CN103975080A - 提高微合金钢的疲劳强度的工艺、由该工艺制造的锻造零件及执行该工艺的装置 - Google Patents

提高微合金钢的疲劳强度的工艺、由该工艺制造的锻造零件及执行该工艺的装置 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种制造增大疲劳强度的微合金钢的工艺。在本发明的工艺中，根据待得到细化晶粒尺寸的曲轴的尺寸，均热温度被保持在900℃至1050℃的范围内，并且均热时间被保持在30-60分钟的范围内。在提供特别为本工艺设计的适当支撑的情况下，防止发生部件的扭曲。使用本工艺制造的诸如曲轴的锻造零件具有细化的晶粒结构，并且导致扭转疲劳强度增大20％至25％，弯曲疲劳强度增大10-25％。本发明因此提供增大的强度与材料密度比，以及一种微合金，该微合金的扭转疲劳强度和弯曲疲劳强度大于当前可用的微合金钢。

Description

提高微合金钢的疲劳强度的工艺、由该工艺制造的锻造零件及执行该工艺的装置
技术领域
本发明涉及钢领域；特别地，本发明涉及提高微合金钢的疲劳强度。
背景技术
曲轴被认为是发动机的心脏。曲轴将活塞的往复运动转化为旋转运动。曲轴具有复杂的几何形状，并且其还在其使用寿命期间经历大量的负载周期。因此，疲劳性能和耐久性在曲轴设计和性能中是关键的考虑因素。在其使用寿命期间，曲轴在燃料燃烧导致的高力作用下运行。作用在曲轴上的燃烧和质量惯性力在曲轴结构上导致两种波动载荷，即扭转载荷和弯曲载荷。因此，曲轴需要高的扭转疲劳强度和弯曲疲劳强度。
现代内燃发动机的设计者正面临减小环境污染的挑战，以满足全世界严格的污染控制规定。环境污染可以通过提高发动机效率而减小。曲轴设计在确定发动机效率以及更高的强度与重量比中是非常重要的。由于为发动机汽缸设计的压力远高于几年前，环境遵守规范(例如，欧洲规范)正变得越来越严格，导致更严格的发动机设计。为了承受这种压力的增加，曲轴要求更高的扭转疲劳强度和弯曲疲劳强度。
在持续地寻找高强度材料来应付这些要求的情况。一个这种高强度材料种类，微合金(MA)锻造钢被发现越来越多地用于汽油和柴油发动机曲轴。微合金钢，也称为微合金化钢，是一种包含少量的合金元素(0.05至0.15％)的钢。标准的合金元素包括：铌、钒、钛、钼、锆、硼和稀土金属。其用于改善晶粒微观结构和/或促进析出硬化。
这些刚的性能和成本处于碳钢和低合金钢之间。在不进行热处理的情况下，屈服强度在500MPa和750MPa(73000和109000psi)之间。疲劳寿命和耐磨性优于类似的但经过热处理的钢。微合金钢的已知缺点在于其延展性和韧性不如调制(Q&T)钢好。
作为其形成工艺的一部分，微合金钢也必须被加热至足够热以将所有的合金溶解。在形成后，材料必须被快速地冷却至540至600℃(1004至1112℉)以便晶粒细化，并且同时冷却应当足够慢以确保完全地析出强化。微合金钢的成功是因为强化机理，特别是晶粒细化和析出硬化。
最新的曲轴应用指定微合金钢，且许多目前的应用正从铸铁或者锻造和热处理普通碳素钢或合金钢转变为锻压(as-forged)微合金钢。微合金(MA)或者高强度低合金(HSLA)钢是钢生产中重要的发展，且在世界各地的每个主要的钢市场中使用，并且微合金(MA)或者高强度低合金(HSLA)钢已在诸如石油和天然气开采、建设和运输之类的工业的扩张中发挥了重要的作用。
一种MA钢，钒微合金化钢往往比不包含钒的等同级别的C38+N2钢的晶粒更粗，如图1所示。因此，非常重要的是从锻造温度使用最优冷却速率来控制晶粒尺寸，以使用不造成很大扭曲的简单热处理来细化晶粒尺寸。晶粒细化是一种这种处理。
