用於製造由冷塑性變形成形的鋼件的鋼及其方法

2023-10-23 22:10:02 2

專利名稱：：用於製造由冷塑性變形成形的鋼件的鋼及其方法
技術領域：
：本發明涉及用於製造由冷塑性變形成形的鋼件的鋼及其方法。許多鋼件，特別是高性能的機械零件通過冷鍛或冷壓，更常見的是使熱軋鋼坯料冷塑性變形來製造。所用的鋼的碳含量在0.2-0.42％(重量)之間。該鋼與Cr，或與Cr-Mo，或與Ni-Cr，或與Ni-Cr-Mo，或最後與Mn-Cr合金化，從而達到足夠的淬透性，以便在淬火後獲得馬氏體組織。為了退火後獲得希望的機械性能是需要這種組織的，所述的機械性能一方面是高的抗拉強度，另一方面是好的塑性。為了能夠冷成形，該鋼預先必須經球化處理或最大程度的軟化熱處理，這包括在650℃以上溫度長時間保溫，可能是保溫幾十小時。該處理使此鋼有球化的珠光體組織，它是容易冷變形的。該技術具有缺點，尤其是需要三次熱處理，這三次熱處理使製造複雜化從而增加成本。本發明的目的是通過提供一種製造機械零件的方法來補救這個缺陷，該機械零件由具有高性能的鋼製成，該零件是通過使此鋼冷塑性變形成形，不需要進行球化處理或最大程度軟化熱處理或退火熱處理。因此，本發明的主題是一種鋼，它用於製造由冷塑性變形成形的鋼件，該鋼的化學成分(重量％)包括0.03％≤C≤0.6％0.5％≤Mn≤2％0.05％≤Si≤0.5％0％≤Cr≤1.8％0％≤Mo≤0.25％0.001％≤Al≤0.05％0.001％≤Ti≤0.05％0％≤V≤0.15％0.0005％≤B≤0.005％0.004％≤N≤0.012％0.001％≤S≤0.09％任選地最多0.005％的Ca，最多0.01％的Te，最多0.04％的Se和最多0.3％的Pb，餘為Fe和因冶煉產生的雜質，該鋼的化學成分還滿足以下關係Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V≥2.2％和Al+Ti≥3.5×N該鋼的化學成分最好為0.06％≤C≤0.12％0.8％≤Mn≤1.7％0.1％≤Si≤0.35％0.1％≤Cr≤1.5％0.07％≤Mo≤0.15％0.001％≤Al≤0.035％0.001％≤Ti≤0.03％0％≤V≤0.1％0.001％≤B≤0.004％0.004％≤N≤0.01％0.001％≤S≤0.09％任選地最多為0.005％的Ca，最多為0.01％的Te，最多為0.04％的Se和最多為0.3％的Pb。餘為Fe和因冶煉而產生的雜質。更好是雜質或殘餘元素的含量同時或分別為Ni≤0.25％Cu≤0.25％P≤0.02％本發明還涉及一種由冷塑性變形成形的鋼件的製造方法，它包括作為唯一的熱處理的淬火。術語「淬火」，從此貫穿下文，廣義上說，指的是一種足夠快的，獲得實際上不是鐵素體-珠光體組織並且主要也不是馬氏體組織的冷卻步驟。除了淬火，該方法的要點是熱軋鋼的半成品，以獲得熱軋產品，及任選地由此熱軋產品切成坯料和通過冷塑性變形使此坯或熱軋產品成形。旨在使此鋼件基本上為貝氏體組織的這種淬火可在冷成形之前，同在其後一樣好地進行。當在冷成形之前進行淬火時，在熱軋狀態下立即淬火同經重加熱到AC3以上的奧氏體化後淬火同樣合適。當淬火在冷成形之後進行時，在通過重加熱到AC3以上的奧氏體區後進行淬火。最後，本發明涉及由本發明鋼製造的，通過冷成形獲得的鋼件，所說的鋼的截面壓下率Z大於45％，更好是大於50％，其抗拉強度Rm大於650MPa，對於一些用途而言甚至大於1200MPa。通常，而且希望的是，此鋼件基本上為貝氏體組織，即由50％以上的貝氏體構成的組織。