CN1511673A - 一种制造钢锻件的方法和由此制得的锻件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通过锻造制造钢零件的方法。该方法的特征在于以下步骤：准备和铸造含有以下重量百分比组份的钢材：0.06％≤碳≤0.35％，0.5％≤锰≤2％，痕量≤硅≤2％，痕量≤镍≤1.5％，痕量≤铝≤0.1％，痕量≤铬≤1.5％，痕量≤钼≤0.30％，痕量≤钒≤0.5％，痕量≤铜≤1.5％，剩余成分为铁和在制备中产生的杂质；在110℃至1300℃的温度范围内锻造零件坯体；在600℃至300℃的温度范围内用少于或等于3℃/s的速度在静止空气或强迫通风中以受控的方式冷却用于零件的坯体，由此使坯体该坯体有贝氏体微结构；机械加工该零件；并且对零件中承受特别高水平应力的部位，进行机械增强。本发明也提供了用这种方法制造的锻件。

Description

一种制造钢锻件的方法和由此制得的锻件

本发明涉及冶金领域，更具体地说，是用于制造能耐高强度应力锻件的钢材领域。

这种锻件通常由铸铁制成，尤其是珠光体结构的球状石墨(SG)铁，或不含铁素体-珠光体结构的锻钢制成，而这比铸铁能提供更好的耐疲劳性，内燃机(IC)的曲柄轴就是这种锻件的一个例子。

承受高应力的部位能通过各种热化学、热或者机械处理方式增强，例如渗氮、感应加热淬火、抛光、喷砂。

应用于曲柄轴的抛光(该应用并不是专门的)是使两个轮子与曲柄轴销的沟槽相接触。这些轮子的方向相对于沟槽是倾斜的，对这些轮子施加正交力。这个曲柄轴开始旋转。轮子在以n1的速度旋转过程中逐步将正交力作用于轴销，然后以n2的速度匀速旋转，再以n3的速度旋转过程中逐渐减速。这种抛光在4到5mm的深度产生残余压应力。它对铁素体-珠光体结构SG锻铁的疲劳性有明显的改善。然而在提高基础金属的疲劳性后，一旦将铁素体-珠光体结构的锻钢制造的曲柄轴抛光，它们的特性比用SG铸铁制造的曲柄轴的特性还要好。这就是为何在承受高应力的汽油内燃机以及在直接喷射的柴油机中使用铁素体-珠光体结构锻钢的原因。确保在增强的区域外不发生断裂也是非常重要的，这也证明了选择一种高性能特性金属的正确性。

经常用于该目的的铁素体-珠光体结构锻钢的型号是：XC70，45Mn5，30MnSiV6和38MnSiV5，并且在锻造后它们只需要在静止空气中在线上冷却。因此它们的制造方式相对便宜，但是，在高强度应力存在时，它们的寿命是有限的。

对这种零件来说，人们已经建议从35MnV7型级别的贝氏体钢制造，并在锻造后在强迫通风中进行冷却。与前面这些例子相比，它们的强度性能有明显的改善，但是这种制造方法却更为昂贵。此外，将该方法适用于最初为生产静止空气中冷却的零件而设计的生产线并不总是可行的。

本发明的目的是提出钢的等级和生产锻件如内燃机(IC)的曲柄轴方法之间的结合，与已经存在的结合相比，它表现出经济优点，冶金性能非但没有降低、可能甚至加以改善。用这种方法生产的零件一定能够承受很高的疲劳应力。这种铸造方法一定会特别适合于对任何锻造生产线。

为此，本发明提供了一种通过锻造制造钢零件的方法。该方法的特征在于以下步骤：

·制备和铸造含有以下重量百分比组成的钢材：0.06％≤碳≤0.35％，0.5％≤锰≤2％，痕量≤硅≤2％，痕量≤镍≤1.5％，痕量≤铝≤0.1％，痕量≤铬≤1.5％，痕量≤钼≤0.30％，痕量≤钒≤0.5％，痕量≤铜≤1.5％，剩余成分为铁和制备中产生的杂质；

