯曲加工的中立轴的板厚中心附近，硬度的上升很少。再者，板外面的弯曲半径R不到板厚的2倍的弯曲加工是成形困难的，当超过5倍时，由加工硬化带来的硬度上升不充分，因此必须进行板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍的弯曲成形。
图3是模式地表示本发明的汽车行走部件用钢材的板厚方向的硬度的图。在作为坯材的电焊钢管的状态下，其表面硬度处于由点划线所示的水平。然而，通过上述的弯曲加工，如虚线所示，表面层的硬度大幅度上升。这样，本发明的钢材加工硬化大，在该阶段中表层部分与板厚中心部分产生较大的硬度差。而且，本发明的钢材，产生加工硬化的表面层的结晶组织的粗大化得到抑制，能够维持致密的组织。
因此，使用本发明的汽车行走部件用钢材所制造的汽车行走部件，如后述的实施例的数据所示，是疲劳特性优异、不发生来自表面的裂纹的部件。
另外，为了缓和与加工相伴的内部残余应力，使疲劳特性进一步提高，本发明的汽车行走部件用钢材也能够进行退火。该情况下的退火条件，可由该行业中众所周知的由λ＝T(20+log(t))定义的回火参数λ表达，本发明的汽车行走部件用钢材，通过λ为14000～19000的条件(T为绝对温度，t为时间(小时)，温度上限为660℃)的退火，能够缓和内部残余应力。再者，若低于上述范围，则逐渐接近于发明方案1的发明，在缓和残余应力这点上不充分，进行退火的意义降低。反之，若大于上述范围，则 强度和硬度降低，疲劳特性恶化，而且加热成分也增加，因此应该避免这样的退火。
图4是有关一般的钢管的与图3同样的模式图，在一般的钢管的场合，与本发明的钢材相比，加工硬化也极少，而且通过退火，表面层也软化，显示出与加工硬化相伴的硬度上升部分的大半丧失。与此相对，本发明的汽车行走部件用钢材，是复合添加有Nb、Mo的析出硬化型钢材，由于加工硬化大，通过退火时的加热而析出(Nb，Mo)C，能够提高强度和硬度，因此，如图3中实线所示，基本上没有与退火相伴的硬度变化，可基本上原样地维持由弯曲加工所引起的表层部分与板厚中心部分的硬度差。
其结果，本发明的钢材不论是不退火的场合还是进行了退火的场合，板厚中心的维氏硬度与距表面0.5mm以内的维氏硬度的最高值之差为50～150点。具体地讲，板厚中心的维氏硬度为200～250左右，距表面0.5mm以内的维氏硬度为300～350左右。
如以上说明，本发明的汽车行走部件用钢材和使用该钢材采用本发明方法所制造的汽车用行走部件，在进行了必要的弯曲加工的状态下，中心部为低硬度，维持了优异的成形加工性，并且表层部为高硬度的致密组织，发挥出优异的疲劳特性。而且，通过进行退火缓和内部应力，能够发挥更优异的疲劳特性。再者，Nb-Ti系的钢材，在退火时表层部分中发生晶粒的粗大化，不能够发挥本发明那样的较大的硬度差，另外，由于有从表层部分发生裂纹的危险，因而不优选。以下举出本发明的实施例。
在上述的实施方式中，作为汽车用行走部件的代表例，举出了前桥梁，但是毋庸讳言，也能够广泛地适用于悬架部件等的要求疲劳特性的其他的行走部件。
实施例1
使用真空熔化炉将表1所示的成分的钢制成30kg的钢块。接着，热轧成板厚为4.5mm，以表1所示的弯曲半径R，通过图5所示的3点弯曲冲压，对得到的钢板实施弯曲加工，制成U字状的疲劳试片。一部分样品在580℃下实施30分钟的消应力退火。
如图6所示将得到的样品的一端固定在台座上，进行反复按压一端的疲劳试验，裂纹发生时的次数不到5万次记为×，为5万次以上但不到10万次记为○，10万次都无裂纹记为◎，如表2所示。另外，采用载荷100gf的显微维氏硬度计测定板厚中心和距弯曲表面0.4mm的位置的硬度，将其差作为ΔH一并示于表2。
表1供试钢的化学成分(质量％)
| No. | C | Si | Mn | P | S | Nb | Mo | Sol.Al | N |
| 1 | 0.06 | 0.05 | 0.5 | 0.018 | 0.005 | 0.07 | 0.2 | 0.02 | 0.003 |
| 2 | 0.09 | 0.15 | 1.6 | 0.015 | 0.003 | 0.03 | 0.3 | 0.03 | 0.002 |
| 3 | 0.20 | 0.25 | 1.4 | 0.012 | 0.002 | 0.03 | 0.3 | 0.03 | 0.002 |
| 4 | 0.20 | 0.25 | 1.4 | 0.012 | 0.002 | 0.03 | 0.3 | 0.03 | 0.002 |
| 5 | 0.03 | 0.25 | 1.6 | 0.013 | 0.004 | 0.02 | 0.2 | 0.03 | 0.003 |
