專利名稱：機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼，熱-成形該鋼零件的方法和由此而得的零件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵和鋼的冶金，更確切地，涉及由鋼制成的零件的制造，該鋼特別地可以用于機(jī)械結(jié)構(gòu)，并用已知的“觸變鍛造”(thixoforging)工藝成形。
觸變鍛造屬于半-固態(tài)金屬成形的工藝范疇。
該工藝由加熱至固相線和液相線之間的坯料產(chǎn)生大幅度的變形組成。用于該工藝的鋼是那些常規(guī)用于熱-鍛造的，并且如果必要，預(yù)先進(jìn)行冶金操作的鋼，該冶金操作由球化常規(guī)為樹枝狀的原始組織組成。事實(shí)上。這些樹枝狀原始組織是不能適用于觸變鍛造操作的。在加熱到固相和液相間溫度的過程中，存在于樹枝晶和樹枝晶間隙之間的微觀偏析就會(huì)使得鋼的熔化優(yōu)先發(fā)生在這些樹枝晶間隙間。在這些液體和固體內(nèi)部生長的成形操作期間，液相在施加力初始的第一階段就會(huì)被擠出。因此有必要使固相和液相的殘余變形以最大限度的從固相中分離，這就會(huì)導(dǎo)致力的增加。在此條件下進(jìn)行的變形操作得到的結(jié)果較差大幅度偏析，內(nèi)部缺陷。
另一方面，當(dāng)觸變鍛造用于通過加熱到液相線和固相線之間溫度而使其達(dá)到半一固體狀態(tài)的球形結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，液相中的球形固體顆粒分布均勻。通過優(yōu)化固體/液體比的選擇，就可能得到在相當(dāng)大剪切應(yīng)力的作用下具有高變形率的材料。它因此而具有較高的可變形能力。
然而在一定的條件下，可能在觸變鍛造前的加熱過程中就能得到所需的球形結(jié)構(gòu)，而不必要進(jìn)行球化分離原始結(jié)構(gòu)的操作。特別的，當(dāng)在由來自連鑄初軋坯和鋼錠的軋制條材制成的坯料上操作時(shí)就是這種情況。鋼承受的多重再加熱和大幅度變形會(huì)導(dǎo)致疊層和彌散結(jié)構(gòu)，其中原始結(jié)構(gòu)實(shí)際上是不可能呈現(xiàn)的。它可以在觸變鍛造前的加熱期間得到球形結(jié)構(gòu)的固相。
與常規(guī)的熱一鍛造方法相比，觸變鍛造可以采用一個(gè)單一的變形操作生產(chǎn)可能具有很低成形力的薄壁(1mm或更少)的復(fù)雜幾何形狀的零件。事實(shí)上，在外部壓力的作用下適于觸變鍛造操作的鋼的行為與粘性液體相同。
對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼來說，其中的碳含量可以從0.2％至1.1％變化，通過觸變鍛造工藝變形所必需的加熱溫度，舉例來說，對(duì)于100Cr6鋼種是1430℃+50℃＝1480℃(測(cè)定的固相線溫度+50℃以得到變形所必需的好的液相/固相比)和1315℃+50℃＝1365℃。
加熱溫度和形成液相的量是觸變鍛造工藝的重要參數(shù)。得到“好”溫度的容易程度和限制液相量的變化的離散此溫度的范圍取決于凝固范圍。凝固范圍越大，控制加熱參數(shù)越容易。
例如，此凝固范圍對(duì)于C38鋼種是110℃，對(duì)于100Cr6鋼種是172℃。因此處理具有低固相線溫度1315℃的后一鋼種就較容易。