現在通過下面的實施例更詳細地敘述和說明本發明本發明鋼的化學成分(重量％)包括—0.03-0.16％，更好0.06-0.12％的碳，以便在冷成形期間獲得高的加工硬化性，從而防止形成對塑性不利的粗大碳化物，並使冷成形不需要進行球化處理或最大軟化退火操作而得以進行；—0.5-2％，更好為0.8-1.7％的錳，以便保證好的鑄造性能，並獲得足夠的淬透性和合乎要求的機械性能；—0.05-0.5％，更好是0.1-0.35％的矽，它是使鋼脫氧所需的元素，特別是當鋁含量低時需要的元素，但是其量太高時，促進不利於冷成形性和塑性的硬化。—0-1.8％，更好0.1-1.5％的鉻，以便將淬透性和機械性能調整到該零件所希望的水平，鉻含量不得超過使此鋼在軋態太硬或導致形成不利於冷成形性和塑性的馬氏體的值；—0-0.25％，更好是0.07-0.15％的鉬，以便與硼協同，保證此構件各部分的均勻淬透性。—任選地0-0.15％，更好小於0.1％的釩，以便當需要時獲得高的機構性能(抗拉強度)；—0.0005-0.005％，更好是0.001-0.004％的硼，以便提高所需的淬透性；—0-0.05％，更好0.001-0.035％的鋁，和0-0.05％，更好是0.001-0.03％的鈦，鋁和鈦含量之和大於或等於氮含量的3.5倍，以便獲得好的冷成形性和好的塑性所必需的細晶組織；—0.004-0.012％，更好是0.006-0.01％的氮，以便通過形成氮化鋁，氮化鈦或氮化釩而不形成氮化硼來控制晶粒度；—大於0.001％的硫，來保證起碼的機加工性能，以便使此零件最終精加工，但是硫要小於0.09％，以便保證好的冷成形性，可通過添加最多為0.005％的Ca或添加最多為0.01％的Te來改進機加工性能以及由冷塑性變形體現的良好成形性，在這種情況下，使Te/S之比保持在接近0.1為好，或添加最多為0.05％的Se，在這種情況下使Se含量接近S含量為好，或最後添加最多為0.3％的Pb，在這種情況下，必須降低S含量；餘為鐵和冶煉時產生的雜質。該雜質主要是—磷，其含量必須小於或等於0.02％為好，以便保證在冷成形期間和之後有好的塑性；—銅和鎳，兩者被認為是殘餘元素，其每種含量必須小於0.25％為好。最後，該鋼的化學成分必須滿足如下關係Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V≥2.2％它保證錳、鉻、鉬和釩含量的總和能獲得合乎要求的強度性能和主要為貝氏體的組織。該鋼的優點是能很容易地進行冷塑性變形和不需要使此鋼退火就可能獲得具有優越塑性和高機械性能的貝氏體型組織。特別是，塑性可由截面壓下率Z來測量，該比值大於45％，甚至大於50％。抗拉強度Rm大於650MPa，並可能超過1200MPa。當冷成形前該鋼由於熱軋還為熱態進行淬火時，和在冷成形之前或之後，通過加熱到AC3以上而奧氏體化後進行淬火時均可獲得這些性能。為製造冷成形零件，提供了用本發明鋼製的半成品，在重加熱到940℃以上後將其熱軋，以便獲得熱軋產品，如棒、方坯或絲棒。在第一實施方案中，在900-1050℃之間的溫度停止熱軋。熱軋產品，當其由於熱軋還是熱的時，按照其橫截面通過使用鼓風、油、噴霧、水或添加了聚合物的水使之冷卻而直接淬火。然後將這樣獲得的產品切成坯，通過例如冷鍛或通過冷壓使之冷成形。冷成形後直接獲得的最終機械性能主要起因於由冷成形操作產生的加工硬化。在第二個實施方案中，熱軋後，將奧氏體化後的此軋制產品淬火，然後切成將通過冷塑性變形成形的坯，或在淬火前切成坯，然後冷成形。在這兩種情況下，奧氏體化的重點是在AC3和970℃之間加熱，而淬火則按照產品的橫截面以鼓風、油、噴霧、水或添加了聚合物的水冷卻進行。冷成形後立即獲得的最終機械性能主要起因於此成形操作產生的加工硬化。在該實施方案中，終軋條件同樣不特別重要。在第三實施方案中，對從該熱軋產品上切下的坯進行冷成形操作，然後在冷成形後進行淬火。