在锻造过程期间，坯料被加热至1280℃。从图1观察到，在锻造温度，平均晶粒直径大于如由等同ASTM晶粒度0-1表示的350μm。然后，进行再结晶并形成新晶粒。这些晶粒更粗(ASTM3-5)。已知随着晶粒尺寸增长，持久极限降低。因此，为更好的疲劳强度而保持细晶粒尺寸是重要的。就细晶粒结构而言，位错运动由于晶粒表面面积的量的增加而被限制，从而实现增加的强度。因此，具有细晶粒尺寸的钢导致更高的疲劳强度。
图1a示出了传统的微合金钢曲轴制造工艺，其在锻造操作后安排受控冷却。整个工艺包括步骤：坯料形成，锻造、随后受控冷却，检验产品的硬度，通过机械加工形成最终零件。利用该工艺获得的晶粒尺寸在ASTM3-5的范围内。诸如利用该工艺制造的诸如曲轴的部件随后被机械加工、感应淬火、磨削和疲劳强度试验。观察到的这种曲轴的扭转疲劳强度在95MPa至100MPa之间，弯曲疲劳强度为3649微应变(839MPa)。
发明内容
本发明的目的在于提供增大的强度与材料密度比，以及一种微合金，其扭转疲劳强度和弯曲疲劳强度大于目前可用的微合金钢。
本发明描述了一种制造增大疲劳强度的微合金钢的工艺。在本发明的工艺中，根据待得到细化晶粒尺寸的曲轴的尺寸，均热温度保持在900℃至1050℃的范围内，均热时间在30-60分钟的范围内。通过提供特别为本工艺设计的适当的支撑，防止发生部件的扭曲。
根据本发明工艺的具有细化晶粒的曲轴导致扭转疲劳强度增大20％至25％，弯曲疲劳强度增大10-25％。
技术术语说明：
坯料切割：将冷棒料锯切至所需尺寸。
坯料加热：在炉中将坯料加热至预定温度(1285+/-25℃)，随后进行水力除锈以去除坯料上的锈。
锻造：用于集合地描述辊压、预锻(Blocker)、精锻(finisher)和切边步骤的术语，每个步骤在以下描述。
辊压：在辊之间以预定减小量产生预制形状以所需长度而并优化输入材料的工艺。
预锻：在精锻以预定能量在两个模具有之间粗成形。
精锻：以预定能量在模具之间形成最终形状。
切边：沿分模线剪去精锻时的多余材料(飞边)以实现最终产品形状。
校直(padding)：校准最终锻造以实现所需尺寸。
晶粒细化：晶粒细化是用于控制材料的微观结构的最重要和最必要的方法。存在获得细晶粒的方法，如通过使用相变和再结晶的热处理。
硬度检验：硬度被定义为“金属塑性变形阻力，通常由压痕”。其为金属在载荷施加时抵抗永久变形的能力的特性。金属的硬度越大，其变形的抗力越大。
喷丸：钢喷丸是在金属加工操作(锻造)以后最广泛用于清洁、去皮(stripping)和提高金属表面光洁度的工艺。
粗机械加工：机械加工可以定义为从工件移除切屑形式的材料的工艺。在对尺寸公差和光洁度要求严格的场合，机械加工是必要的。
感应淬火：感应淬火是在曲轴的表面至某深度上提供完全马氏体层，以增加硬度和耐磨性，同时允许曲轴的剩余部分不受工艺的影响。硬度的增加也提高了接触疲劳强度。
精磨：磨削工艺用于使用砂轮作为切割装置来产生非常高的光洁度，制造非常轻微的切割或者高精度成形。
附图说明
图1示出了合金元素对晶粒粗化的影响。
图1a示出了诸如曲轴的零件的传统锻造制造工艺的流程图。
图1b示出了用于本发明的工艺的流程图。
图2a和2b示出了在微合金钢的晶粒细化工艺之前和之后的晶粒尺寸和表面硬度。
图3a、3b和3c示出了在不同情况下的晶粒细化工艺之前和之后的曲轴扭转疲劳强度比较。
图4a、4b和4c示出了在晶粒细化工艺之前和之后的曲轴弯曲疲劳强度比较。