| 6 | 0.25 | 0.30 | 1.8 | 0.015 | 0.005 | 0.04 | 0.4 | 0.02 | 0.004 |
| 7 | 0.08 | 0.25 | 1.6 | 0.012 | 0.003 | 0 | 0.2 | 0.03 | 0.004 |
| 8 | 0.12 | 0.20 | 1.3 | 0.013 | 0.004 | 0.04 | 0 | 0.03 | 0.002 |
| 9 | 0.06 | 0.25 | 1.5 | 0.011 | 0.001 | 0.02 | 0.15 | 0.04 | 0.003 |
表2试片板外的弯曲半径R和有无退火、疲劳试验结果和ΔHv
| No. | 弯曲半径R | 退火 | 疲劳试验 | ΔHv |
| 1 | 2.5 | 无 | ○ | 140 |
| 2 | 4.0 | 无 | ○ | 65 |
| 3 | 2.5 | 无 | ○ | 115 |
| 4 | 2.5 | 有 | ◎ | 110 |
| 5 | 4.0 | 无 | × | 40 |
| 6 | 2.5 | 无 | 裂纹 | |
| 7 | 4.0 | 无 | × | 30 |
| 8 | 2.5 | 有 | × | 40 |
| 9 | 6.0 | 有 | × | 35 |
如表2所示，No.1～No.4的ΔHv充分大，疲劳试验结果也良好。特别是No.4通过适当的退火可得到优异的疲劳特性。No.5由于C低、钢板表面的硬度低，因此ΔHv小。No.6的C高，不能够弯曲成形。可以认为这是因为碳化物多，使弯曲特性劣化所致。No.7的Nb低，No.8的Mo低，因此ΔHv低。可以认为这是由于钢板表面的组织粗大化、软化，弯曲后的表面硬度低，疲劳特性也低。No.9的弯曲半径R平缓，表面硬度不充分高，因此可以认为疲劳特性也低。
实施例2
将0.16％C-0.2％Si-1.3％Mn-0.04％Nb-0.35％Mo-其余量Fe的钢材制成板厚3.0mm的热轧钢板后，造管成为Φ75.0的电焊钢管，进行冲压成形使得弯曲外半径为10mm，改变退火条件进行了退火。采用X射线法测定所得到的样品的残余应力，另外，采用显微维氏硬度计(载荷100gf)测定剖面的板厚中央的硬度和距表面0.4mm的位置的硬度，将其差记为ΔH。另外，进行扭转疲劳试验，裂纹发生时不到5万次记为×、为5万次以上但不到10万次记为○、为10万次以上记为◎。其结果示于表3。
表3
No.1、No.2的残余应力高，但疲劳试验结果十分良好。No.3、No.4由于残余应力低、表面的硬度高，因此疲劳试验结果非常良好。No.5的回火参数大，残余应力低，但表面硬度也低。其结果可以认为疲劳裂纹的发生 较早。No.7的退火温度高，热处理前后的变形大，因此可判断不能用于汽车行走用部件。
实施例3
对于(a)0.03％Nb-0.3％Mo钢和(b)0.05％Nb-0.05％V钢，测定将板厚3.4mm的钢以弯曲外半径14mm弯曲成形而成的制品、和弯曲成形后退火而成的制品的板厚度方向的剖面硬度分布，分别示于图7和图8。本发明的(a)0.03％Nb-0.3％Mo钢，如图7所示，表面层的硬度非常高，并且与板厚中心部的硬度差较大，基本上没有由退火引起的硬度降低。与此相对，(b)0.05％Nb-0.05％V钢，如图8所示，虽然板厚中心部的硬度与本发明的钢同等，但表层部分的硬度低，由退火引起的硬度降低也大。
产业上的利用可能性
本发明的汽车行走部件用钢材是复合添加有Nb、Mo的钢材，加工硬化大，因此在进行板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍的弯曲成形时，与板厚中心相比，变形量大的表面附近的硬度大幅度上升。因此，能够使板厚中心的维氏硬度与距表面0.5mm以内的维氏硬度的最高值之差增大为50～150点，如所述的实施例的数据所示，成形退火后的疲劳特性优异。另外，中心层的硬度低，因此加工性良好，能够尺寸精度高地成形，因此向车体上装配的作业性也优异。
这样，本发明的汽车行走部件用钢材，即使不退火也发挥优异的特性，即使进行用于消除残余应变的退火，硬度的变化也少。即，该钢材通过退火时的加热而析出(Nb，Mo)C，由此防止表面附近的硬度降低，即使进行退火也能够维持退火前的高硬度。因此，在上述的弯曲成形后，在由λ＝T(20+log(t))定义的回火参数λ为14000～19000的条件(T为绝对温度，t为时间(小时)，温度上限为660℃)下退火后的板厚中心的维氏硬度与距表面0.5mm以内的维氏硬度的最高值之差可增大为50～150点。