·在110℃至1300℃的温度范围内锻造零件的坯体；

·在600℃至300℃的范围内用少于或等于3℃/秒的速度在静止空气或强迫通风中以受控的方式冷却该坯体，从而使坯体具有贝氏体微结构；

·对零件进行机械加工；并且

·在承受特别高水平应力的零件部位，进行机械增强。

该钢材优选地含有5ppm至50ppm的硼。

该钢材优选地含有0.005％至0.04％的钛。

如果含有硼时，该钢材中钛的含量优选等于氮含量的至少3.5倍。

该钢材优选地含有0.005％至0.06％的铌。

该钢材优选地含有0.005％至0.2％的硫。

在这种情况，该钢材优选含有至少一种下列元素，最高达0.007％的钙，最高达0.03％的碲，最高达0.05％的硒，最高达0.015％的铋，最高达0.15％的铅。

在本发明的第一个实施方案中，该钢材中碳含量在0.06％至0.20％的范围内。

该钢材中优选的锰含量在0.5％至1.5％的范围内，优选的铬含量在0.5％至1.5％的范围内。

在这种情况中，该钢材中铜含量可以在0.5％至1.5％的范围内。

在本发明的另一个实施方案中，碳含量在0.25％至0.35％的范围内，硅的含量在痕量至0.5％的范围内，锰的含量0.8％到2％，铬的含量0.5％到1.5％，钼的含量0.05％到0.20％，硼的含量5ppm到50ppm，并且钛的含量0.005％到0.04％。

在本发明的另一个实施方案中，钢材的碳的含量在0.20％到0.35％，硅的含量在0.5％到2％，锰的含量在0.8％到2％，铬的含量在0.5％至1.5％，钼的含量在0.05％到0.20％，硼的含量在痕量到50ppm，且钛含量在0.005％到0.04％。

在这种情况中，退火可以在300℃到500℃的温度范围内在机械加工后进行，也可以在空气中受控冷却后和机械加工之前进行，持续1小时到3小时。

机械增强的操作可以是抛光。

本发明也提供一种钢锻件，其特征在于它可以通过以上方法之一制得。

这种锻件可以构成内燃机曲柄轴。

在这种情况，机械增强操作优选在连接曲柄轴销和曲柄主轴承之间的焊缝上进行。

正如所理解的，本发明是由一种等级的钢和铸造后的处理方法结合组成，这种方法包括步骤：锻造铸件，在静止空气或强迫通风中冷却，并对铸件中承受最高水平应力的区域进行机械增强。所选择的钢材的组份保证了不论以何种方式冷却，用这种钢材制造的并且对零件中承受最高水平应力部位机械增强的锻件具有能充分地满足使用者要求的耐疲劳性。制造高性能的内燃机的曲柄轴是本发明的一个具体优选应用。

通常来说，决定一种具体的钢是否适合上述用途的标准是，所使用的材料在最初没有裂纹的状态下的疲劳承受极限，并且要考虑通过机械增强操作在材料表面上引入的残余应力。

实际上，发明人发现上述的标准并不是相关的。在初次使用时，通过抛光(或者通过其他机械增强方式)引起的残余应力，在表面到几十毫米的深度松弛，而材料的裂纹很快超过了这个深度。然而，由于抛光所形成的残余应力初始范围，阻止了裂纹扩展。连接沟槽中应力集中的降低也具有这种功能。但是不会发生深度方向的松弛。

进行抛光的压力越高，应力集中越大，越容易出现裂纹。但是由于高压抛光在更大的深度形成了残留应力，阻止裂纹的距离和力矩就越大，因此，降低了零件破裂的危险。通常，人们认为在使用曲柄轴时，最理想的是不出现裂纹，从而在使用时避免了共振和与其有关的噪音，可以说这是本发明的优选应用。

