具有增強(qiáng)的材料特性的空氣可硬化貝氏體鋼的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及一種空氣可硬化的貝氏體鋼，更具體地，涉及一種具有增強(qiáng)的 材料特性的空氣可硬化的貝氏體鋼。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于機(jī)械的結(jié)構(gòu)部件，例如在履帶式推土機(jī)底盤上使用的履帶鏈節(jié)，需要具有以 下材料特性，包括良好的屈服強(qiáng)度、良好的耐磨性能、良好的韌性以及良好的抗?jié)L動接觸疲 勞。在履帶式機(jī)器的履帶上使用的履帶鏈節(jié)，在行業(yè)內(nèi)是眾所周知的，這些履帶式機(jī)器例如 為推土機(jī)或其他推土設(shè)備。履帶鏈節(jié)通常具有下部，或鏈節(jié)本體，和上部，或鏈節(jié)的導(dǎo)軌部 分。重要的是，履帶鏈節(jié)的導(dǎo)軌部分具有高的表面硬度，然而履帶鏈節(jié)的本體部分可以具有 低的表面硬度，用于增強(qiáng)機(jī)械加工性能。由于導(dǎo)軌部分連續(xù)不斷地接觸履帶支重輪而受到 嚴(yán)重的磨損和碎裂，因此導(dǎo)軌部分的高表面硬度是必要的。履帶鏈節(jié)本體部分的低表面硬 度使得更易于在本體部分中加工用于襯套的孔。履帶鏈節(jié)本體部分的低表面硬度也使襯套 和履帶鏈節(jié)本體上的孔之間形成壓配合而不會產(chǎn)生過多的殘余應(yīng)力。
[0003]用于獲得履帶鏈節(jié)或其它結(jié)構(gòu)部件所需要的材料特性的制造工藝通常包括將鋼 坯熱鍛造為部件、隨后冷卻、再加熱至奧氏體化溫度、淬火以及回火。這些熱處理工藝之后 可以緊接著在最終機(jī)械加工之前對部件的至少選定部分另行加熱、再次淬火，以及再次回 火。履帶鏈節(jié)的處理過程包括：首先將鋼部件加熱到大約1150°c-1350°c，使材料進(jìn)入奧氏 體相區(qū)，然后熱鍛造部件。然后將部件緩慢冷卻至室溫，接著進(jìn)行兩次熱處理工藝。在第一 次熱處理工藝中，履帶鏈節(jié)被再次加熱到奧氏體化溫度，被淬火至室溫，然后被回火至大約 30-39洛氏硬度（HRC)的硬度。在第二次熱處理工藝中，僅僅是履帶鏈節(jié)的導(dǎo)軌部分被通 過感應(yīng)局部再加熱，被淬火到室溫，以及被回火至51-57HRC的硬度。這些熱處理工藝使履 帶鏈節(jié)具有堅(jiān)硬的導(dǎo)軌和硬度較低的履帶鏈節(jié)本體。然后鏈節(jié)本體被加工成最終形狀。熱 處理工藝顯著地增加了生產(chǎn)部件的費(fèi)用，而且也需要大量對爐的資金投入和持續(xù)的維護(hù)費(fèi) 用。
[0004] 于1999年3月9日授予給Bhadeshia的第5, 879, 474號美國專利（下文稱為 "' 474專利"）中提及了一種生產(chǎn)替代型鋼材的嘗試，所述鋼材具有良好的耐磨性和抗?jié)L動 接觸疲勞性能，外加提高的延展性、韌性和可焊性水平。'474專利公開了用于制造鋼軌的鋼 材，其中鋼材旨在提供高強(qiáng)度、耐磨性和抗?jié)L動接觸疲勞的微結(jié)構(gòu)，其在導(dǎo)軌的頭部中含有 無碳化物的"貝氏體"，具有一些高碳馬氏體和殘留奧氏體。
[0005] 盡管在' 474專利中公開的合金鋼可以提供改善的耐磨性和抗?jié)L動接觸疲勞，但 生產(chǎn)成本和材料特性的進(jìn)一步改善仍然是可能的。特別地，'474專利描述了大量昂貴合金 元素如鉻（Cr)和鉬（Mo)的使用，以提高滾動接觸疲勞強(qiáng)度、延展性、彎曲疲勞壽命和斷裂 韌性的水平，并使其滾動接觸耐磨性與現(xiàn)有熱處理珠光體鋼軌相近或比后者更好。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)和過程生產(chǎn)的貝氏體微合金化鋼解決了上述一個(gè)或多個(gè)問題 和/或本領(lǐng)域的其它問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)鍛造鋼部件的方法，其包括提供鋼坯，其組 成按重量計(jì)包括：
[0008] C:0? 25-0. 40 重量％，
[0009] Mn:1. 50-3. 00 重量 ％，
[0010] Si:0? 30-2. 00 重量％，
[0011] V:0?00-0? 15 重量％，
[0012] Ti:0? 02-0. 06 重量％，
[0013] S:0? 010-0. 04 重量％，
[0014] N:0? 0050-0. 0150 重量％，
[0015] Cr:0? 00-1. 00 重量％，
[0016] Mo:0?00-0? 30 重量％，
[0017] B:0?00_0? 005 重量％，以及
[0018] 余量的Fe和偶存雜質(zhì)，將鋼坯加熱至大約1150°C_1350°C的奧氏體溫度，將鋼坯 熱鍛造成鋼部件，并在熱鍛造之后對鍛造鋼部件進(jìn)行受控空氣冷卻。
[0019] 在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種空氣可硬化的貝氏體鋼部件，其組成按重量計(jì)包 括：
[0020] C:0? 25-0. 40 重量％，
