CN110508808B - 非调质钢构件和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非调质钢构件和其制造方法。本发明的一方式的非调质钢构件具有由铁素体和珠光体构成的组织。具有柱状组织，所述柱状组织由铁素体层和带状的珠光体层构成，所述带状的珠光体层在非调质钢构件的长度方向延伸且宽度为200μm以下，所述铁素体层在珠光体层彼此之间且在长度方向延伸并析出。

Description

非调质钢构件和其制造方法
技术领域
本发明涉及非调质钢构件和其制造方法。
背景技术
如日本2007－211314号公报中公开的那样，不需要淬火和回火处理的非调质钢正作为汽车用钢构件等而被广泛使用。由这样的非调质钢构成的钢构件(以下，称为非调质钢构件)通常在通过热锻等成型后进行放冷，因此，具有由铁素体/珠光体构成的各向同性组织。
此外，通过将对金属粉末层的规定区域选择性地照射激光束等使其熔融·凝固而成的金属层反复层叠而造型成三维形状的金属构件的层叠造型方法近年来备受瞩目。如果使用层叠造型方法，则也能够制造通过例如用于轻量化的拓扑优化等而设计成复杂形状的钢构件。
发明内容
只要能够将非调质钢构件的组织控制为由在规定的方向延伸的铁素体/珠光体构成的微细的柱状组织，则有可能得到优异的机械特性(拉伸强度、伸长率等)。然而，如上所述，通过迄今为止的方法制造的非调质钢构件的组织为各向同性，还无法实现具有在规定的方向延伸的微细的柱状组织的非调质钢构件。
应予说明，虽然通过单向凝固法也可得到柱状组织，但得不到微细的柱状组织。
发明人等着眼于层叠造型方法，为了在非调质钢构件中得到由在规定的方向延伸的铁素体/珠光体构成的微细的柱状组织进行了深入研究，结果发现了以下的问题点。
使用照射激光束的激光层叠造型方法造型由非调质钢构成的钢构件时，由于冷却速度快，因此，成为马氏体组织而不是铁素体/珠光体组织，容易产生裂纹。即，激光层叠造型方法得不到由在规定的方向延伸的铁素体/珠光体构成的微细的柱状组织。
本发明是鉴于这样的情况而完成的，提供具有由在规定的方向延伸的铁素体和珠光体构成的微细的柱状组织且机械特性优异的非调质钢构件和其制造方法。
本发明的一方式的非调质钢构件是具有由铁素体和珠光体构成的组织的非调质钢构件，具有柱状组织，所述柱状组织由铁素体层和带状的珠光体层构成，所述带状的珠光体层在该非调质钢构件的长度方向延伸且宽度为200μm以下，所述铁素体层在所述珠光体层彼此之间且在所述长度方向延伸并析出。
本发明的一方式的非调质钢构件具有由在非调质钢构件的长度方向延伸的宽度200μm以下的带状的珠光体层和在珠光体层彼此之间析出的铁素体层构成的微细的柱状组织，因此，机械特性优异。
所述非调质钢构件可以被拓扑优化。通过拓扑优化能够轻量化，此外，通过拓扑优化而形成的薄壁部具有更微细的柱状组织，机械特性也提高。
本发明的一方式的非调质钢构件的制造方法反复进行如下步骤：
层状地铺设非调质钢粉末的步骤，
对层状地铺设的所述非调质钢粉末照射电子束而进行预热的步骤，以及
对已预热的所述非调质钢粉末的规定区域照射电子束，使其熔融和凝固而形成金属层的步骤；
所述非调质钢构件的制造方法将所述金属层依次层叠而造型成三维形状的非调质钢构件，
使造型方向为所述非调质钢构件的长度方向，并且在进行预热的步骤中，将所述非调质钢粉末加热至比奥氏体相变完成温度A3高的温度，
所述非调质钢构件的造型完成后，将该非调质钢构件从比奥氏体相变完成温度A3高的温度以规定的冷却速度进行冷却。