在上述情況下，在加熱到AC3和970℃之間後通過鼓風、油、噴霧、水和添加了聚合物的水的冷卻來淬火。而終軋條件不特別重要。主要適用於製造機械零件的本發明也適用於製造冷拉棒、拉拔絲和剝皮的盤條，該冷拉、拔絲和去皮是通過冷塑性變形成形的特殊方法。可將拉拔棒和盤條或拉拔絲去皮、刮削或磨削，以使其表面光潔無缺陷。術語「冷成形鋼件」包括所有這些產品，術語「坯」主要包括棒、條或絲的任何部分，在某些情況下，在冷成形前不將棒，條或絲切成坯。最後，本發明可用來製造預處理棒或預處理條或絲，或更一般地是預處理鐵類冶金產品，這些產品打算就在這種狀況下用於通過冷成形而沒有其它熱處理時製造零件的。將這些鐵類冶金產品在熱軋後，當它們由於熱軋還是熱的時候，立即淬火或奧氏體化處理後淬火，從而產生主要是貝氏體的組織(貝氏體≥50％)。為具有光潔無缺陷表面，將其去皮或刮削。現通過實施例說明本發明。第一實施例冶煉本發明鋼，其化學成分(重量％)包括C＝0.065％Mn＝1.33％Si＝0.34％S＝0.003％P＝0.014％Ni＝0.24％Cr＝0.92％Mo＝0.081％Cu＝0.23％V＝0.003％Al＝0.02％Ti＝0.02％N＝0.008％B＝0.0035％從而滿足如下條件Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V＝2.27％≥2.2％和Al+Ti＝0.040％≥3.5×N＝0.028％使用這種鋼，在再加熱到940℃以上後熱軋來製造方坯，以便形成直徑16mm，25.5mm和24.8mm的圓鋼(或棒)。1)16mm直徑圓鋼該16mm直徑圓鋼在990℃停軋，在下述三種條件(按照本發明)下，當此圓鋼由於熱軋還是熱的時將其淬火A以5.3℃/秒的速度冷卻，等效於鼓風淬火；B以26℃/秒的速度冷卻，等效於油淬；C以140℃/秒的速度冷卻，等效於水淬。淬火圓鋼冷成形前的機械性能和其冷塑性變形成形的能力通過在冷態下直至斷裂的拉伸和扭轉試驗來評價(扭轉試驗的結果以「試件斷裂前的扭轉次數來表示)結果如下:主要隨淬火條件而變的硬度和抗拉強度隨冷卻速度的增加而增加。但是，在所有的情況下，由於截面壓下率Z始終顯著大於50％，而扭轉到斷裂時的次數總大於3，所以塑性和冷變形性是優越的。為了確定用這些圓鋼通過冷塑性變形成形而製成的零件的機械性能，進行冷扭轉-拉伸試驗，其結果如下冷扭轉-拉伸試驗的要點是在進行室溫拉伸試驗前，將試樣進行3次冷扭轉，以便模擬塑性變形成形。強度的增加與在加工硬化態(扭轉3次之後)和正常態(扭轉3次之前)之間的強度相應的增加相一致。所獲得的結果表明，甚至在大的冷變形(扭轉3次)之後，截面壓下率保持大於50％，並表明抗拉強度可超過1200MPa.。用冷扭轉變形後強度的增加測得的加工硬化在所有情況下都是高的。2)直徑25.5mm圓鋼在冷成形前，在950℃奧氏體化後，在下述條件(按照本發明)下對直徑25.5mm圓鋼淬火D鼓風冷卻(在950和室溫之間，平均冷卻速度為3.3℃/秒)；E油冷(在950℃和室溫之間，平均冷卻速度為22℃/秒)；F；水冷(在950℃和室溫之間，平均冷卻速度為86℃/秒)/對該圓鋼進行冷鍛成形試驗，該試驗的要點是通過擠壓沿母線開有缺口的園柱體測量極限擠壓係數(L.C.F)。以％表示的該極限擠壓係數是在沿園柱母線開的缺口在冷壓力鍛期間出現第一個裂口時的擠壓量。通過比較的方法，也可對現有技術的的冷鍛鋼測量L.C.F，該鋼化學成分為C＝0.37％Mn＝0.75％Si＝0.25％S＝0.005％Cr＝1％Mo＝0.02％Al＝0.02％為使該現有技術的鋼適於冷變形，預先已對其進行退火操作，以便使珠光體球化。所得的結果如下由極限擠壓係數可知儘管本發明鋼硬度較高，而且不管強度水平如何，即使它很高(處理F)，它的冷鍛成形性也比現有技術的鋼高得多。