觸變鍛造工藝中所用的非常高的成形溫度、大的變形率導(dǎo)致在常見的極端情況下變形工具上的熱應(yīng)力。這就會(huì)導(dǎo)致使用熱態(tài)時(shí)具有很高機(jī)械性能的合金或陶瓷材料的那些工具。制造一定幾何體或大體積工具(插入件)的難度和生產(chǎn)它們的成本減緩了觸變鍛造工藝的發(fā)展。
本發(fā)明的目的是提出新鋼種，它比那些常規(guī)使用的鋼種能更好地適用于觸變鍛造，因?yàn)樗鼈兛梢越档统尚螠囟?，從而在變形工具上具有較小的熱應(yīng)力，還因?yàn)樗鼈儠?huì)改善觸變鍛造期間鋼的行為。而且，這些新鋼種不會(huì)降低制得零件的機(jī)械性能。
為此目的，本發(fā)明涉及一種機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼，特征在于其組成(重量百分?jǐn)?shù))是-0.35％≤C≤2.5％-0.10％≤Mn≤2.5％-0.60％≤Si≤3.0％-痕量≤Cr≤4.5％-痕量≤Mo≤2.0％-痕量≤Ni≤4.5％-痕量≤V≤0.5％-痕量≤Cu≤4％，如果Cu≥0.5％，則Cu≤Ni％+0.6Si％-痕量≤Al≤0.060％-痕量≤Ca≤0.050％-痕量≤B≤0.01％
-痕量≤S≤0.200％-痕量≤Te≤0.020％-痕量≤Se≤0.040％-痕量≤Pb≤0.070％-痕量≤Nb≤0.050％-痕量≤Ti≤0.050％余量為鐵和來自加工中的雜質(zhì)。
Mn％/Si％的比優(yōu)選大于或等于0.4。
此鋼也可以含有痕量≤P≤0.200％，痕量≤Bi≤0.200％，痕量≤Sn≤0.150％，痕量≤As≤0.200％，痕量≤Sb≤0.150％，且P％+Bi％+Sn％+As％+Sb％≤0.200％。
本發(fā)明還涉及一種熱-成形鋼零件的方法，特征在于-獲得具有前述成分的鋼坯；-如果需要，對(duì)鋼坯進(jìn)行熱處理，以使其獲得球形原始結(jié)構(gòu)；-在固體部分具有球形結(jié)構(gòu)的條件下，將其加熱到其固相線溫度和液相線溫度之間的中間溫度；-對(duì)所述坯體進(jìn)行觸變鍛造以得到所述零件；-對(duì)所述零件進(jìn)行冷卻。
所述觸變鍛造優(yōu)選在坯料中存在的液相物質(zhì)部分為10～40％的溫度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。
所述冷卻優(yōu)選在靜止空氣中進(jìn)行，或者以比空氣中的自然冷卻速度更慢的速度進(jìn)行。
正如可以理解的一樣，本發(fā)明基本由向通常通過觸變鍛造制造零件的鋼種中大量增加硅含量的技術(shù)構(gòu)成。
事實(shí)上，硅的加入可以降低固相線的溫度，和在更小的范圍內(nèi)，降低液相線的溫度。因此在具有相同液體部分下，鋼的觸變鍛造實(shí)施溫度就會(huì)降低。而且，凝固范圍就會(huì)增加，導(dǎo)致觸變鍛造實(shí)施更加容易，因?yàn)閷?duì)于操作溫度的準(zhǔn)確度變得不是那么重要。另一方面，硅具有提高金屬流動(dòng)性的性能。
Mn％/Si％比優(yōu)選保持大于或等于4。事實(shí)上，如果由于高的硅含量(例如1％或更多)導(dǎo)致流動(dòng)性增加，則太低的錳含量就不能在連鑄期間的冷卻過程中給予金屬足夠的機(jī)械性能，從而有出現(xiàn)裂紋的危險(xiǎn)。這種裂紋在觸變鍛造后的冷卻中也會(huì)由于同樣的原因出現(xiàn)，當(dāng)零件的厚度變化較大導(dǎo)致局部冷卻速度有很大不同時(shí)更加突出。因此如果鋼的機(jī)械性能不足時(shí)，可能有利于裂紋出現(xiàn)的應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的變化，該硅的加入可以與其他向硅一樣可以在晶界偏析的元素(磷、鉍、錫、砷、銻)一起加入。