本发明的一方式的非调质钢构件的制造方法中，使造型方向为非调质钢构件的长度方向，并且在进行预热的步骤中，将非调质钢粉末加热至比奥氏体相变完成温度A3高的温度。因此，能够在保持奥氏体单相的同时得到由在造型方向即长度方向延伸的奥氏体构成的微细的柱状组织。然后，在非调质钢构件的造型完成后，将该非调质钢构件从比奥氏体相变完成温度A3高的温度以规定的冷却速度进行冷却。因此，铁素体在造型时形成的微细的柱状奥氏体的晶界析出，珠光体以填埋其间的方式析出。其结果，可得到具有由在长度方向延伸的铁素体/珠光体构成的微细的柱状组织且机械特性优异的非调质钢构件。
所述非调质钢构件可以被拓扑优化。通过拓扑优化能够轻量化，此外，通过拓扑优化而形成的薄壁部具有更微细的柱状组织，机械特性也提高。
根据本发明，能够提供具有由在规定的方向延伸的铁素体和珠光体构成的微细的柱状组织且机械特性优异的非调质钢构件和其制造方法。
根据下文给出的详细描述以及附图将更全面地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中详细描述和附图仅通过说明的方式给出，因此不应视为限制本发明。
附图说明
图1是表示第1实施方式的非调质钢构件的制造方法中使用的电子束造型装置的示意截面图。
图2是表示第1实施方式的非调质钢构件的制造方法的流程图。
图3是第1实施方式的非调质钢构件的一个例子，是汽车用的连杆的平面图。
图4是基座21正下方的温度即造型中的粉末床的温度图。
图5是实施例的非调质钢构件的显微组织照片。
图6是表示样品A、B、C的造型方向与长度方向的关系的示意截面图。
图7是比较并示出样品A、B、C和SLM样品的拉伸试验的应力应变曲线的图表。
图8是比较并示出样品A、B、C的疲劳特性(S－N曲线)的图表。
具体实施方式
以下，参照附图对应用了本发明的具体的实施方式详细地进行说明。但是，本发明并不限定于以下的实施方式。另外，为了使说明清楚，以下的记载和附图被适当简化。
(第1实施方式)
＜非调质钢构件的制造装置＞
首先，参照图1对第1实施方式的非调质钢构件的制造方法中使用的制造装置进行说明。图1是表示第1实施方式的非调质钢构件的制造方法中使用的电子束造型装置的示意截面图。
应予说明，本说明书中的非调质钢构件是指具有与非调质钢相同组成的钢构件。即，在判断是否为非调质钢构件时，仅考虑组成，不考虑热加工历程和其它因素。
另外，当然，图1和其它附图所示的右手系xyz直角坐标是便于说明构成要素的位置关系的坐标。通常，z轴正向为竖直向上，xy平面为水平面。
如图1所示，电子束造型装置具备延伸设置于z轴方向的圆筒状的电子束枪室10和设置于电子束枪室10的下侧(z轴负方向侧)的箱型的造型室20。电子束枪室10和造型室20通过未图示的真空排气装置进行真空排气。
如图1所示，电子束枪室10收容有电子束枪11、焦点线圈12、偏转线圈13。
电子束枪11设置于电子束枪室10的上部，从电子束枪11向下方向(z轴负方向)射出电子束EB。
焦点线圈12和偏转线圈13以包围电子束EB的方式设置。从电子束枪11射出的电子束EB通过焦点线圈12，进一步通过偏转线圈13而导入造型室20。通过焦点线圈12调整电子束EB的焦点，通过偏转线圈13使电子束EB偏转并扫描。
如图1所示，造型室20收容有基座21、料斗22a、22b、耙(rake)23。
基座21是设置于电子束枪室10的中央部的俯视图为矩形的板状构件，能够在上下方向移动。基座21也被称为起始板或平台等。
料斗22a、22b设置于基座21的x轴方向两侧的上部。
耙23是在基座21上沿y轴方向延伸设置的棒状构件，能够在x轴方向移动。耙23也被称为刮板等。
料斗22a、22b收容有作为原料的非调质钢粉末30。
通过使耙23在x轴正方向移动，将从料斗22a的下侧开口部供给的非调质钢粉末30层状地铺设在基座21上。对所铺设的非调质钢粉末30即粉末床照射电子束EB而预热至规定温度后，对规定区域选择性地照射电子束EB使其熔融和凝固而得到金属层。铺设的非调质钢粉末30的厚度(层叠厚度)例如为50～80μm。