因此，由本发明得到的汽车前桥梁，其表面硬度高，如所述的实施例的数据所示，成形退火后的疲劳特性优异。另外，中心层的硬度低，因此 加工性良好，能够尺寸精度高地成形，因此向车体上装配的作业性优异。而且，具有以下的很多优点：可通过660℃以下的低温退火来除去残余应变，热处理成分廉价，而且即使进行退火，硬度降低也少，疲劳特性优异，等等。
本发明中表示数值范围的“以上”和“以下”均包括本数。
Claims (4)
1.一种疲劳特性优异的汽车行走部件的制造方法，其特征在于，将以质量％计，具有C：0.05～0.23％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.3～2.0％、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Nb：0.01～0.1％、Mo：0.1～0.5％、Sol.Al：0.01～0.05％、N：0.006％以下、其余量为Fe的组成的钢材进行弯曲成形使得板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍，使板厚中心维氏硬度与距表面0.5mm以内的维氏硬度最高值之差为50～150点。
2.一种疲劳特性优异的汽车行走部件的制造方法，其特征在于，将以质量％计，具有C：0.05～0.23％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.3～2.0％、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Nb：0.01～0.1％、Mo：0.1～0.5％、Sol.Al：0.01～0.05％、N：0.006％以下、其余量为Fe的组成的钢材进行板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍的弯曲成形后，在由λ＝T(20+log(t))定义的回火参数λ为14000～19000的条件下进行退火，使板厚中心的维氏硬度与距表面0.5mm以内的维氏硬度最高值之差为50～150点，所述条件中T为绝对温度，温度上限为660℃，t为时间，单位为小时。
3.一种疲劳特性优异的汽车行走部件的制造方法，其特征在于，将以质量％计，具有含有C：0.05～0.23％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.3～2.0％、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Nb：0.01～0.1％、Mo：0.1～0.5％、Sol.Al：0.01～0.05％、N：0.006％以下，还含有Ti：0.005～0.03％、V：0.005～0.1％、Cr：0.1～0.5％、Cu：0.001～0.5％、Ni：0.001～0.5％、B：0.0001～0.003％、Ca：0.0001～0.003％、Mg：0.0001～0.004％之中的任一种或两种以上，其余量为Fe的组成的钢材进行弯曲成形使得板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍，使板厚中心的维氏硬度与距表面0.5mm以内的维氏硬度最高值之差为50～150点。
4.一种疲劳特性优异的汽车行走部件的制造方法，其特征在于，将以质量％计，具有含有C：0.05～0.23％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.3～2.0％、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Nb：0.01～0.1％、Mo：0.1～0.5％、Sol.Al：0.01～ 0.05％、N：0.006％以下，还含有Ti：0.005～0.03％、V：0.005～0.1％、Cr：0.1～0.5％、Cu：0.001～0.5％、Ni：0.001～0.5％、B：0.0001～0.003％、Ca：0.0001～0.003％、Mg：0.0001～0.004％之中的任一种或两种以上，其余量为Fe的组成的钢材进行板外面的弯曲半径R为板厚的2～5倍的弯曲成形后，在由λ＝T(20+log(t))定义的回火参数λ为14000～19000的条件下进行退火，使板厚中心的维氏硬度与距表面0.5mm以内的维氏硬度最高值之差为50～150点，所述条件中T为绝对温度，温度上限为660℃，t为时间，单位为小时。
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