CN1685074A - 钢组合物和用锻模锻造的零件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钢组合物，包括下列组分：C：0.12－0.45重量％，Si：0.10－1.00重量％，Mn：0.50－1.95重量％，S：0.005－0.060重量％,Al：0.004－0.050重量％，Ti：0.004－0.050重量％，Cr：0－0.60重量％，Ni：0－0.60重量％，Co：0－0.60重量％，W：0－0.60重量％，B：0－0.01重量％，Mo：0－0.60重量％，Cu：0－0.60重量％，Nb：0－0.050重量％，V：0.10－0.40重量％，N：0.015－0.040重量％，其余：Fe和不可避免的杂质，条件是：1)重量％V×重量％N＝0.0021－0.0120，2)1.6×重量％S+1.5×重量％Al+2.4×重量％Nb+1.2×重量％Ti＝0.035－0.140，3)1.2×重量％Mn+1.4×重量％Cr+1.0×重量％Ni+1.1×重量％Cu+1.8×重量％Mo＝1.00－3.50。该钢组合物特别适用于制造用锻模锻造且不经最终淬火的高抗力、高韧性零件，该零件可用作客运车辆和商业运输工具的底盘零件。

Description

钢组合物和用锻模锻造的零件
发明描述
本发明涉及一种新的钢组合物，用其制造的模压成形零件(die-formed parts)，制造该模压成形零件的方法和它们作为客运车辆和商业运输工具底盘的应用。
机动车底盘元件是与安全有关的零件。对于它们，除了要求高强度以外，还要求高韧性(例如，以断裂时的延伸率、断裂时的收缩、缺口冲击强度的特征数值为特征)。因此直到1980年代，几乎没有例外，这些元件都在热成形后经历一种昂贵和/或费力的最终热处理(淬火和回火)。而后，在1980年代，研究了“析出硬化的铁素体-珠光体钢”(“Ausscheidungshrtende Ferritisch-Perlitische Sthle”，AFP-Stahle)，对这种钢，通过在钢的铁素体-珠光体基体中析出碳氮化物，不经最终热处理就达到了特征强度值。现在，将这种钢用作客运车辆底盘零件的锻造钢元件已成为惯例。在这些钢的加工过程中，温度控制的调节是重要的，以使钢的转变和碳氮化物的析出能够彼此优化地匹配。
现在，对商业运输工具，与安全相关的底盘零件如轴的支持部分(axle leg)，几乎无例外地通过淬火和回火钢，也就是说，经过昂贵和/或费力的最终热处理来制备。对此，可提到下列原因：
对于商业运输工具零件施加的较高的应变要求材料具有较高的规定强度，同时要求材料具有更高的韧性。特别地，通常要求达到技术规格，包括需要保证的缺口冲击强度值。这对现今市场上的相应强度的析出硬化的铁素体-珠光体钢是不可能的。
由于它们非常大的质量，商业运输工具零件从热成形温度冷却下来时与客运车辆零件明显不同。由于温度控制对可达到的力学特征值(见上文)有至关重要的影响，即使对客运车辆零件来说普通的较低力学特征值，也是用现今可得到的析出硬化的铁素体-珠光体钢制备的商业运输工具零件大多不能达到的。
在过去几年里，商业运输工具部分的材料的发展方向追求如下目的：通过由变形热对低碳钢直接淬火和回火达到贝氏体结构条件，(bainitic structural conditions)而不需随后回火，并由此节省了昂贵的最终淬火和回火(见德国专利DE-PS 3628264 A1，DE-PS 4124704A1，美国专利US-PS 5660648)。然而，在此技术中，存在低弹性比、较低的蠕变抗力和性能的不均匀性以及增长的扭曲倾向等问题。在商业运输工具与安全相关的底盘零件的领域，该技术本身还未确定。