本發(fā)明在閱讀參考附圖的下列描述后會(huì)更好理解，其中

圖1表示第一種參考鋼和由根據(jù)本發(fā)明的鋼而來的第一種鋼中作為溫度函數(shù)的液相比例；圖2表示第二種參考鋼和由根據(jù)本發(fā)明的鋼而來的第二種鋼中作為溫度函數(shù)的液相比例。
為了減少觸變鍛造期間施加于工具的應(yīng)力，并且使之方便操作，本領(lǐng)域技術(shù)人員首要的解決方法，正如所述，由通過添加碳來降低加工溫度組成。此解決方法可以降低液相線和固相線溫度。然而，其缺陷在于它對(duì)鋼的機(jī)械性能有較大影響。
發(fā)明人設(shè)想對(duì)應(yīng)力的有益影響可通過添加在晶界處具有強(qiáng)烈偏析趨勢(shì)的元素(硅、磷、鉍、錫、砷和銻)來獲得。
這種強(qiáng)烈偏析不是能經(jīng)常找到的。
事實(shí)上，該偏析區(qū)域在比固相線低的溫度熔化(一般稱為燃燒溫度)，對(duì)對(duì)常規(guī)的熱-成形操作(軋制和鍛造)是不利的。
在一定的鍛造或軋制溫度下，低于變形金屬母體的固相線溫度，液體區(qū)域的存在是由于在低熔點(diǎn)偏析的元素，既使在固體晶界非常少的量(少許％)也會(huì)導(dǎo)致成形材料解體；這就是控制這些成形方法中變形機(jī)理的固體部分和成形所必須的壓力導(dǎo)致了(部分或全部)材料的破裂，這對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)和其性能都是不利的。在液相大于10％的情況下，觸變鍛造就是這種情況，材料是兩-相的，在變形期間會(huì)導(dǎo)致非常不同的行為固體顆粒包含在液體中，如果固體顆粒間相互接觸(稱為搭橋)，破壞它們所必須的非常微弱的應(yīng)力就不會(huì)引起材料的毀壞。
在觸變鍛造的情況下，其中大大超出燃燒溫度，偏析區(qū)域的熔化產(chǎn)生液體坑，這會(huì)促成和加速鋼內(nèi)液相的形成。因此促進(jìn)此現(xiàn)象是有利的。
因此，依靠本發(fā)明，如果不繼續(xù)添加上述至少一種元素，特別是硅，是可以獲得在低于通常必須的溫度下順利進(jìn)行融變片的連所必須的夜相的量的。
根據(jù)本發(fā)明的鋼的碳含量可以在0.35％～2.5％變化。在此條件下，可以得到適宜用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的觸變鍛造鋼零件所需的冶金結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和耐磨性。碳含量必須根據(jù)所需用途進(jìn)行選擇。
根據(jù)本發(fā)明的鋼的硅含量可以在0.60～3％變化。和碳一樣，硅可以降低固相線和液相線溫度和擴(kuò)大凝固范圍。它也對(duì)其它元素的偏析有協(xié)同的作用。等同地，它可以提高金屬的流動(dòng)性。由于所述原因，Mn％/Si％比優(yōu)選大于或等于0.4。
錳的含量可以是0.10～2.5％。它應(yīng)該根據(jù)所需機(jī)械性能，與碳和硅的含量一起進(jìn)行調(diào)整。它對(duì)液相線和固相線溫度有相對(duì)較小的影響。相對(duì)于參考鋼，得到一個(gè)最優(yōu)的Mn％/Si％比使得不得不與硅的含量一起大幅度增加錳的含量，其它是相同的。