同样地，通过使耙23在x轴负方向移动，将从料斗22b的下侧开口部供给的非调质钢粉末30层状地铺设在基座21上。对所铺设的非调质钢粉末30照射电子束EB而预热至规定温度后，对规定区域选择性地照射电子束EB使其熔融和凝固而形成金属层。
具体而言，通过使耙23在x轴正方向移动，铺设从料斗22a供给的非调质钢粉末30而形成金属层，使基座21下降。下降量等于层叠厚度。然后，通过使耙23在x轴负方向移动，铺设从料斗22b供给的非调质钢粉末30而形成金属层，使基座21下降。如此，交替地反复从料斗22a供给非调质钢粉末30和从料斗22供给非调质钢粉末30。因此，耙23每次移动，都能够在基座21上铺设非调质钢粉末30，生产效率优异。
如上所述，在图1所示的电子束造型装置中，每次对所铺设的非调质钢粉末30照射电子束EB而形成金属层时，使基座21下降，依次层叠新的金属层。通过这样的构成，能够在基座21上将非调质钢构件40造型。
＜非调质钢构件的制造方法＞
接着，参照图2对第1实施方式的非调质钢构件的制造方法进行说明。图2是表示第1实施方式的非调质钢构件的制造方法的流程图。在说明图2时，适当参照图1。
如图2所示，首先，将从料斗22a或料斗22b的下侧开口部供给的非调质钢粉末30层状地铺设在基座21上(步骤ST1)。在此，最初在基座21上铺设非调质钢粉末30时，可以在步骤ST1之前对基座21照射电子束EB而预热至规定温度。
接着，对所铺设的非调质钢粉末30照射电子束EB进行预热(步骤ST2)。在此，将非调质钢粉末30加热至比奥氏体相变完成温度A3高的温度。具体而言，例如为800℃左右。
接着，对已预热的非调质钢粉末30的规定区域照射电子束EB使其熔融·凝固而形成金属层(步骤ST3)。
然后，如果造型未完成(步骤ST4否)，则使基座21仅下降层叠厚度量，反复进行步骤ST1～步骤ST3，如果造型完成(步骤ST4是)，则结束造型。即，反复进行步骤ST1～步骤ST3直至造型完成，依次层叠金属层而造型成三维形状的非调质钢构件40。然后，非调质钢构件40的造型完成后，将该非调质钢构件40从比奥氏体相变完成温度A3高的温度以规定的冷却速度进行冷却。
在此，在第1实施方式的非调质钢构件的制造方法中，使造型方向为非调质钢构件40的长度方向。应予说明，当然可允许非调质钢构件40的长度方向与造型方向的某种程度的偏移。
在第1实施方式的非调质钢构件的制造方法中，在将非调质钢粉末30进行预热的步骤ST2中，将非调质钢粉末30加热至比奥氏体相变完成温度A3高的温度。因此，能够在保持奥氏体单相的同时得到由在造型方向即长度方向延伸的奥氏体构成的微细的柱状组织。然后，在非调质钢构件40的造型完成后，将该非调质钢构件40从比奥氏体相变完成温度A3高的温度以规定的冷却速度进行冷却。因此，铁素体在造型时形成的微细的柱状奥氏体的晶界析出，珠光体以填埋其间的方式析出。其结果，能够得到由在长度方向延伸的铁素体/珠光体构成的微细的柱状组织。
＜非调质钢构件＞
第1实施方式的非调质钢构件具有由在造型方向延伸的宽度200μm以下的带状的珠光体层和在珠光体层彼此之间析出的铁素体层构成的柱状组织。在此，造型方向是非调质钢构件的长度方向。如此，第1实施方式的非调质钢构件具有由在非调质钢构件的长度方向延伸的铁素体和珠光体构成的微细的柱状组织。因此，拉伸强度、伸长率、疲劳特性等机械特性优异。关于第1实施方式的非调质钢构件的组织的详细内容在实施例中进行后述。
第1实施方式的非调质钢构件没有特别限定，例如为汽车用的连杆、活塞、凸轮轴等。这些非调质钢构件可以通过例如用于轻量化的拓扑优化等而设计成复杂的形状。在此，图3是第1实施方式的非调质钢构件的一个例子，是汽车用的连杆的平面图。图3示出拓扑优化前后的形状。