在具有铁素体-珠光体结构的析出硬化的“AFP”钢的领域，进行了大量的以提高韧性为目的的改进工作，以便在商业运输工具底盘领域也可以使用这类钢(见Hertogs，J.A.，Ravenhorst，H；Richter，K.E.；Wolff，J.：Neuere Anwendungen der ausscheidungshrtendenferritisch-perlitischen Sthle für geschmiedete Bauteile im Motor undFahrwerk.Conference“Stahl in Automobilbau”，Würzburg，24-26 Sep.1990；和Huchtemann，B.；Schüler，V.：Entwicklungsstand derausscheidungshrtenden ferritisch-perlitischen(AFP-)Sthle mitVanadium.Stahl 2/1992，P.36-41)。因而得到了少许进步，例如通过降低成形温度。然而，由于在较低的成形温度，模具的填充性明显变差，进一步地工具的磨损剧烈增大，这一变化不适于操作使用。
进一步的变化集中于用于晶粒细化的钛合金添加物，并因此用于改进韧性。这里的问题在于晶粒的细化靠氮化钛实现。韧性增大所需的氮因此处于受约束的形式，并因此不可利用。结果是与淬火和回火钢相比低得多的韧性。
因此本发明的根本问题是：提供一种用于析出硬化的铁素体-珠光体钢组合物，用以制造模压成形零件，该钢不需额外热处理，在其构成的零件中同时显示高强度和高韧性，从而它们在商业运输工具中也可用于底盘零件。
该问题通过含有下列组分的钢组合物得到解决(以重量％计)：
C： 0.12-0.45
Si：0.10-1.00
Mn：0.50-1.95
S： 0.005-0.060
Al：0.004-0.050
Ti：0.004-0.050
Cr：0-0.60
Ni：0-0.60
Co：0-0.60
W： 0-0.60
B： 0-0.01
Mo：0-0.60
Cu：0-0.60
Nb：0-0.050
V： 0.10-0.40
N： 0.015-0.040
其余：Fe和不可避免的杂质
条件是：
1)wt％V×wt％N＝0.0021 to 0.0120
2)1.6×wt％S+1.5×wt％Al+2.4×wt％Nb+1.2×wt％Ti＝0.035 to 0.140
3)1.2×wt％Mn+1.4×wt％Cr+1.0×wt％Ni+1.1×wt％Cu+1.8×wt％Mo＝1.00 to 3.50
本发明的核心点在于在给定的强度水平下，与当今通常的碳含量相比，通过降低钢的含碳量实现必要的韧性提高。预期根据现有技术由于采用这一措施造成的强度损失在本发明中不仅完全不会出现，而且甚至通过其余组分的特定组合得到了超额的补偿。
导致含碳量降低时仍具有高强度的主要因素特别地在于：
0.10-0.40重量％的钒含量和0.015-0.040重量％的氮含量，其中根据本发明需要满足下列条件：
重量％V×重量％N＝0.0021-0.0120；
优选地，重量％V×重量％N＝0.0028-0.0060。
微合金化元素Ti、Al和Nb与硫的平衡比，其中根据本发明需要满足下列条件：
1.6×重量％S+1.5×重量％Al+2.4×重量％Nb+1.2×重量％Ti＝0.035-0.140；
优选地，1.6×重量％S+1.5×重量％Al+2.4×重量％Nb+1.2×重量％Ti＝0.040-0.080。
提高混合晶体强度的合金化元素的平衡比，其中根据本发明需要满足下列条件：
1.2×重量％Mn+1.4×重量％Cr+1.0×重量％Ni+1.1×重量％Cu+1.8×重量％Mo＝1.00-3.50；
优选1.2×重量％Mn+1.4×重量％Cr+1.0×重量％Ni+1.1×重量％Cu+1.8×重量％Mo＝1.65-2.80。
上述钢组合物极好地适用于制造可用于底盘零件的模压成形零件，如用于客运车辆或商业运输工具的轴的支持件。
根据本发明的模压成形零件通过包括下列步骤的方法制造：
(a)将用上述钢组合物制造的进料材料加热到1000-1300℃的温度；
(b)将步骤(a)的进料材料通过锻造成形；
(c)将步骤(b)得到的模压成形零件冷却到室温，其中在580℃以下的温度范围冷却速度至少为0.2℃/秒。
