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      具有增強(qiáng)滲氮特性的貝氏體微合金鋼的制作方法

      文檔序號(hào):9422031閱讀:399來(lái)源:國(guó)知局
      具有增強(qiáng)滲氮特性的貝氏體微合金鋼的制作方法
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001] 本發(fā)明一般涉及貝氏體微合金鋼,并且更特別涉及具有增強(qiáng)滲氮特性的貝氏體微 合金鋼。
      【背景技術(shù)】
      [0002] 諸如軸、聯(lián)軸器、齒輪、凸輪和鏈輪之類(lèi)的動(dòng)力傳動(dòng)部件常常要經(jīng)受高壓、扭矩負(fù) 載以及沖擊加載。被稱(chēng)為"滲氮"的氮化表面硬化過(guò)程通常包括使機(jī)械加工的和熱處理的 部件在大約510°C(950華氏度)到538°C(1,000華氏度)的溫度下經(jīng)受含氮介質(zhì)(通常 是氨氣)的作用。滲氮增加了表面硬度、耐磨性以及對(duì)某種類(lèi)型腐蝕和表面應(yīng)力的抗性,這 改進(jìn)了氮化部件的抗疲勞性。因此,滲氮合金鋼物件常常用于齒輪、聯(lián)軸器、軸和其它需要 耐磨損和耐高應(yīng)力加載的應(yīng)用。
      [0003] 一組已經(jīng)在熱處理之后被滲氮的可硬化合金鋼是AISI/SAE4100系列合金鋼。 特別地,在需要結(jié)合高表面硬度和砂心硬度的各種齒輪制造中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)AISI/SAE4140H 合金鋼是有用的。AISI/SAE4140H合金鋼具有如下指定的成分:重量百分比占0. 37%到 0. 44%的碳;重量百分比占0. 65%到1. 10%的錳;重量百分比占0. 15%到0. 35%的硅;重 量百分比占0. 75%到1. 20%的鉻;重量百分比占0. 15%到0. 25%的鉬;余量的鐵和可接 受的微量元素。
      [0004] 通常,具有上述成分的部件首先被鍛造,或由坯料乳制成,并且被調(diào)質(zhì)過(guò),接著被 機(jī)械加工并滲氮。雖然AISI/SAE4140H合金鋼在某些滲氮應(yīng)用中已經(jīng)是有用的,但它也 具有一些缺點(diǎn)。例如,這種鋼含有鉬,這是昂貴的合金元素。此外,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有AISI/SAE 4140H成分的物件易于淬火開(kāi)裂,并且因此通常需要油淬火。仍進(jìn)一步,AISI/SAE4140H的 滲氮表面硬度通常被限制到大約洛氏C硬度(HRC) 55或更少。
      [0005] 已經(jīng)公開(kāi)了用于通過(guò)稱(chēng)為氣體軟氮化過(guò)程來(lái)進(jìn)行非硬化部件制造的合金鋼成分, 其用于生產(chǎn)諸如齒輪以及其它傳動(dòng)部件的低扭曲鋼。砂心硬度通過(guò)添加合金而不是通過(guò)熱 處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。在由如乳制過(guò)的鋼條或鍛件機(jī)械加工之后,由合金鋼形成的工件被氣體軟氮 化。氣體軟氮化(在日本也被稱(chēng)作"軟滲氮")比常規(guī)滲氮更快,并且在鋼和鑄鐵上形成極 其硬的皮。在氣體軟氮化時(shí),在包括相等部分的吸熱型氣體(諸如一氧化碳和氫的還原氣 體混合物)和氨氣的大氣下,將部件在566°C(1050華氏度)下處理2小時(shí)到6小時(shí)。產(chǎn)生 的硬表面包括鐵碳氮絡(luò)合物。然而,產(chǎn)生的表面比由滲氮獲得的表面更薄,并且沒(méi)有獲得在 由工件的預(yù)先滲氮熱處理所造成的韌性的增長(zhǎng)。此外,添加合金鋼以實(shí)現(xiàn)比得上調(diào)質(zhì)鋼的 砂心硬度所增加的成本在經(jīng)濟(jì)上是不可取的。
      [0006] 在1989年8月1日提交的授予CalvinLoyd的美國(guó)專(zhuān)利第4, 853, 049號(hào)(' 049 專(zhuān)利)中描述了經(jīng)濟(jì)的穿透硬化滲氮等級(jí)合金鋼的嘗試。'049專(zhuān)利公開(kāi)了一種穿透硬化滲 氮等級(jí)的合金鋼,其因已經(jīng)淘汰昂貴合金(例如鉬)而是經(jīng)濟(jì)的。在'049專(zhuān)利中公開(kāi)的鋼 實(shí)現(xiàn)了期望的特性,包括硬化度,在回火期間對(duì)硬度損失的抗性,并且通過(guò)使用小的、仔細(xì) 地控制其量的鋁(A1)和釩(V)而極大地提升了對(duì)滲氮的反應(yīng)。
      [0007] 雖然在' 049專(zhuān)利中公開(kāi)的合金鋼降低了合金鋼的成本,并且提供了上述有益特 性,但進(jìn)一步的改進(jìn)仍是有可能的。特別地,' 049專(zhuān)利描述了在由公開(kāi)的合金鋼生產(chǎn)的產(chǎn) 品的初始熱鍛之后進(jìn)行多個(gè)熱處理過(guò)程。這些熱處理過(guò)程包括通過(guò)將鍛造產(chǎn)品加熱到大約 870°C(1600華氏度)達(dá)大約一個(gè)小時(shí)的時(shí)間段來(lái)硬化所述鍛造產(chǎn)品,并且接著用水或油淬 火以完成鐵素體和珠光體顯微結(jié)構(gòu)到馬氏體的轉(zhuǎn)變。在回火到將碳化物顆粒沉淀并團(tuán)聚且 從而提供改進(jìn)的韌性之后,制品將視需要被機(jī)械加工成所需最終尺寸,并且接著對(duì)其進(jìn)行 滲氮。