[0021] Mn:1. 50-3. 00 重量 ％，
[0022] Si:0? 30-2. 00 重量％，
[0023] V:0?00-0? 15 重量％，
[0024] Ti:0? 02-0. 06 重量％，
[0025] S:0? 010-0. 04 重量％，
[0026] N:0? 0050-0. 0150 重量％，
[0027] Cr:0? 00-1. 00 重量％，
[0028] Mo:0?00_0? 30 重量％，
[0029] B:0?00_0? 003 重量％，
[0030] 余量為Fe和偶存雜質(zhì)，以及整個(gè)鋼部件中貝氏體微結(jié)構(gòu)按體積計(jì)大于50 %的微 結(jié)構(gòu)。
[0031] 在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種鍛造鋼部件，所述鍛造鋼部件被制造成其化學(xué)組 成按重量計(jì)包括：
[0032] C:0? 25-0. 40 重量％，
[0033] Mn:1. 50-3. 00 重量 ％，
[0034] Si:0? 30-2. 00 重量％，
[0035] V:0?00-0? 15 重量％，
[0036] Ti:0? 02-0. 06 重量％，
[0037] S:0? 010-0. 04 重量％，
[0038] N:0? 0050-0. 0150 重量％，
[0039] Cr :0? 00-1. 00重量％，
[0040] Mo :0?00_0? 30重量％，
[0041] B :0?00-0? 003重量％，
[0042] 余量為Fe和偶存雜質(zhì)，以及整個(gè)鋼部件中貝氏體微結(jié)構(gòu)按體積計(jì)大于50%的微 結(jié)構(gòu)，并且鍛造鋼部件通過如下步驟制成：熱鍛造、在熱鍛造之后進(jìn)行受控空氣冷卻以制備 鍛造鋼部件中貝氏體大于50%的貝氏體微結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行最終機(jī)械加工。
【附圖說明】
[0043] 圖1是省略了典型的熱處理步驟的示例性公開方法的示意圖；
[0044]圖2是制備本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT)圖；以及
[0045] 圖3是描繪了可用于制備具有增強(qiáng)特性的示例性微合金化貝氏體鋼的示例性公 開方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 本發(fā)明公開了一種微合金化的、可空氣硬化的、以貝氏體為主的鋼，其具有增強(qiáng)的 強(qiáng)度、耐磨性和韌性特性。在無需多次熱處理工藝的情況下，可以經(jīng)濟(jì)地制備微合金化貝 氏體鋼，而之前認(rèn)為，為得到所期望的強(qiáng)度、耐磨損性和韌性特性，這些熱處理工藝是必需 的。如圖1所示，在鋼部件的熱鍛造之后的典型的熱處理工藝可以包括冷卻、再加熱至奧氏 體化溫度、淬火和回火。這些熱處理工藝之后，可以在最終機(jī)械加工之前使用感應(yīng)對鋼部件 的選定部分進(jìn)行二次再加熱、二次淬火和二次回火。傳統(tǒng)的熱鍛造過程可能需要至少第一 順序的熱處理步驟，包括再加熱、淬火和回火，以便獲得期望的強(qiáng)度和韌性特性，并且同時(shí) 最終獲得對于機(jī)械加工來說不太硬的部件。如果可以省去這些中間熱處理工藝中的至少一 些，那么可以顯著節(jié)約成本。可以降低用于熱處理能力的資本投資以及對爐和其他設(shè)備的 維護(hù)成本。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，微合金化貝氏體鋼可以具有必要的組成，并且在熱 鍛造之后冷卻以得到約50-55洛氏硬度C(HRC)的硬度，甚至在最終機(jī)械加工之前不需要進(jìn) 行感應(yīng)再加熱、淬火和回火。
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)現(xiàn)方式，以貝氏體為主的微結(jié)構(gòu)為包含至少按體積計(jì)50%的 貝氏體微結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)。某些實(shí)施方式可以具有至少按體積計(jì)70%的貝氏體微結(jié)構(gòu)。其他 實(shí)施方式可以具有至少按體積計(jì)85%的貝氏體微結(jié)構(gòu)。貝氏體是一種在約250°C至550°C 下（取決于合金含量）形成于鋼中的微結(jié)構(gòu)。貝氏體是分解產(chǎn)物之一，其可以在當(dāng)奧氏體 (鐵的面心立方晶體結(jié)構(gòu)）冷卻通過取決于合金含量的727°C(1340°F)的臨界溫度時(shí)形 成。貝氏體微結(jié)構(gòu)可以在外觀和硬度特性上與回火的馬氏體相似。
[0048] 精細(xì)的、非層狀結(jié)構(gòu)的貝氏體通常含有滲碳體和富位錯(cuò)的鐵素體。貝氏體中存在 的鐵素體中的高濃度的位錯(cuò)使得這種鐵素體比其正常情況下更硬。如圖2的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 (CCT)圖所示，轉(zhuǎn)變成貝氏體的溫度范圍（250°C_550°C)