下面以单个制造步骤详细描述根据本发明的制造方法。
首先，在步骤(a)，将根据本发明的钢组合物制造的进料材料加热到1000-1300℃，该进料材料具有商业可用几何形状，例如长钢。该材料在此温度范围保温到至少形成了均匀的奥氏体结构。通常该持续时间为5-10分钟。当该模压成形零件将被用于商业运输工具的底盘零件时，优选该进料材料的质量超过15千克。对于将被用于客运车辆底盘零件的模压成形零件，通常采用质量为5-14千克的进料材料。
在步骤(b)，在通常的成形加工中，该进料材料在一个或多个成形步骤中通过锻造成形为要求的形状。优选地，在步骤(a)加热进料材料之后立即进行步骤(b)的成形加工，以便在其成形过程中进料材料处于950-1250℃的温度范围。
在步骤(c)，步骤(b)得到的模压成形零件被冷却到室温。这里直到580℃冷却速度至少为0.2℃/秒。
借助于冷却速度，模压成形零件的机械性能可根据需要调节到确定的样式。
在用根据本发明的钢制造的模压成形零件冷却到580℃的过程中的冷却速度优选地在0.2-6℃/秒的范围选择。更优选为0.2-0.6℃/秒的冷却速度。这相当于在静止空气中冷却重的商业运输工具零件。这具有如下优点：步骤(b)的用于商业运输工具的模压成形零件可以只通过放在空气中得到冷却。
关于达到在用于商业运输工具的底盘所要求的特别高的强度和韧性值，特别优选冷却到580℃的冷却速度为0.7-6℃/秒。对于质量超过15千克的商业运输工具零件，借助于例如水冷段调节到这一冷却速度范围，该冷却方法就活动的水喷嘴及其方向以及压力和流速而言是灵活的。
对于用根据本发明的钢制造的较轻的客运车辆零件，适用同样的冷却速度和性能的联系。由于客运车辆零件的较轻的质量，与商业运输工具相反，只有当冷却速度处于给定范围的上半部分时才需要加速冷却来调节冷速。仅仅在静止空气中冷却就可自动达到约0.7-约2℃/秒的冷却速度。
低于580℃的冷却速度可以任意选择，且对所得到的模压成形零件的强度和韧性没有任何影响。
在由成形加热冷却之后，根据本发明制造的模压成形零件显示如下机械性能：
-在室温根据DIN EN 10002的拉伸试验：
残余变形屈服强度：Rp0.2≥540MPa，优选540-850MPa
抗拉强度：Rm≥700MPa，优选700-1100MPa
断裂时的延伸率：A5≥10％，优选10-16％
断裂时的收缩率：Z≥20％，优选20-50％
-根据DIN EN 50115在ISO-U试样上的冲击试验：
缺口条样冲击功：Av(室温)≥30焦耳，优选30-70焦耳
缺口条样冲击功：Av(-20℃)≥10焦耳，优选10-25焦耳
根据所选用的冷却速度，根据特别优选的实施方案制造的模压成形零件显示下列机械特征值：
Rp0.2＝580-680MPa
Rm＝800-900MPa
A5＝14-16％
Z＝35-50％
Av(室温)＝30-40焦耳
Av(-20℃)＝10-20焦耳
类似地，根据特别优选的方法，可制成具有下列性能的模压成形零件：
Rp0.2＝800-850MPa
Rm＝1050-1100MPa
A5＝10-12％
Z＝20-30％
上述性能清楚地表明，与现有技术比较，根据本发明的模压成形零件在由成形加热冷却后显示了高强度和同时的高韧性。因此，根据本发明的模压成形零件可以用于与安全相关的底盘元件，例如用于客运车辆和甚至商业运输工具的轴的支持件。
借助下列实施例对本发明进行详尽的解释。
实施例1
采用具有下列化学组成的钢：
C： 0.14wt％
Si：0.40wt％
Mn：1.00wt％
S： 0.020wt％
Al：0.035wt％
Ti：0.015wt％
Nb：0.005wt％
Cr：0.45wt％
Ni：0.10wt％
Cu：0.15wt％
Mo：0.10wt％
V： 0.25wt％
N： 0.030wt％
将截面积为140毫米2的条钢感应加热到1250℃，并将钢在此温度保温10分钟。
通过一次预顶锻(pre-upsetting)操作，两次精细成形(finishingforming)操作和一次修坯(trimming)操作，将方条材料锻造成质量为30千克的轴支持件。在成形工艺结束时轴支持件的温度为1100℃。