图5示出了传统的锻造工艺和本发明的工艺的流程图。
具体实施方式
如从图1b显而易见的，晶粒细化的步骤被引入至制造锻造零件的传统工艺中，以便增大零件的强度与重量比。特别地，本发明的工艺应用于由微合金钢制造的曲轴。就使用本发明的工艺制造的曲轴而言，观察到扭转疲劳强度增大20-25％，并且弯曲疲劳强度增大10-25％。
如图1a中示出的传统锻造工艺包括以下步骤：
-将坯料成形为需要的尺寸并对其进行加热
-锻造坯料并施加受控的冷却
-检验锻造的零件的硬度
-执行机械加工、感应淬火和精磨步骤
典型的锻造工艺为热机械处理或热处理工艺，其经常从热和微观结构的角度考虑。从热的意义上说，晶粒细化工艺包括奥氏体化周期，随后在静止或轻微扰动的空气中进行冷却。典型地，待处理的部件被加热至高于Fe-C相图的上临界线(见图1)约55℃(100℉)的温度，也就是高于用于亚共析钢的Ac3并高于用于亚共析钢的Acm的温度。要被适当地归类为晶粒细化工艺处理，工艺的加热部分必须在冷却前产生均匀的奥氏体相(面心立方晶体结构)。
本发明的工艺力图提供改进的机械加工性、晶粒结构的细化、均化和残余应力的改善，借以提高材料的疲劳极限。这通过在传统的锻造工艺中引入晶粒细化的步骤而实现。
本发明旨在面临的技术挑战在于：
1、在晶粒细化后将硬度和机械性能保持在给定规格中。
2、需要必要的固定和支撑来保持零件的平直度(最小化热扭曲)。
现在描述本发明的工艺，其面临以上技术挑战，且相对于目前采用的处理微合金钢的方法提供某些优点。
在如图1b中公开的晶粒细化的步骤期间，通过将锻造和受控冷却的部件加热至高于奥氏体化温度，即在900-1050℃范围内，并通过将其在该温度保持30至60分钟的“均热期”以使部件的所有部分的温度均匀，来处理锻造和受控冷却的部件，以增强扭转和弯曲疲劳强度。然后，经加热和均化的零件通过静止或强制空气冷却而被冷却至室温，根据锻造的截面。大于2.5"的零件可能需要强制空气冷却。
用于这种晶粒细化工艺的设备为定期校准的燃油炉，其配备有热电偶、温度控制器、时间/温度图和用于避免扭曲的必要的固定装置以及装载/卸载装置。
冶金试验设备使用：布氏硬度试验机、万能拉伸试验机、具有图像分析功能的光学显微镜等。
在将本发明的晶粒细化工艺应用于芯部直径为95mm的曲轴以后使用光学显微镜观察的晶粒尺寸为ASTM6-8，而在晶粒细化工艺之前为ASTM3-5，其被图示在图2a和图2b中。
因此，经细化晶粒尺寸处理的零件接下来进行机械加工、感应淬火、磨削和疲劳强度试验。
对三种不同直径(见表1)的曲轴试样执行疲劳试验。使用阶梯法对每种情况下(代表一个直径)的七个试样进行试验，根据之前试样的试验结果，增加或减小之前试样上的载荷。基于试验结果，估算统计学平均值(B50)和标准差。在晶粒细化过程之后观察的扭转疲劳强度为120MPa至130MPa，其比没有晶粒细化过程的高20％至26％，如图3a所示。在晶粒细化过程之后观察的弯曲疲劳强度为4780微应变(1100MPa)，其比没有晶粒细化过程的高11％至31％，如图4a所示。
表1：在该报告中讨论的情况的曲轴细节
情况编号 图号 销直径(mm) 轴颈直径(mm) 发动机排量(升)
1 3a和4a 95 114 12.8
2 3b和4b 90 104 14
3 3c和4c 100 120 14.8
在晶粒细化后实现特定的硬度是个大的挑战。本领域技术人员已知晶粒细化通常减小曲轴的硬度和极限拉伸强度。因此，将不期望实现非常细的晶粒尺寸，因为部件的硬度、屈服强度和极限拉伸强度要求将会不合格。
