CN109112420A - 细晶粒钢合金及其形成的汽车部件 - Google Patents

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Abstract

提供了细晶粒钢合金和由其形成的汽车部件。细晶粒钢合金包括铁、约0.20至约0.60重量％的碳、约1.80至约2.50重量％的锰、约0.20至约1.20重量％的硅和约0.10至约0.25重量％的过渡金属，其中过渡金属是钒、铌或钒与铌的组合。细晶粒钢合金还可以包括约0.60至约1.50重量％的铬、约0.01至约0.20重量％的铝和约0.01至约0.20重量％的钛。

Description

细晶粒钢合金及其形成的汽车部件
技术领域
本公开通常涉及钢合金，并且更具体地涉及具有改进的疲劳寿命和机械性能的细晶粒钢合金以及由其制成的部件，例如曲轴和传动轴。
背景技术
典型的钢合金是锻造的，然后经受淬火和回火(QT)工艺。锻造步骤之后，一些典型钢合金的淬透性可以为约1.2DI(理想直径淬透性)。传统的淬火和回火(QT)工艺用于细化晶粒尺寸并且提高基底金属强度。QT工艺涉及从加热状态的快速冷却，以使金属处于硬化状态。这涉及锻造所需的额外步骤。
发明内容
本公开提供了硬钢合金，其可以在锻造步骤之后不需要QT工艺的情况下以高硬度制造。例如，本公开的钢合金可以具有至少7.9DI的淬透性而无需淬火和回火。在一些实例中，可以实现1400MPa(HRC 43)的最终强度。
所公开的钢合金可以含有铁、锰、硅以及钒和铌中的至少一种。微观结构可以包括细晶粒，细晶粒包括贝氏体和少量的马氏体和珠光体。
在可与本文提供的其它实例和特征组合或分离的一个实例中，提供了细晶粒钢合金，其含有：铁、约0.20至约0.60重量％的碳、约1.80至约2.50重量％的锰、约0.20至约1.20重量％的硅和约0.10至约0.25重量％的过渡金属，其中过渡金属由钒和铌中的至少一种组成。
在可以与本文提供的其它实例和特征组合或分离的另一实例中，提供了由细晶粒钢合金形成的汽车推进系统部件。细晶粒钢合金包含铁、约0.20至约0.60重量％的碳、约1.80至约2.50重量％的锰、约0.20至约1.20重量％的硅和约0.10至约0.25重量％的过渡金属，其中过渡金属由钒和铌中的至少一种组成。
可以提供进一步的附加特征，包括但不限于以下：细晶粒钢合金进一步包含约0.60至约1.50重量％的铬；细晶粒钢合金进一步包含约0.01至约0.20重量％的铝；细晶粒钢合金进一步包含约0.01至约0.20重量％的钛；细晶粒钢合金进一步包含量不超过0.025重量％的磷；细晶粒钢合金进一步包含约0.02至约0.06重量％的硫；细晶粒钢合金进一步包含约100至约200ppm的氮；细晶粒钢合金进一步包含量不超过0.10重量％的钼；以及不含硼的细晶粒钢合金。
在一些实例中，细晶粒钢合金可以包括铁、约0.45重量％的碳、约2.00重量％的锰、约1.00重量％的硅和约0.50至约0.70重量％的铬以及约0.15至约0.25重量％的过渡金属，其中过渡金属由钒和铌中的至少一种组成。
可以包括进一步的附加特征，包括但不限于以下：由细晶粒钢合金制造的汽车部件；汽车部件是曲轴、传动轴、变速箱、半轴或车轴。
附图说明
提供附图仅用于示例目的，并不旨在限制本公开或所附权利要求。
图1是根据本公开原理的示出了钢合金的概念性时间-温度计算相图的图；
图2A是示出了用于传统地形成高强度钢合金的锻造、淬火和回火工艺的现有技术时间-温度图的图；
图2B是根据本公开的原理的示出了用于形成高强度钢合金的锻造和冷却工艺的时间-温度图的图；
图3是根据本公开的原理的由钢合金形成的曲轴的透视图；以及
图4是根据本公开的原理的由钢合金形成的传动轴的透视图。
具体实施方式
提供了具有细晶粒微观结构和光滑表面光洁度的高强度钢合金。与其它钢合金相比，这些钢合金表现出改进的材料强度和硬度，以及相对细晶粒尺寸。本文公开的钢合金可用于形成承受大的负载和疲劳的汽车部件。例如，这些钢合金具有高含量的过渡金属(例如钒和/或铌)以控制晶粒尺寸；高含量的锰以增加淬透性；以及高含量的硅以通过延迟珠光体形成来促进贝氏体并且增加表面抗氧化性。采用这些新型钢合金，从锻造工艺控制冷却后，可以获得细晶粒以及贝氏体和少量的珠光体和马氏体的混合微观结构。因此，如果需要，可以消除传统的淬火-回火(QT)工艺。QT工艺的消除可以节省QT过程的热处理成本，并且减少由于变形减少而导致的机械加工。在一些情况下，可以实现高达1400MPa(HRC43)的最终强度。
本文公开的钢合金可以含有铁、碳、锰、硅以及至少一种过渡金属(例如钒和铌)。钢合金也可以含有铬，并且可以具有约7.9的理想直径淬透性(DI)，其比钢合金1045(DI为0.9)和钢合金10V45(DI为1.2)的DI相对更高。
本文公开的钢合金可以是细晶粒钢合金并且可以包括铁和按重量计约0.20至约0.60重量％的碳；约1.80至约2.50重量％的锰；约0.50至约1.20重量％的硅；以及约0.10至约0.25重量％的过渡金属，其中过渡金属由钒和铌中的至少一种组成。换句话说，过渡金属可以是全钒、全铌、或钒和铌的混合物。例如，表1示出了含有铁、碳、锰、硅和可以包括钒和/或铌的过渡金属的钢合金的第一实例。
表1新型钢合金的实例1
C(wt％) Mn(wt％) Si(wt％) V/Nb(wt％)
0.20-0.60 1.80-2.50 0.50-1.20 0.10-0.25
在一些变型中，钢合金可以包括铁和按重量计约0.20至约0.60重量％的碳；约1.90至约2.20重量％的锰；约0.20至约0.80重量％的硅；约0.40-0.70重量％的铬；约0.10至约0.25重量％的过渡金属，其中过渡金属由钒、铌或两者组成；约0.01至约0.20重量％的铝；以及约0.01至约0.20重量％的钛。例如，表2示出了含有铁、碳、锰、硅、铬、可以包括钒和/或铌的过渡金属、铝和钛的钢合金的第二实例。