这种钢材的化学特性和在铸造后热机械处理，是为了得到一种贝氏体的微结构，也是为了在机械增强如抛光处理后得到理想的机械特性。贝氏体的微结构必须能在静止的空气中冷却后获得，但是它也必须可以与强迫通风中冷却相适应。这样能够在任何已经存在的设备上使用本发明的方式制备零件，不论它是在锻造后强迫通风中冷却的还是在静止空气中冷却。因此，一个最初为处理具有铁素体-珠光体微结构的钢零件设计的设备，不需要经过特别的改装，也没有任何困难，就能处理本发明的具有贝氏体微结构的零件。以前用于这种用途的贝氏体微结构的钢材需要在强迫通风中冷却处理，因此一直不能在普通设备上处理。

按照本发明，首先制备含有所述的并且在以下详细解释的钢材，然后将这种钢材铸造成锭或是按照最后零件的形状进行连铸，从而获得半成品。

之后，在半成品上进行锻造操作。锻造以后，在锻件的热空气中，在静止空气或强迫通风中进行受控冷却。

接着，将该零件用一般方式进行机械加工，之后对使用时承受巨大应力的特定部位进行机械增强操作。例如对曲柄轴来说，在曲柄轴销被连接的节点上进行抛光。

如下列出了必需含有或可选含有的各种化学成分的分析范围(所有的百分比都是按重量计)。

碳的含量在0.06％到0.35％。该范围用以控制所得微结构的类型，当碳的含量少于0.06％，所得到的微结构的类型对于预想的目标不利，当含量高于0.35％并与其他元素相结合时，在静止空气中冷却得到的微结构不够接近贝氏体。

锰的含量在0.5％到2％。该元素高于0.5％时，材料可以淬火，不论用何种方式冷却，可以得到一个很大的贝氏体范围。不论如何，当含量高于2％时，会出现过分偏析的危险。

硅的含量在痕量到2％的范围内。该元素严格地说并不是必需的，但是它可能有通过进入固溶体中以硬化贝氏体的优点。当硅的含量高于2％时，将会产生金属的可加工性的问题，此外，硅阻止了碳化物的形成，并且在冷却时有形成过多的残余奥氏体的危险，或会形成过多的马氏体。

镍的含量在痕量到1.5％的范围内。该元素不是必需的，但它可以增强可淬火性，以及奥氏体稳定性，如果同时有相对大量的铜存在，镍可以防止在锻造时，由于铜存在时出现的问题。当镍的含量高于1.5％时，对于预想的冶金目的，镍的加入是无意义的花费。

铝的含量在痕量到0.1％的范围内。该元素不是必需的，但它是强脱氧剂，并且当加入少量时，它可以帮助限制液体钢中所溶解的氧的含量。因此，能够改善零件的夹杂纯度，只要在铸造过程中避免了过度脱氧。

铬，作为一种非必需的元素，它的含量从痕量到1.5％。和锰一样，铬能提高可淬火性。加入1.5％以上的铬是无意义的花费。

钼的含量从痕量到0.3％。这种非必需的元素防止大晶粒的铁素体形成并且使得到贝氏体结构更可靠。加入0.3％以上的钼是无意义的花费。

钒的含量从痕量到0.5％。这种非必需的元素通过进入固溶体中以硬化贝氏体结构。加入0.5％以上的钒是无意义的花费。

铜的含量从痕量到1.5％。这种非必需的元素能增强可加工性，通过沉淀它能引起材料的二次硬化。如上所述，建议使铜与大量的镍相关，解决加热时成形的问题。加入1.5％以上的铜是无意义的花费。

以上所述的这些元素是其冶金作用对本发明来说有重要的意义的元素。然而，下面所述的其它元素是可以任选含有的，可提高钢材的某些性能。

硼的含量在5ppm至50ppm的范围内，它能提高可淬火性，但它必须在固溶体中才有效。换句话说，必须保证没有或实际上没有硼以硼的氮化物或碳氮化物的形式存在，为此，建议必须将加硼和加钛联系起来，最好的浓变为3.5x N％≤Ti％。在这种情况下，所有的溶解的氮都被捕获，从而避免形成硼的氮化物或碳氮化物。因此，根据通常所遇到的氮的最低含量计算，钛的最低含量是0.005％。但是因为会产生尺寸过大的氮化钛，所以建议钛的含量不超过0.04％。