也能够通过增加在高温的均热时间或通过增加奥氏体化温度来粗化晶粒，以实现最佳的机械性能。但是，众所周知的是这两种工艺均导致部件的不可接受的高扭曲，从而使其在许多情况下不可使用。同样地，确定均化晶粒尺寸而不产生扭曲的均热时间是本发明的热处理工艺的另一挑战部分。
由于热周期，难以将零件的平直度保持在给定的规格内。在晶粒细化后观察到近似30％的扭曲是由于不适当的固定。该难题通过为每个轴在奥氏体化期间设计适当的支撑来避免扭曲而消除。
从图3a、3b和3c可观察到，使用本发明的工艺制造的这些曲轴的观察到的扭转疲劳强度在比没有晶粒细化过程的高20％至25％的范围内，如图3a、3b和3c所示。图4a、4b和4c示出了本发明的工艺对弯曲疲劳强度的影响。使用本发明的工艺处理的材料的弯曲疲劳强度也在比没有晶粒细化过程的高10-15％的范围内，如图4a、4b和4c所示。
表2示出了在本发明的晶粒细化过程之前和之后的微合金钢的机械性能比较。
表2：晶粒细化过程之前和之后的机械性能比较
从上表注意到，在晶粒细化过程之后，观察到的最低极限拉伸强度为853MPa，其优于这种部件所需的最小极限拉伸强度(850MPa)。与晶粒细化过程之前的截面面积的减小百分比(30-40％)相比，晶粒细化过程之后在拉伸强度执行区域期间观察的截面面积减小百分比较高(45-55％)，这表示晶粒细化过程在部件中引起高的韧性，其有利于高疲劳强度。
从前述讨论显而易见，本发明的工艺提供以下优点：
1、晶粒细化：晶粒比调制钢的晶粒更细。
2、在整个截面上结构均匀，与截面厚度无关。
3、韧性增加，如从截面面积的减小百分比的增加显而易见的。
4、由韧性的增加引起钢对疲劳裂纹萌生的抗力的增加，以及随之材料的疲劳强度的增加。
5、提高的和一致的疲劳寿命。
因此，本发明公开了钒微合金钢的热处理，其克服了在应用至被锻造的部件的热加工和随后的锻造后冷却处理期间过度的晶粒粗化。同时，该处理不造成与用传统的调制钢锻造的零件关联的扭曲。在本发明的工艺中，根据待获得细化晶粒尺寸的曲轴的尺寸，均热温度保持在900℃至1050℃的范围内，并且均热时间在30-60分钟的范围内。通过提供特别为本工艺设计的适当的支撑来防止发生部件的扭曲。
根据本发明工艺的具有细化晶粒的曲轴导致扭转疲劳强度增大20％至25％，并导致弯曲疲劳强度增大10-25％。
利用本发明工艺的使用微合金钢锻造的部件的成功是由于优异的强化机理，特别是晶粒细化和析出硬化。析出硬化增加强度，但是可能导致脆性。
已经惊喜地发现，本发明的晶粒细化工艺不仅增加强度，而且提高韧性。结果，晶粒细化抵消由析出硬化导致的任何脆化。
从前述讨论显而易见，本发明包括以下实施例：
1、一种提高由钒微合金钢制造的锻造零件的疲劳强度的工艺，所述工艺具有细化晶粒尺寸的步骤，所述细化晶粒尺寸的步骤依次包括：
通过将所述零件加热至第一温度而将所述零件奥氏体化，所述第一温度高于奥氏体化温度；
将所述零件在该温度保持一均热期，以使所述零件获得均匀的温度；以及
将所述零件冷却至室温。
2、如第1项所述的工艺，其中所述第一温度在900℃至1050℃之间的范围内。
3、如第1项和第2项所述的工艺，其中所述均热期为允许所述零件在其自身各处获得均匀的温度的持续时间。
4、如第1项至第3项所述的工艺，其中所述均热期为30至60分钟。
5、如第1项至第4项所述的工艺，其中所述冷却通过静止或强制空气冷却方法实施。
6、如第1项至第5项所述的工艺，其中在奥氏体化阶段、均热阶段和冷却阶段期间，适当的防歪曲支撑被提供到每个所述零件。