3)直徑24.8mm圓鋼在軋後和冷成形前，在930℃奧氏體化前，在下述本發明條件下將24.8mm直徑圓鋼淬火G鼓風淬火H油淬將這樣處理的圓鋼冷鍛，以便製造汽車輪的萬向節，測得的其機械性能如下這些結果表明，不管初始處理如何，在冷鍛零件上獲得的塑性都是很高的(Z≥50％)而且，這與強度水平無關。此外，在這兩種情況下，由於已檢驗該零件既無內部的，又無外部的任何缺陷所以該圓鋼很適於冷鍛成形。使用其它直徑24.8mm圓鋼(與前一個相同)，通過冷鍛製成同樣的轉向節。該圓鋼是經軋制的，在冷成形操作後進行了淬火的圓鋼。該淬火在940℃奧氏體化後進行的。在這些條件下，在該萬向節上獲得的性能如下Rm＝1077MPaZ＝73％熱軋態下這些結果表明使用本發明鋼，儘管因在熱軋態下淬火而使強度水平高，但圓鋼冷鍛後仍可獲得很好的塑性(Z≥50％)。此外，本發明鋼證明是完全適於在軋制狀態下，不需要象在現有技術鋼上所進行的預先球化處理而冷鍛成形，該萬向節事實上表明，沒有任何內部的或外部的缺陷。為了比較，使用現有技術的，成分如下的C＝0.195％Mn＝1.25％Si＝0.25％S＝0.005％Ni＝0.25％Cr＝1.15％Mo＝0.02％Cu＝0.2％Al＝0.2％的鋼製造同樣的萬向節。為了獲得類似於按本發明所獲得的那些機械性能，則需要使用下述製造方法·為了使該鋼適於冷成形將其球化退火；·萬向節的冷鍛；·根據現有技術對鋼油淬；·根據現有技術對鋼回火；第二實施例使用本發明鋼1和2，通過冷壓也製造機械零件，鋼1和2的化學成分(重量％)為鋼1鋼2C＝0.061％0.062％Mn＝1.6％1.57％Si＝0.28％0.29％S＝0.021％0.021％P＝0.004％0.004％Ni＝0.11％0.11％Cr＝0.81％0.8％Mo＝0.081％0.128％Cu＝0.2％0.2％Al＝0.028％0.025％Ti＝0.017％0.016％V＝0.002％0.084％B＝0.0039％0.0038％N＝0.007％0.008％因此滿足如下條件在鋼1的情況下Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V＝2.43≥2.2％Al+Ti＝0.045％≥3.5×N＝0.024％在鋼2的情況下Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V＝2.59≥2.2％Al+Ti＝0.041％≥3.5×N＝0.028％按照本發明，以直徑28mm棒的形式熱軋這些鋼。軋制後和冷成形前。在950℃奧氏體化後使該棒經受50℃的溫油淬處理。為形成坯將棒切斷，以60％的變形程度通過冷壓由此坯製成零件。在冷壓之前在此坯上和冷鍛打後在此零件上獲得的機械性能如下:(*)＝冷成形加工硬化性這些結果表明儘管冷變形度很高，塑性仍是高的(Z≥50％)，這與該鋼初始強度水平(冷壓之前)和最終強度水平(冷壓之後)無關，即使最終強度水平很高也是如此，這還表明根據冷壓而造成的強度的增加所測出的加工硬化性也是高的。此外，儘管高的初始強度水平和高的冷變形(60％)，由於冷壓的零件證明是無論內部的或外部的均無缺陷的所以冷壓成形性是優越的。這些實施例表明本發明的鋼和方法，不需要進行昂貴的球化處理或回火處理就可通過冷塑性變形製造零件，以獲得很好塑性(Z≥50％)。特別是由於鋼的高加工硬化性，使零件可獲得與很高機械性能(Rm≥1200MPa)相結合的高塑性(Z≥50％)。最後，即使該鋼的初始強度(或硬度)水平和冷變形度都高，也可達到很好的冷鍛或冷壓成形性。權利要求1.