表2新型钢合金的实例2
C(wt％) Mn(wt％) Si(wt％) Cr(wt％) V/Nb(wt％) Al(wt％) Ti(wt％)
0.20-0.60 1.90-2.20 0.20-0.80 0.40-0.70 0.10-0.25 0.01-0.20 0.01-0.20
表1或表2中所示的钢合金还可以含有约0.60至约1.50重量％的铬；约0.01至约0.20重量％的铝；约0.01至约0.20重量％的钛；量不超过0.025重量％的磷；约0.02至约0.06重量％的硫；100至约200ppm的氮；以及量不超过0.10重量％的钼。例如，表3示出了含有这些附加合金元素的新型钢合金的形式。应该理解，新型钢合金可以具有以下列出的元素的任何组合，并且不需要包括所有这些元素。
表3带有附加元素的新型钢合金的实例3
在一种形式中，细晶粒钢合金可以含有约0.45重量％的碳；约2.00重量％的锰；约1.00重量％的硅；约0.50至约0.70重量％的铬；以及约0.15至约0.25重量％的过渡金属，过渡金属包括钒和铌中的至少一种。例如，钢合金的这种版本在下面的表4中图示出。尽管在表4中没有示出，但钢合金的第四实例也可以含有表3中的其它元素；例如，新型钢合金的第四实例可以含有约150ppm的氮和约0.025重量％的钛。
表4新型钢合金的实例4
C(wt％) Mn(wt％) Si(wt％) V/Nb(wt％) Cr(wt％)
0.45 2.00 1.00 0.15-0.25 0.50-0.70
在一些形式中，细晶粒钢合金可以不含硼。
新型钢合金可以具有如图1中概念性图示的计算相图100。图1是概念图示，并且新型钢合金不需要具有与如图1所示的时间和温度对应的确切相位。温度概念性地在Y轴上示出，表示为元素102，从D9℃的高度到0℃的低度示出；并且时间从0秒到16小时在X轴上示出，表示为元素104(未在时间单元之间以相等间隔示出)。
在最高温度下，如D8和D9，钢合金是液态的并且具有如部分106所示的奥氏体微观结构。图中的每条实线表示合金冷却时相变的边界。例如，当钢合金通过线108冷却进入区域110时，钢合金开始形成与奥氏体微观结构混合的贝氏体微观结构。线108是0％贝氏体线，并且区域110是贝氏体/奥氏体混合物区域。在线112处，钢合金含有50％的贝氏体和50％的奥氏体。线114是100％贝氏体线，使得钢合金在100％贝氏体线114之外的区域116中不再含有奥氏体。线118是铁素体线，使得钢合金在铁氧体线118之外的区域120中含有铁素体和奥氏体的混合物。类似地，钢合金在珠光体线124之外的珠光体/铁素体区域122中含有珠光体和铁素体；然而，应该注意，与具有发生得更为迅速的珠光体/铁素体区域的传统钢合金相反，钢合金将需要非常缓慢地冷却(有时比例如8小时更长)，以在珠光体/铁素体区域122中终止。
图1示出了新型钢合金可以从高温D5-D9下奥氏体区域106中的奥氏体微观结构直接冷却至贝氏体/奥氏体混合物区域110，并且最终冷却至在较长时间段内(示出为长于1小时)含有大部分贝氏体的微观结构区域116，例如，在冷却工艺中没有穿过铁素体和珠光体区域120、122以形成诸如珠光体或铁素体的大晶粒。这导致具有细晶粒的新型钢合金中的大部分贝氏体微观结构。照此，可以使用受控冷却工艺来在其生产期间冷却新型钢合金，同时保持期望的微观结构，例如具有相对细晶粒和大部分贝氏体的微观结构。
现在参照图2A，图示了典型钢合金生产工艺的时间-温度图。钢合金在时间T1开始并在时间T2结束时在高温E4下锻造，导致大晶粒微观结构，因为合金在冷却过程中穿过诸如珠光体和铁素体微观结构形成区域的区域。由于大晶粒微观结构，典型的钢合金是脆性的，并且必须进行再加热，然后进行淬火和回火，以减小晶粒尺寸并且提高淬透性和强度。因此，在时间T3，将钢合金再加热到温度E2直到时间T4，然后快速淬火直到时间T5。钢合金在时间T6开始进一步加热至回火温度E1，以完成回火工艺。再加热、淬火和回火用于通过减小晶粒尺寸来提高强度和韧性。此外，由于在高锻造温度E4下的脱碳，所得零件的表面被喷丸处理以改进疲劳寿命。然后可以将钢合金机械加工成期望的零件。
现在参照图2B，新型钢合金可以在没有图2A所示的再加热、淬火和回火工艺的情况下生产。相反，新型钢合金在时间T1在温度E3下简单锻造，然后在时间U1与U2之间以受控方式冷却，其中锻造温度E3不需要像传统锻造温度E4那样热。因此，E3可以低于E4。新型钢合金的微观结构已经含有细晶粒，因为新型钢合金可以冷却而不形成太多的珠光体和铁素体，如图1所示。可以形成具有少量珠光体和马氏体的大部分贝氏体微观结构。举例来说，受控冷却可以通过以受控方式将空气吹到钢合金上来完成，例如通过让钢合金穿过管道并将空气吹到其上。
因此，在时间T3和T6之间及以后，如图2A所示，新型钢合金已经坚固而硬化，不需要附加的再加热、淬火和回火。因此，节省了时间和成本，而不必执行再加热、淬火和回火步骤。此外，因为机械加工过程中的变形和返工减少，因此可以节省成本。高硅含量减少了表面脱碳并且提高了零件疲劳寿命。
本文所述的细晶粒钢合金可以用于制造钢汽车部件。因此，在本文的发明人的考虑范围内，本公开延伸到钢汽车部件，包括但不限于曲轴、传动轴、变速箱、半轴、车轴等。例如，参照图3，图示了曲轴200，其由本文描述的钢合金的任何变型制成。在图4中，图示了传动轴300，其由本文描述的钢合金的任何变型制成。
此外，尽管单独描述了以上实例，但受益于本公开的本领域技术人员之一将理解，本文所描述的元素的量可以与各种在所附权利要求的范围内的实例混合和匹配。
进一步应该理解，任何上述概念都可以单独使用或者与任何或所有其它上述概念组合使用。尽管已经公开了本发明的实施例，但是本领域的普通技术人员将认识到，某些修改将落入本发明的范围内。为此，应研究以下权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (10)

