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、凸輪和鏈輪之類的動力傳動部件常常要經(jīng)受高壓、扭矩負(fù) 載以及沖擊加載。被稱為"滲氮"的氮化表面硬化過程通常包括使機(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、耐磨性以及對某種類型腐蝕和表面應(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，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。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)公開了用于通過稱為氣體軟氮化過程來進(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部件的低扭曲鋼。砂心硬度通過添加合金而不是通過熱 處理來實現(xiàn)。在由如乳制過的鋼條或鍛件機(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，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小時到6小時。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。此外，添加合金鋼以實現(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的美國專利第4, 853, 049號（' 049 專利）中描述了經(jīng)濟(jì)的穿透硬化滲氮等級合金鋼的嘗試。'049專利公開了一種穿透硬化滲 氮等級的合金鋼，其因已經(jīng)淘汰昂貴合金（例如鉬）而是經(jīng)濟(jì)的。在'049專利中公開的鋼 實現(xiàn)了期望的特性，包括硬化度，在回火期間對硬度損失的抗性，并且通過使用小的、仔細(xì) 地控制其量的鋁（A1)和釩（V)而極大地提升了對滲氮的反應(yīng)。
[0007] 雖然在' 049專利中公開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專利描述了在由公開的合金鋼生產(chǎn)的產(chǎn) 品的初始熱鍛之后進(jìn)行多個熱處理過程。這些熱處理過程包括通過將鍛造產(chǎn)品加熱到大約 870°C(1600華氏度）達(dá)大約一個小時的時間段來硬化所述鍛造產(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，并且接著對其進(jìn)行 滲氮。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)和過程生產(chǎn)的貝氏微合金鋼解決了上述問題中的一個或多個 以及/或者在本領(lǐng)域中的其它問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 在一個方面，本發(fā)明涉及具有通過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)；且鍛鋼部件通過以下項步驟制造：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 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)。
【附圖說明】
[0033] 圖1是去除典型熱處理步驟的示例性公開的過程的示意圖；
[0034]圖2是用于生產(chǎn)本發(fā)明的示例性實施例的顯微結(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方法 的流程圖。
【具體實施方式】
[0036] 公開了微合金化、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增加表面硬度之前不需要先前認(rèn)為實現(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，而同時最終使用不會太難以機(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）被冷卻超過臨界溫度727°C(1340華氏度）時 形成。貝氏體顯微結(jié)構(gòu)可以在外觀和硬度特性上類似于回火馬氏體。
[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位的鐵素體。貝氏體中 存在的鐵素體的高濃度錯位使這種鐵素體比通常情況下的更硬。如圖2