在冷却阶段以3.9℃/秒的冷却速度将轴支持件从1100℃冷却到580℃。
轴支持件显示了下列机械性能，该性能是根据DIN EN 10002和DIN EN 50115在室温下测定的：
Rp0.2＝580MPa
Rm＝750MPa
A5＝16％
Z＝55％
Av(室温)＝50焦耳
Av(-20℃)＝20焦耳
实施例2
采用具有下列化学组成的钢：
C： 0.37wt％
Si：0.40wt％
Mn：0.90wt％
S： 0.035wt％
Al：0.015wt％
Ti：0.035wt％
Nb：0.010wt％
Cr：0.10wt％
Ni：0.50wt％
Cu：0.20wt％
Mo：0.10wt％
V： 0.28wt％
N： 0.032wt％
将截面积为140毫米2的条钢感应加热到1250℃，并将该钢在此温度保温10分钟。
通过一次预墩粗操作，两次精细成形操作和一次修坯操作，将方条材料锻造成质量为38千克的轴支持件。在成形工艺结束时轴支持件的温度为1150℃。
在静止空气中以0.5℃/秒的冷却速度将轴支持件从1150℃冷却到580℃。
轴支持件显示了下列机械性能，该性能是根据DIN EN 10002在室温下测定的：
Rp0.2＝700MPa
Rm＝1000MPa
A5＝12％
Z＝30％
实施例3
采用根据实施例2的钢。
将根据实施例2的38千克的轴支持件加热并成形。
在冷却阶段以1.8℃/秒的冷却速度将轴支持件从1150℃冷却到580℃。
轴支持件显示了下列机械性能，该性能是根据DIN EN 10002在室温下测定的：
Rp0.2＝820MPa
Rm＝1080MPa
A5＝10％
Z＝20％

Claims (7)

1.一种钢组合物，其特征在于它包括以重量％计的下列组分：
C：     0.12-0.45
Si：    0.10-1.00
Mn：    0.50-1.95
S：     0.005-0.060
Al：    0.004-0.050
Ti：    0.004-0.050
Cr：    0-0.60
Ni：    0-0.60
Co：    0-0.60
W：     0-0.60
B：     0-0.01
Mo：    0-0.60
Cu：    0-0.60
Nb：    0-0.050
V：     0.10-0.40
N：     0.015-0.040
其余：Fe和不可避免的杂质
条件是：
1)wt％V×wt％N＝0.0021 to 0.0120
2)1.6×wt％s+1.5×wt％Al+2.4×wt％Nb+1.2×wt％
  Ti＝0.035 to 0.140
3)1.2×wt％Mn+1.4×wt％Cr+1.0×wt％Ni+1.1×wt％
  Cu+1.8×wt％Mo＝1.00 to 3.50
2.一种钢制的模压成形零件，其特征在于该钢具有根据权利要求1的组成。
3.一种制造根据权利要求2的模压成形零件的方法，包括下列步骤：
(a)将用根据权利要求1的钢组合物制造的进料材料加热到1000-1300℃的温度；
(b)通过锻造将步骤(a)的进料材料成形；
(c)将步骤(b)得到的模压成形零件冷却至室温，其中在冷却到580℃的温度范围内的冷却速度是至少0.2℃/秒。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于步骤(c)的冷却是以0.2-0.6℃/秒的冷却速度直到580℃。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于步骤(c)的冷却是以0.7-6℃/秒的冷却速度直到580℃。
6.根据权利要求3-5的任何一项的方法得到的模压成形零件作为商业运输工具底盘零件的应用。
7.根据权利要求5的方法得到的模压成形零件作为客运车辆底盘零件的应用。
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