1.一种细晶粒钢合金，包含：
铁；
0.20-0.60重量％的碳；
1.80至2.50重量％的锰；
0.20-1.20重量％的硅；以及
0.10-0.25重量％的过渡金属，所述过渡金属由钒和铌中的至少一种组成。
2.如权利要求1所述的细晶粒钢合金，进一步包含0.60-1.50重量％的铬。
3.如权利要求2所述的细晶粒钢合金，进一步包含：
0.01至0.20重量％的铝；以及
0.01至0.20重量％的钛。
4.如权利要求3所述的细晶粒钢合金，进一步包含：
0.02至0.06重量％的硫；以及
100至约200ppm的氮。
5.如权利要求4所述的细晶粒钢合金，进一步包含：
量不超过0.025重量％的磷；以及
量不超过0.10重量％的钼。
6.如权利要求3所述的细晶粒钢合金，其中，所述细晶粒钢合金包含：
约0.45重量％的碳；
约2.00重量％的锰；
约1.00重量％的硅；
约0.50至约0.70重量％的铬；以及
约0.15至约0.25重量％的过渡金属，所述过渡金属由钒和铌中的至少一种组成。
7.如权利要求3所述的细晶粒钢合金，其中，所述细晶粒钢合金不包含硼。
8.如权利要求3所述的由细晶粒钢合金制成的汽车部件。
9.如权利要求8所述的汽车部件，其中，所述汽车部件是曲轴、传动轴、变速箱、半轴或车轴中的一种。
10.如权利要求9所述的汽车部件，其中，所述汽车部件是曲轴。
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