如图3所示，通过使用第1实施方式的非调质钢构件的制造方法，即使是拓扑优化后的复杂形状也能够进行造型。如图3所示，拓扑优化后的非调质钢构件形成有薄壁部。在薄壁部，冷却速度块，能够使柱状组织更微细化。图3所示的连杆具有由均在长度方向延伸的铁素体和珠光体构成的微细的柱状组织，因此，拉伸强度、伸长率、疲劳特性等机械特性优异。
实施例
以下，举出比较例和实施例对第1实施方式的非调质钢构件和其制造方法详细地进行说明。然而，第1实施方式的非调质钢构件和其制造方法并不仅限定于以下的实施例。
＜组织观察试验＞
作为非调质钢粉末30，使用与组成Fe－0.45C－0.3Si－0.7Mn－0.003S－0.15Cr－0.1V、粒径45～150μm的市售的非调质钢同等成分的粉末。作为电子束造型装置，使用Arcam公司制的A2X。使层叠厚度为70μm，使预热温度为约800℃。图4是基座21正下方的温度即粉末床的造型中的温度图。横轴表示时间，纵轴表示温度。如图4所示，预热温度维持在约800℃。即，所造型的非调质钢构件维持在约800℃直至造型完成。造型完成后，以规定的冷却速度进行冷却。
图5是实施例的非调质钢构件的显微组织照片。图5比较示出珠光体层宽度不同的实施例1、2。关于实施例1，使样品形状为截面25mm见方的棱柱状，使电子束的电流为20mA，使扫描速度为2500mm/s。关于实施例2，使样品形状为截面10mm见方的棱柱状，使电子束的电流为15mA，使扫描速度为2500mm/s。
如图5所示，在实施例1的非调质钢构件中，得到由在造型方向延伸的宽度100～200μm的带状的珠光体层和在其间在造型方向线状地延伸的铁素体层构成的微细的柱状组织。在实施例2的非调质钢构件中也可同样地观察到微细的柱状组织。实施例2中，珠光体层的宽度为50～150μm，可得到更微细的柱状组织。实施例2与实施例1相比，样品形状小，认为其原因在于凝固速度快。
对可得到微细的柱状组织的理由进行说明。在第1实施方式的非调质钢构件的制造方法中，通过电子束EB而熔融的非调质钢粉末30的体积非常小。因此，能够将在凝固时生成的奥氏体控制为在造型方向延伸的由晶粒构成的微细的柱状组织。而且，通过预热将该奥氏体保持在比奥氏体相变完成温度A3高的温度，因此，可维持微细的柱状奥氏体组织直至造型完成。在造型完成后的冷却过程中，铁素体沿着原奥氏体晶界线状地析出，珠光体以填埋其间隙的方式在原奥氏体粒内析出。其结果，可得到在原奥氏体粒内析出的宽度200μm以下的带状的珠光体和在原奥氏体晶界析出的线状的铁素体交替排列的微细的柱状组织。
<机械特性试验>
为了调查微细的柱状组织延伸的方向对机械特性造成的影响，制造相对于长度方向(应力负荷方向)的柱状组织延伸方向不同的3种样品A、B、C，进行拉伸试验和疲劳试验。关于样品A、B、C，均使样品形状为截面10mm见方的棱柱状，使电子束的电流为16mA，使扫描速度为2800mm/s。其它条件与组织观察试验同样。
图6是表示样品A、B、C的造型方向(柱状组织生长方向)与长度方向的关系的示意截面图。如图6所示，样品A的造型方向为与长度方向垂直的方向。样品B的造型方向相对于长度方向为45°的方向。样品C的造型方向与长度方向一致。
进而，为了比较，使用激光造型(SLM：Selective Laser Melting)装置制造样品(以下，称为SLM样品)。SLM样品具有马氏体组织。
图7是比较并示出样品A、B、C和SLM样品的拉伸试验的应力应变曲线的图表。横轴为应变，纵轴为应力。另外，表1汇总示出各样品的拉伸强度和断裂伸长率。
[表1]
样品A 样品B 样品C 样品SLM