7、一种由钒微合金钢制造的锻造零件，所述零件具有改善的晶粒尺寸，该改善的晶粒尺寸通过包括改善晶粒尺寸的步骤的锻造工艺得到，所述步骤包括：
通过将所述零件加热至第一温度而将所述零件奥氏体化，所述第一温度高于奥氏体化温度；
将所述零件在该温度保持一均热期，以使所述零件获得均匀的温度；以及
将所述零件冷却至室温。
8、如第7项所述的锻造零件，其中所述第一温度在900℃至1050℃之间的范围内。
9、如第7项和第8项所述的锻造零件，其中所述均热期为允许所述零件在其自身各处获得均匀的温度的持续时间。
10、如第7项至第9项所述的锻造零件，其中所述均热期为30至60分钟。
11、如第7项至第10项所述的锻造零件，其中所述冷却通过静止或强制空气冷却方法实施。
12、如第7项至第11项所述的锻造零件，其中在奥氏体化阶段、均热阶段和冷却阶段期间，适当的防歪曲支撑被提供到每个所述零件。
13、一种由钒微合金钢制造锻造零件的装置，所述装置至少包括晶粒尺寸细化站，在该晶粒尺寸细化站执行锻造零件的奥氏体化步骤、均热步骤和冷却步骤。
尽管以上描述包含了很多特性，但是这些不应当解释为对本发明的范围的限制，而是作为其优选实施例的示例。必须认识到，基于以上给出的公开能够进行更改和变化，而不背离本发明的精神和范围。相应地，本发明的范围不应当由所例示的实施例确定，而是由所附权利要求及其法律等同物确定。

Claims (13)

1.一种提高由钒微合金钢制造的锻造零件的疲劳强度的工艺，所述工艺具有细化晶粒尺寸的步骤，所述细化晶粒尺寸的步骤依次包括：
通过将所述零件加热至第一温度而将所述零件奥氏体化，所述第一温度高于奥氏体化温度；
将所述零件在该温度保持一均热期，以使所述零件获得均匀的温度；以及
将所述零件冷却至室温。
2.如权利要求1所述的工艺，其中所述第一温度在900℃至1050℃之间的范围内。
3.如权利要求1和2所述的工艺，其中所述均热期为使所述零件在其自身各处获得均匀的温度的持续时间。
4.如权利要求1至3所述的工艺，其中所述均热期为30至60分钟。
5.如权利要求1至4所述的工艺，其中所述冷却通过静止或强制空气冷却方法实施。
6.如权利要求1至5所述的工艺，其中在奥氏体化阶段、均热阶段和冷却阶段期间，适当的防歪曲支撑被提供到每个所述零件。
7.一种由钒微合金钢制造的锻造零件，所述零件具有改善的晶粒尺寸，该改善的晶粒尺寸通过包括改善晶粒尺寸的步骤的锻造工艺得到，所述步骤包括：
通过将所述零件加热至第一温度而将所述零件奥氏体化，所述第一温度高于奥氏体化温度；
将所述零件在该温度保持一均热期，以使所述零件获得均匀的温度；以及
将所述零件冷却至室温。
8.如权利要求7所述的锻造零件，其中所述第一温度在900℃至1050℃之间的范围内。
9.如权利要求7和8所述的锻造零件，其中所述均热期为使所述零件在其自身各处获得均匀的温度的持续时间。
10.如权利要求7至9所述的锻造零件，其中所述均热期为30至60分钟。
11.如权利要求7至10所述的锻造零件，其中所述冷却通过静止或强制空气冷却方法实施。
12.如权利要求7至11所述的锻造零件，其中在奥氏体化阶段、均热阶段和冷却阶段期间，适当的防歪曲支撑被提供到每个所述零件。
13.一种由钒微合金钢制造锻造零件的装置，所述装置至少包括晶粒尺寸细化站，在该晶粒尺寸细化站执行锻造零件的奥氏体化步骤、均热步骤和冷却步骤。
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