钛也有限制高温下奥氏体晶粒生长程度的功能，这是为什相对于硼独立的加入钛是有用的。

铌也可以0.005％到0.06％的含量加入，它在奥氏体中能以碳氮化物的形式沉淀，它也因此使材料硬化。

最后，以常规方式，添加硫(在0.005％到0.2％)会改善材料的可加工性，加硫可以与加钙(最高到0.007％)和/或碲(最高到0.03％)，和/或硒(最高到0.05％)，和/或铋(最高到0.15％)，和/或铅(最高到0.15％)相关。

一旦获得含有上述特定组分的半成品，就用通常的方法锻造零件的坯体。将其在1100℃到1300℃中加热，然后使其变形得到零件的坯体，接着用通常的方式修整并完工。

在锻造后，在静止空气或强迫通风中进行零件的受控冷却，通常为了得到贝氏体的微结构，在600℃到300℃的范围内，以小于或等于3℃/s的速度将零件进行冷却。

然后，在由所得到的硬度特点进行调整条件下，将该零件按传统方式进行机加工。

最后，对在操作中零件的特别承受高水平应力的部位，进行机械增强的操作。对于内燃机的曲柄轴，这种操作包括抛光连接曲柄轴和曲柄轴承之间的焊缝。

为了获得具有对适合各种应用的优化的特性的零件，本发明可以不同方式实施。

本发明的第一个实施方式是，将碳的含量控制在0.6％到0.2％，以得到非常适合于加工硬化的低碳的贝氏体，锰优选的含量最优在0.5％到1.5％，铬的含量在0.5％到1.5％。

对于这些钢，所得的产品牵引(traction)特性(屈服强度，强度)不是特高级别的：一般的拉伸强度Rm大约在800MPa到900MPa，屈服强度Re大约在550MPa到650MPa。但是，这些钢材都有很好的可加工性，并且还能通过添加最高为0.5％到1.5％的铜来改善该性能。

在本发明的另一个实施方式中，设定碳的含量高于第一个实施方式的值，在0.20％到0.35％的范围内，最终产品得到的微结构是由中碳贝氏体组成的，这种结构在空气中受控冷却后马上使产品具有高度的机械特性。

如果碳的含量在0.25％到0.35％的范围内，并且硅的含量小于或者等于0.5％，得到由上贝氏体组成的结构。当锰的含量在0.8％到2％的范围，铬的含量在0.5％到1％的范围，钼在0.05％到0.2％的范围，硼和钛的含量如上文所推荐的，得到的零件对加工硬化有良好的适应性，拉伸强度大约在900MPa到1000MPa，屈服强度在600MPa到700MPa，且具有仍然满意的可加工性，特别是有铜存在时，铜在锻造后冷却的过程中就可能开始析出。

如果碳的含量在0.20％到0.35％的范围内，硅的含量在0.5％到2％的范围内，锰的含量在0.8％到2％的范围，铬的含量在0.5％到1％的范围，钼在0.05％到0.2％的范围，那么所得的结构是由混合贝氏体组成的(颗粒状的和上贝氏体)。该结构使得零件具有良好的耐用性和良好的机械增强能力，机械增强例如喷丸，加工硬化，抛光，预成型等。人们认为相对软的残余奥氏体的存在增强了对加工硬化的适应性，因此能够通过机械增强操作形成预应力。由于连接焊缝中沟槽的凹槽相对较小，因此降低了应力集中，增加了抗裂纹能力。通常，拉伸强度大约在950MPa到1250MPa，屈服强度在600MPa到800MPa，这些数值可由硅的含量来调整。可加工性可以通过为上述目的的上述添加来调整和改善。由于上述原因，也建议在钢中添加硼(最高50ppm)和/或钛(最高0.04％)。