拉伸强度(MPa) 521.8 625.5 691.2 1155.5
断裂伸长率(％) 4.7 10.6 24.6 8.9
SLM样品由于具有马氏体组织，因此，如图7、表1所示，虽然具有超过1100MPa的拉伸强度，但断裂伸长率过小，韧性差。
关于使用电子束造型装置的样品A、B、C，如图7、表1所示，在机械特性方面确认到显著的造型方向(柱状组织生长方向)依赖性。具体而言，越使造型方向接近造型物即非调质钢构件的长度方向，拉伸强度和断裂伸长率均越提高。如此，第1实施方式的实施例的样品C显示出接近700MPa的拉伸强度和超过20％的断裂伸长率这样的优异的机械特性。其它样品B、C、样品SLM为第1实施方式的比较例。
图8是比较并示出样品A、B、C的疲劳特性(S-N曲线)的图表。横轴为至断裂为止的重复数，纵轴为应力。图中所示的箭头表示未断裂。如图8所示，第1实施方式的实施例的样品C显示出最优异的疲劳特性。
如上所述，在第1实施方式的实施例的样品C中，由带状的珠光体层和在其间析出的铁素体层构成的微细的柱状组织在长度方向延伸。因此，与其它样品相比，拉伸强度、伸长、疲劳特性等机械特性优异。
应予说明，本发明并不限于上述实施方式，可以在不脱离主旨的范围内适当变更。
以上对本发明进行了详细描述，但显然本发明的各实施方式可以以许多方式进行改变。不应将这样的改变视为脱离本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员而言显然所有这样的修改都意图包括在本发明所要保护的范围内。

Claims (4)

1.一种非调质钢构件，是具有由铁素体和珠光体构成的组织的非调质钢构件，
具有柱状组织，所述柱状组织由铁素体层和带状的珠光体层构成，所述带状的珠光体层在该非调质钢构件的长度方向延伸且宽度为200μm以下，所述铁素体层在所述珠光体层彼此之间且在所述长度方向延伸并析出，所述非调质钢构件的造型方向为非调质钢构件的长度方向；
该非调质钢构件是通过如下制造方法制成的，即，进行如下步骤：
层状地铺设非调质钢粉末的步骤，
对层状地铺设的所述非调质钢粉末照射电子束而进行预热的步骤，以及
对已预热的所述非调质钢粉末的规定区域照射电子束，使其熔融和凝固而形成金属层的步骤；
重复以上步骤，将所述金属层依次层叠而造型成三维形状的非调质钢构件，
使造型方向为所述非调质钢构件的长度方向，并且在进行预热的步骤中，将所述非调质钢粉末加热至比奥氏体相变完成温度A3高的温度，
所述非调质钢构件的造型完成后，将该非调质钢构件从比奥氏体相变完成温度A3高的温度以规定的冷却速度进行冷却。
2.根据权利要求1所述的非调质钢构件，其中，所述非调质钢构件被拓扑优化。
3.一种非调质钢构件的制造方法，进行如下步骤：
层状地铺设非调质钢粉末的步骤，
对层状地铺设的所述非调质钢粉末照射电子束而进行预热的步骤，以及
对已预热的所述非调质钢粉末的规定区域照射电子束，使其熔融和凝固而形成金属层的步骤；
重复以上步骤，将所述金属层依次层叠而造型成三维形状的非调质钢构件，
使造型方向为所述非调质钢构件的长度方向，并且在进行预热的步骤中，将所述非调质钢粉末加热至比奥氏体相变完成温度A3高的温度，
所述非调质钢构件的造型完成后，将该非调质钢构件从比奥氏体相变完成温度A3高的温度以规定的冷却速度进行冷却，
所述非调质钢构件具有柱状组织，所述柱状组织由铁素体层和带状的珠光体层构成，所述带状的珠光体层在该非调质钢构件的长度方向延伸且宽度为200μm以下，所述铁素体层在所述珠光体层彼此之间且在所述长度方向延伸并析出。
4.根据权利要求3所述的非调质钢构件的制造方法，其中，所述非调质钢构件被拓扑优化。
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