用於製造由冷塑性變形成形的鋼件的鋼，其特徵在於其化學成分(重量％)包括0.03％≤C≤0.16％0.5％≤Mn≤2％0.05％≤Si≤0.5％0％≤Cr≤1.8％0％≤Mo≤0.25％0.001％≤Al≤0.05％0.001％≤Ti≤0.05％0％≤V≤0.15％0.0005％≤B≤0.005％0.004％≤N≤0.012％0.001％≤S≤0.09％任選地最多為0.005％的Ca，最多為0.01％的Te，最多為0.04％的Se和最多為0.3％的Pb，餘為Fe和冶煉時產生的雜質，該鋼的化學成分還滿足如下關係Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V≥2.2％和Al+Ti≥3.5×N。2.按照權利要求1的鋼，其特徵在於其化學成分為0.06％≤C≤0.12％0.8％≤Mn≤1.7％0.1％≤Si≤0.35％0.1％≤Cr≤1.5％0.07％≤Mo≤0.15％0.001％≤Al≤0.035％0.001％≤Ti≤0.03％0％≤V≤0.1％0.001％≤B≤0.004％0.004％≤N≤0.01％0.001％≤S≤0.09％任選地最多為0.005％的Ca，最多為0.01％的Te，最多為0.04％的Se和最多為0.3％的Pb，餘為Fe和冶煉時產生的雜質。3.按照權利要求2的鋼，其特徵在於其化學成分為Ni≤0.25％Cu≤0.25％。4.按照權利要求2或3的鋼，其特徵在於其化學成分為P≤0.02％。5.製造由冷塑性變形成形的鋼件的方法，其特徵在於提供由權利要求1-4中任一項的鋼製成的半成品；在將該半成品重加熱到940℃以上的溫度後，將其熱軋，然後在900-1050℃之間的溫度停軋，以獲得軋制產品；當該軋制產品由於熱軋還是熱的時，立即將其淬火，以使它主要是貝氏體組織；任選地，由熱軋產品切成坯；和通過冷塑性變形將此坯或軋制產品成形，以獲得具有最終機械性能的零件。6.製造由冷塑性變形成形的鋼件的方法，其特徵在於提供由權利要求1-4中之任一項的鋼製成的半成品；將該半成品熱軋，以獲得軋制產品；在將此軋制產品重加熱到AC3點以上後，將其淬火，以便使其基本上為貝氏體組織，任選地，由此軋制產品切成坯；和通過冷塑性變形將此坯或軋制產品成形，以獲得具有最終機械性能的零件。7.製造由冷塑性變形成形的鋼件的方法，其特徵在於提供由權利要求1-4中之任一項的鋼製成的半成品；將該半成品熱軋，以獲得軋制產品；任選地，由此軋制產品切成坯；通過冷塑性變形將此坯或軋制產品成形，以獲得零件；和在將該零件重加熱到AC3點以上後，將其淬火，以使其基本上為貝氏體組織和具有最終機械性能。8.冷成形鋼件，其特徵在於它由權利要求1-4中之任一項的鋼製成而其截面壓下率Z大於45％，及該鋼的抗拉強度Rm大於650MPa。9.按照權利要求8的鋼件，其特徵在於該鋼的抗拉強度Rm大於1200MPa。10.按照權利要求8或9的鋼件，其特徵在於它基本上為貝氏體組織。11.熱軋的鐵類冶金產品，其特徵在於它由權利要求1-4任一項的鋼製成，並且基本上為貝氏體組織。全文摘要用於製造由冷塑性變形成型的鋼件的鋼,其化學成分(重量%)包括:0.03%≤C≤0.16%,0.5≤Mn≤2%,0.05%≤Si≤0.5%,0%≤Cr≤1.8%,0%≤Mo≤0.25%,0.001%≤Al≤0.05%,0.001%≤Ti≤0.05%,0%≤V≤0.15%,0.005%≤B≤0.005%,0.004%≤N≤0.012%,0.001%≤S≤0.09%;餘為Fe和因冶煉而產生的雜質,該鋼的化學成分還滿足如下關係式:Mn+0.9×Cr+1.3×Mo+1.6×V≥2.2%和Al+Ti≥3.5×N。製造由冷塑性變形成型的鋼件的方法和所獲得的鋼件。文檔編號C22C38/14GK1195708SQ9712081公開日1998年10月14日申請日期1997年12月30日優先權日1996年12月31日發明者C·皮查德申請人:阿斯克邁塔爾公司