鉻含量可以是痕量～4.5％。
鉬含量可以是痕量～4.5％。
鎳含量可以是痕量～4.5％。
鉻、鉬和鎳含量的調(diào)整可以確保生產(chǎn)的零件的機(jī)械性能抗破裂、屈服強(qiáng)度和彈性。
釩的含量是痕量～0.5％。在彈性不重要的應(yīng)用中，該元素可以獲得高機(jī)械性能的鋼，它能代替更昂貴的富鉻和/或富鉬和/或富鎳的鋼。
銅含量可以是痕量～4.0％。該元素可以增加機(jī)械性能、增加抗腐蝕性能和降低固相線溫度。應(yīng)該注意，如果銅以高含量(0.5％和更多)存在，則鎳和/或硅也必須以足夠的含量存在以避免熱-軋制或鍛造問題的出現(xiàn)。一般認(rèn)為，如果Cu％≥0.5％，則有必要使Cu≤Ni％+0.6Si％。
鋁和鈣(脫氧元素)的含量，分別是對(duì)鋁為痕量～0.060％，對(duì)鈣為痕量～0.050％。
硼(硬化元素)含量是痕量～0.010％。
硫含量是痕量～0.200％。高含量有利于金屬的機(jī)械加工性特別是如果其中加入了，比如碲(最高達(dá)0.020％)，硒(最高達(dá)0.040％)和鉛(最高達(dá)0.070％)元素。這些用于機(jī)械加工性的元素對(duì)固相線和液相線溫度只有較小的影響。當(dāng)硫以較大的量加入時(shí)，最好使Mn％/S％的比至少為4以使熱-軋時(shí)缺陷不會(huì)形成。
鈮和鈦，當(dāng)它們被加入時(shí)，能夠控制晶粒尺寸。它們最大允許含量為0.050％。
關(guān)于除了硅的偏析元素，它們的存在應(yīng)該推薦，這些元素可以單獨(dú)存在或同時(shí)存在。如果它們單獨(dú)存在(也就是說，列表中的其它元素只以痕量存在)，為了得到顯著的效果，則必須至少有0.050％的磷、或0.050％的鉍、或0.050％的錫、或0.050％的砷或0.050％的銻。
磷、鉍、錫、砷和銻元素的總量最優(yōu)選大于0.050％而不能超過0.200％以避免出現(xiàn)上述提到的熱-軋制或鍛造中問題，從而能夠得到用于觸變變形的坯料。
自然地，在液體金屬生產(chǎn)過程中添加砷的情況下，必須采取所有的必要措施以使釋放的毒氣采用不毒害煉鋼車間工作人員的方法收集。事實(shí)上，砷的存在通常來自銅或錫的添加，砷一般通過雜質(zhì)伴隨其中。由于砷是一種高偏析元素，因此，必須考慮確保其與其它偏析金屬一起不會(huì)導(dǎo)致已提到的對(duì)熱變形的不利影響。
表1表示了由參考鋼和來自根據(jù)本發(fā)明鋼制成的第一對(duì)零件的成分。
表1參考鋼和根據(jù)本發(fā)明的鋼的試樣的成分(用重量％)
相對(duì)于參考鋼，可以看出，除了硅的大量加入外，為了重新建立與本發(fā)明優(yōu)選的需要一致的Mn％/Si％比，錳的含量也有很大的增加。
圖1代表這兩種鋼中作為溫度函數(shù)的液相比例。
測(cè)定的固相線溫度，對(duì)于參考鋼為1315℃，對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的鋼為1278℃。
測(cè)定的液相線溫度分別為1487℃和1460℃。這兩種鋼的凝固溫度范圍寬度分別為172℃和182℃。另一方面，鋼的液體部分所占比例為10～40％，且常被認(rèn)為是最適易觸變鍛造的溫度范圍是
-對(duì)參考鋼，從1370至1422℃；-對(duì)根據(jù)本發(fā)明的鋼，從1382至1388℃。