在本发明的这个实施方案中，还可以在300℃到500℃的范围内进行1小时到3小时的少量的退火。这可将残余奥氏体转化成铁素体和碳化物，由此在没有降低拉伸强度的情况下，屈服强度得到一个很小的提高。这种方式使抗疲劳性提高了大约10％。退火可以在机械加工后也可以在冷却后机械加工前进行。

以下描述了本发明的两个应用和一个比较实施例。

在测试用于制造曲柄轴的金属材料时，通常在测试片上进行下面的机械测试，该测试片的形状适合再现弯曲时曲柄轴销的连接处所受的应力，并且使测试薄片经受与锻造曲柄轴后施加的同样热循环。它们在与通常情况下抛光连接曲柄销和曲柄销承之间的焊缝类似的条件下进行了抛光。

作为参考，对具有铁素体-珠光体结构的38MnSiV5型号的钢材进行测试，所述钢材含有以下组分：碳0.38％，锰1.4％，硅0.5％，硫0.075％，镍0.1％，铬0.2％，钼0.03％，铜0.02％，钒0.09％，氮130ppm。这些测试片切取自经过轧制然后在静止的空气中冷却(0.5℃/s到1℃/s)的钢，这使测试片的拉伸强度达到了860MPa，屈服强度达到了570MPa。

相对于垂直35°角的倾斜角度下，对半径是1.35mm，深约0.6mm的沟槽用轮子对其进行抛光，在抛光中所用的负重是800daN到1200daN的范围。

在这样的条件下，当力矩在2090N.m到1850N.m时测试片产生裂纹，还得到了4050N.m到4620N.m的断裂力矩(应当观察到，在增加载荷时产生裂纹所需的力矩减小，而断裂力矩变大)。

用相应于本发明的贝氏体结构的钢材测试片进行了同样的测试，测试片含有以下成分，碳0.24％，锰1.50％，硅0.7％，硫0.077％，镍0.1％，铬0.8％，钼0.07％，铜0.1％，钒0.19％，硼30ppm，钛0.019％，氮70ppm，因此这种钢材含有与上述高碳含量实施方案中相对应的组分，在其高硅方案中，在锻造后在静止空气中，以0.5℃/s至1℃/s的速度冷却，得到混合贝氏体结构没有接着进行退火。这种条件下，可得到拉伸强度1000MPa，屈服强度在640MPa，明显好于对照钢材。

测试片与对照测试片在同样的条件下进行抛光，仍然加载800daN到1200daN。

在这样的条件下，测试片在力矩2650N.m到2400N.m时产生裂纹，断裂力矩为5200N.m到5900N.m。本发明中的两个极限有了显著的提高，大约提高了30％。

发明者解释本发明制造的测试片的测试结果更适合在指定载荷时少量的应力松弛。这能更好阻止已经发生的裂纹。由于轮子使沟槽凹陷程度减小，使得应力集中变的更小，拉伸强度变得更高，所以提高了裂纹起始限度。

使用X射线衍射测试，发明者也观察到普通的铁素体珠光体结构的钢比应用本发明的氧化钢软化更大。相反，本发明的钢在使用时变得更强。

本发明的主要优点是降低了抛光的载荷，与通常铁素休-珠光体构造的铁氧体钢相比，得到了同样的机械特性。这使抛光轮子更经济化成为了可能。因此，降低了抛光操作的费用，这弥补了在钢中增加金属元素的额外费用。

对根据本发明制造的贝氏体结构的钢的测试片进行测试，其含有以下成分：碳0.06％，锰1.35％，铬0.90％，硅0.39％，镍0.25％，硫0.003％，铜0.22％，钒痕量，氮0.007％，钼0.09％，硼0.003％。这是对应于本发明的第一个实施方式制造的钢材组分。在600℃到300℃的范围内，以2℃/s到3℃/s的速度，在强迫通风中进行冷却。在这种情况下，与对照的钢铁相比，测试片的拉伸强度为820MPa，屈服强度为950MPa。与对照测试片在同样的条件下进行抛光后，测试片仍然加载800daN到1200daN。在这样的条件下，得到了2300N.m到2500N.m的裂纹起始力矩，5600N.m到6120N.m的断裂力矩。在这种情况中，应用本发明的两个极限都有了显著的提高，分别提高了20％和35％。