      [0008] 根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)和過(guò)程生產(chǎn)的貝氏微合金鋼解決了上述問(wèn)題中的一個(gè)或多個(gè) 以及/或者在本領(lǐng)域中的其它問(wèn)題。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0009] 在一個(gè)方面,本發(fā)明涉及具有通過(guò)滲氮形成的表面滲氮層的鍛鋼部件,所述滲氮 在鍛造和受控空氣冷卻而沒(méi)有熱處理之后進(jìn)行,并且所述鍛鋼部件具有的組成包括:
      [0010] C:0? 20 重量%到 0? 40 重量%,
      [0011] Mn:0. 50 重量%到 1. 60 重量%,
      [0012] Cr:0? 40 重量%到 1. 50 重量%,
      [0013] A1 :0? 07 重量%到 0? 30 重量%,
      [0014] V:0? 03 重量%到 0? 20 重量%,
      [0015] Si:0. 10重量%到0. 40重量%,以及
      [0016] 余量的Fe和附帶雜質(zhì)。
      [0017] 在另一方面,本發(fā)明涉及被制造成具有包括以下化學(xué)組成的鍛鋼部件:
      [0018] C:0? 20 重量%到 0? 40 重量%,
      [0019] Mn:0? 50 重量%到 1. 60 重量%,
      [0020] Cr:0? 40 重量%到 1. 50 重量%,
      [0021] A1 :0? 07 重量%到 0? 30 重量%,
      [0022] V:0? 03 重量%到 0? 20 重量%,
      [0023] Si:0? 10重量%到0? 40重量%,以及
      [0024] 余量的Fe和附帶雜質(zhì);且鍛鋼部件通過(guò)以下項(xiàng)步驟制造:熱鍛、在熱鍛之后在不 進(jìn)一步進(jìn)行熱處理的情況下受控氣體冷卻以產(chǎn)生在整個(gè)鍛鋼部件大于50%的貝氏體的主 要貝氏體顯微結(jié)構(gòu)、機(jī)械加工以及滲氮。
      [0025] 在另一個(gè)方面,本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)鍛鋼部件的方法。所述方法可以包括將鋼坯 熱鍛,且接著在熱鍛之后在不進(jìn)行熱處理的情況下進(jìn)行滲氮,所述鋼具有的組成按重量計(jì) 包括:
      [0026] C:0? 20 重量%到 0? 40 重量%,
      [0027] Mn:0? 50 重量%到 1. 60 重量%,
      [0028] Cr:0? 40 重量%到 1. 50 重量%,
      [0029] A1 :0? 07 重量%到 0? 30 重量%,
      [0030] V:0? 03 重量%到 0? 20 重量%,
      [0031] Si:0. 10重量%到0. 40重量%,以及
      [0032] 余量的Fe和附帶雜質(zhì)。
      【附圖說(shuō)明】
      [0033] 圖1是去除典型熱處理步驟的示例性公開(kāi)的過(guò)程的示意圖;
      [0034]圖2是用于生產(chǎn)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的顯微結(jié)構(gòu)的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)圖;和
      [0035] 圖3是描述可以用于用增強(qiáng)的滲氮特性生產(chǎn)示例性微合金鋼的示例性公開(kāi)方法 的流程圖。
      【具體實(shí)施方式】
      [0036] 公開(kāi)了微合金化、空氣可硬化的具有增強(qiáng)的滲氮特性的主要貝氏體鋼。微合金化 的貝氏體鋼在滲氮來(lái)增加表面硬度之前不需要先前認(rèn)為實(shí)現(xiàn)所需硬度、韌性以及強(qiáng)度特性 所必需的多種熱處理過(guò)程的情況下可以經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生。如圖1中所示,在鋼部件的熱鍛后的 熱處理過(guò)程可以包括冷卻、重新加熱至奧氏體化溫度、淬火和回火。常規(guī)熱鍛過(guò)程需要這些 熱處理步驟以便獲得所需強(qiáng)度和韌性特性,而同時(shí)最終使用不會(huì)太難以機(jī)械加工的合適的 免機(jī)械加工部件。如果可以去除這些中間熱處理過(guò)程中的至少一些,就能夠顯著地節(jié)約成 本。用于熱處理能力的基本投資,以及用在熔爐和其它設(shè)備上的維修費(fèi)用可以減少。
      [0037] 根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)執(zhí)行方案的主要貝氏體顯微結(jié)構(gòu)是按體積包括至少50%的貝 氏體顯微結(jié)構(gòu)的顯微結(jié)構(gòu)。某些實(shí)施例按體積可以具有至少70%的貝氏體顯微結(jié)構(gòu)。其 它實(shí)施例按體積可以具有至少85%的貝氏體顯微結(jié)構(gòu)。貝氏體是一種在大約250°C到 550°C(取決于合金含量)的溫度中形成鋼的顯微結(jié)構(gòu)。貝氏體是分解產(chǎn)物之一,其會(huì)在當(dāng) 奧氏體(居于鐵的立方晶體結(jié)構(gòu)中心的面)被冷卻超過(guò)臨界溫度727°C(1340華氏度)時(shí) 形成。貝氏體顯微結(jié)構(gòu)可以在外觀和硬度特性上類(lèi)似于回火馬氏體。
      [0038] 精細(xì)的非薄片狀結(jié)構(gòu)的貝氏體通常包括滲碳體和富含錯(cuò)位的鐵素體。貝氏體中 存在的鐵素體的高濃度錯(cuò)位使這種鐵素體比通常情況下的更硬。如圖2
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