因此可以看到該范圍降低了大約30至40℃且范圍擴(kuò)大了8℃。所有在觸變鍛造期間能減少工具所受應(yīng)力和容易獲得的條件的事都有利于操作的進(jìn)行。如果在所述的限制范圍內(nèi)加入非硅的其它偏析元素，則此影響就會(huì)加強(qiáng)。
表2表示由參考鋼和來自根據(jù)本發(fā)明另一種鋼制成的第二對(duì)零件的成分。
表2參考鋼和根據(jù)本發(fā)明的鋼的成分(用重量％)
相對(duì)于參考鋼，正如前述實(shí)施例中的理由，根據(jù)本發(fā)明的鋼中錳的含量又增加了，但是比例減少，因?yàn)榇虽撝械墓韬吭诒景l(fā)明所需范圍的下限。
圖2表示這些鋼中作為溫度函數(shù)的液相的比例。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的鋼測(cè)定的固相線溫度為1430℃和1415℃。測(cè)定的液相溫度分別為1528℃和1515℃。這兩種鋼的凝固范圍寬度分別為98℃和100℃。另一方面，其中包含的液相部分比在10～40％的溫度范圍是-對(duì)參考鋼，從1470至1494℃；-對(duì)根據(jù)本發(fā)明的鋼，從1437℃至1469℃。
因此可以看到該范圍降低了大約30℃且其范圍擴(kuò)大了8℃。這有利于觸變鍛造期間工具上有較小的應(yīng)力。此效果還可以通過進(jìn)一步添加除硅外的偏析元素再次加強(qiáng)(特別是通過擴(kuò)大此范圍)。
關(guān)于實(shí)施本發(fā)明將要考慮的固相線和液相線溫度的確定，應(yīng)該注意，它們與那些在鋼成分基礎(chǔ)上，借助于文獻(xiàn)中通常采用的公式計(jì)算的結(jié)果并不總是一致的。事實(shí)上，這些公式在凝固期間從液體鋼到固體鋼的轉(zhuǎn)化和鋼的冷卻以及冷卻速度為每分鐘幾度的情況下是有價(jià)值的。
在考慮應(yīng)用于觸變鍛造的測(cè)量的條件下，測(cè)量必須通過從固體鋼開始直至液體鋼，也就是說，在鋼的加熱然后熔化的情況下。試驗(yàn)也在以每分鐘增加大約幾十度的條件下進(jìn)行，與觸變鍛造操作前的加熱條件一致。
如果球形結(jié)構(gòu)不存在或者在將進(jìn)行觸變鍛造的零件加熱到合適的溫度期間不能得到球形結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)根據(jù)本發(fā)明鋼實(shí)施的觸變鍛造操作，對(duì)于原始結(jié)構(gòu)的坯料，應(yīng)該在通過加熱處理的情況下進(jìn)行。正如所述，進(jìn)行這種預(yù)先的熱處理的必要性或其他情況特別決定于坯料的經(jīng)歷和其所承受的變形和熱處理。
如果坯料在觸變鍛造前突然冷卻，在觸變鍛造一定成分和經(jīng)歷的鋼前得到此種球形結(jié)構(gòu)，是可以被證實(shí)的。觀察到的結(jié)構(gòu)正如冷卻前的結(jié)構(gòu)。
關(guān)于觸變鍛造后的零件的冷卻，此冷卻必須在靜止空氣中進(jìn)行，而且在零件橫截面變化較大的情況下，此類零件很常見，不能以強(qiáng)制方式進(jìn)行，比如薄壁(1至2mm)與厚區(qū)域(5至10mm或更厚)連接。在這種情況下，是不能采用噴吹空氣的，因?yàn)闀?huì)有在薄壁和厚區(qū)域間引入大量殘余應(yīng)力的危險(xiǎn)。這會(huì)導(dǎo)致表面缺陷，降低觸變鍛造零件的性能。