最后，不能忘记，采用本发明所用等级的钢材能在静止空气和强迫通风中同样得到良好的冷却，这就使在现存的任何锻造设备上处理它们成为可能。

Claims (17)

1.一种通过锻造制造钢零件的方法，其特征在于以下步骤：

·制备和铸造含有以下重量百分比组成的钢材：0.06％≤碳≤0.35％，0.5％≤锰≤2％，痕量≤硅≤2％，痕量≤镍≤1.5％，痕量≤铝≤0.1％，痕量≤铬≤1.5％，痕量≤钼≤0.30％，痕量≤钒≤0.5％，痕量≤铜≤1.5％，剩余成分为铁和来自制备中的杂质；

·在110℃至1300℃的温度范围内锻造用于零件的坯体；

·在600℃至300℃的温度范围内用少于或等于3℃/s的速度在静止空气式强迫通风中以受控的方式冷却用于零件的坯体，由此使该坯体具有贝氏体微结构；

·机械加工该零件；并且

·对零件中承受特别高水平应力的部位进行机械增强。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该钢材含有5ppm至50ppm的硼。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于该钢材含有0.005％至0.04％的钛。

4.根据权利要求2和3一起所述的方法，其特征在于该钢材的钛含量等于该钢材中氮含量的至少3.5倍。

5.根据权利要求1-4中任何一项所述的方法，其特征在于该钢材含有0.005％至0.06％的铌。

6.根据权利要求1-5中任何一项所述的方法，其特征在于该钢材含有0.005％至0.2％的硫。

7.根据权利要求6中所述的方法，其特征在于该钢材含有至少一种下列元素，最高达0.007％的钙，最高达0.03％的碲，最高达0.05％的硒，最高达0.015％的铋，最高达0.15％的铅。

8.根据权利要求1至7中任何一项所述的方法，其特征在于该钢材的碳含量在0.06％至0.20％的范围内。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于该钢材的锰的含量在0.5％至1.5％的范围内，铬的含量在0.05％至1.5％的范围内。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于该钢材铜的含量在0.5％至1.5％的范围内。

11.根据权利要求1至7的任何一项所述的方法，其特征在于该钢材含有碳的含量在0.25％至0.35％的范围内，硅的含量在痕量至0.5％的范围内，锰的含量0.8％至2％的范围内，铬的含量0.5％至1.5％的范围内，钼的含量0.05％至0.20％的范围内，硼的含量5ppm至50ppm的范围内，并且钛的含量0.005％至0.04％的范围内。

12.根据权利要求1至7的任何一项所述的方法，其特征在于该钢材含有碳的含量在0.20％至0.35％的范围内，硅的含量在0.5％至2％的范围内，锰的含量在0.8％至2％的范围内，铬的含量在0.5％至1.5％的范围内，钼的含量在0.05％至0.20％的范围内，硼的含量在痕量至50ppm的范围内，且钛的含量在0.005％至0.04％的范围内。

13.根据权利要求12的所述的方法，其特征在于退火在机械加工后或者在机械加工前和在空气中受控冷却后在300℃到500℃的范围内进行1小时到3小时。

14.根据权利要求1至13的任何一项所述的方法，其特征在于机械增强操作是抛光。

15.一种钢锻件，其特征在于它是根据权利要求1至14的任何一项所述的方法制得的。

16.根据权利要求15所述的钢锻件，其特征在于它构成了一种内燃机的曲柄轴。

17.根据权利要求16所述的钢锻件，其特征在于所述的机械增强操作是在连接曲柄销和曲柄销轴承之间的焊缝进行的。