在一定的條件下，有必要降低零件的冷卻以有助于其不同零件的結(jié)構(gòu)均一性。為了此目的，零件可以通過一個(gè)溫度控制在比如200-700℃的隧道。
然而，如果觸變鍛造的零件的橫截面中不會(huì)具有這種大幅度的變化，它可以在吹動(dòng)的空氣中有效冷卻。此冷卻有利于在零件的橫截面中得到均一的冶金結(jié)構(gòu)和好的機(jī)械性能。
權(quán)利要求
1.熱成形鋼零件的方法，特征在于-獲得具有以下成分的鋼坯-0.35％≤C≤2.5％-0.10％≤Mn≤2.5％-0.60％≤Si≤3.0％，且優(yōu)選Mn％/Si％≥0.4-痕量≤Cr≤4.5％-痕量≤Mo≤2.0％-痕量≤Ni≤4.5％-痕量≤V≤0.5％-痕量≤Cu≤4％，如果Cu≥0.5％，則Cu≤Ni％+0.6Si％-痕量≤Al≤0.060％-痕量≤Ca≤0.050％-痕量≤B≤0.01％-痕量≤S≤0.200％-痕量≤Te≤0.020％-痕量≤Se≤0.040％-痕量≤Pb≤0.070％-痕量≤Nb≤0.050％-痕量≤Ti≤0.050％可選地痕量≤P≤0.200％，痕量≤Bi≤0.200％，痕量≤Sn≤0.200％，痕量≤As≤0.200％，痕量≤Sb≤0.200％，且P％+Bi％+Sn％+As％+Sb％≤0.200％，余量為鐵和來自加工中的雜質(zhì)；-如果需要，可對(duì)鋼坯進(jìn)行加熱處理，以獲得球形原始結(jié)構(gòu)；-在固體部分具有球形結(jié)構(gòu)的條件下，將其加熱到其固相線溫度和其液相線溫度之間的中間溫度；-將所述坯料觸變鍛造以獲得所述零件；-將所述零件進(jìn)行冷卻。
2.如權(quán)利要求1的方法，特征在于所述觸變鍛造在坯料中存在的液體物質(zhì)部分在10～40％的溫度區(qū)域進(jìn)行。
3.如權(quán)利要求1或2的方法，特征在于所述冷卻在靜止空氣中進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求3的方法，特征在于所述冷卻在比在空氣中自然冷卻所得速度更慢的速度下進(jìn)行。
5.鋼零件，其特征在于是通過權(quán)利要求1-4的任一權(quán)利要求中的熱-成形方法制得的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的鋼，特征在于其以重量百分比計(jì)的成分為0.35％≤C≤2.5％；0.10％≤Mn≤2.5％；0.60％≤Si≤3.0％；痕量≤Cr≤4.5％；痕量≤Mo≤2.0％；痕量≤Ni≤4.5％；痕量≤V≤0.5％；痕量≤Cu≤4％，如果Cu≥0.5％，則Cu≤Ni％+0.6Si％；痕量≤Al≤0.060％；痕量≤Ca≤0.050％；痕量≤B≤0.01％；痕量≤S≤0.200％；痕量≤Te≤0.020％；痕量≤Se≤0.040％；痕量≤Pb≤0.070％；痕量≤Nb≤0.050％；痕量≤Ti≤0.050％；余量為鐵和來自加工中的雜質(zhì)。本發(fā)明還涉及一種熱－成形鋼零件的方法，特征在于獲得前述成分的鋼的坯料；將其加熱到其固相線溫度和其液相線溫度之間的溫度，以得到液相和球形固相，通過觸變鍛造成形所述坯料以得到所述零件，并將上述零件冷卻。最后，本發(fā)明涉及所制得的零件。
文檔編號(hào)C21D7/13GK1508275SQ20031012228
公開日2004年6月30日 申請(qǐng)日期2003年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者M·羅貝萊, M 羅貝萊 申請(qǐng)人:阿斯克邁塔爾公司