用於冷成形高性能機器零件的具有良好耐氫性的微合金化鋼的製作方法

2023-08-07 01:21:31

專利名稱：用於冷成形高性能機器零件的具有良好耐氫性的微合金化鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於冷成形(特別是通過精壓)組裝零件例如螺釘、 螺栓等的微合金化鋼，汽車工業通常使用所述組裝零件用於組裝車輛 接地部件或發動機部件。
背景技術：
眾所周知，汽車工業不斷致力於提高發動機的動力，同時試圖減 輕發動機重量，因此使用尺寸越來越小的零件。因此，保持承受相同 機械應力的這些零件必須具有越來越高的機械性能，特別是拉伸強度。
到目前為止，例如用於汽車緊固件的極大多數的微合金化鋼都使
得能夠獲得歸入10. 9級的螺釘,因此對其賦予1000MPa以上的拉伸強 度。這樣的強度已經很高了，還可以在組裝所述零件時通過緊固螺釘 將該強度人為增加約100~ 200MPa。然而，應當理解這樣的操作本身 不能用作期望提高拉伸強度的方法。
涉及其製造冶金學的另一種方式即"自然"方式立刻面臨與鋼中 存在的氫有關的脆化問題。眾所周知，這是因為鋼中的氫是導致延遲 斷裂機制或甚至有時是即刻斷裂機制的原因，這將使得處於使用狀態 的零件在施加某一應力水平期間斷裂。
已經有人提出具有非常高機械性能(強度在1300MPa以上)的用 於螺釘的微合金化鋼種，目的是改善其耐氫性。例如，1991年12月 的USP 5073338中描述的鋼種就是如此，在該鋼種中添加的鉬量至多 為1重量％，最少為O. 5重量％。
然而，可能擔憂鋼在精壓(frappe)期間經受的熱處理導致塊狀 鉬碳化物在金屬基體的某些局部積聚，這將使鋼結構脆化，從而導致 不能始終獲得所需機械性能。因為該硬化元素的大量存在導致鋼的硬度增加，隨之可能出現的另一個缺陷為冷變形性有些變差。此外，鉬 是市場上特別昂貴的產品，因此，向鋼中加入大量的鉬導致生產成本 過高。
然而，儘管有這些缺陷，文獻中提出的旨在用於緊固件的微合金
化鋼種似乎堅持高鉬含量的方向，以便能夠獲得高於1300MPa的機械 強度水平。例如，2001年2月公開的文獻JPA 2001032044中描述的 鋼種就是這樣，在這種鋼種中，鉬的含量為1.5~3重量。/。。 2007年1 月公開的文獻EPA 1746177中描述的鋼種也是這樣，在這種鋼種中， 鉬含量可以高達6%，不能低於O. 5%。
因此，從上述對現有技術的概述可見，事實上似乎通過冶金學可 以相對容易地獲得用於具有高機械強度的零件的微合金化鋼，而未必 由此削弱耐氫性，但當有意設定低鉬含量時就很不容易獲得這樣的結 果了。

發明內容
與現有技術釆用的方法相比，本發明的目的是提供經濟的微合金 化鋼，為此目的，將該鋼的鉬含量有意設定為小於0. 45重量％,而且
該鋼具有良好的耐氫性，同時使得能夠在由該鋼生產的最終即用零件 中獲得高機械性能。
為此目的，本發明的一個主題是用於冷成形高性能機器零件的具 有良好抗氫脆性的微合金化鋼，其特徵在於，為了使鉬的含量低於 0.45重量％，該鋼的化學組成，除了鐵和來自煉鋼的不可避免的殘餘 雜質外，符合下列分析結果，以重量百分數計
0. 3《C%《0. 5
0. 20德％<0. 45
0. 4衡％化0
0.化Cr。"2. 0
0. 04《Ni%《0. 8
0. 02，0/"0. 0450. 03，《0. 30
0. 02《Ti%《0. 05,且Ti>3. 5N 0. 003，^0. 005%
S%《0. 015
P就015，
且任選地0. 05《Si^0. 20; A""O. 05且脆O. 015。
本發明的另 一個主題是由微合金化鋼製得的長的軋制鋼產品(線 材或棒材)，其通過以鋼坯或鋼錠形式進行連鑄荻得，且其具有的化 學組成符合上述給定分析結果以便使其經過冷成形及淬火和回火熱處 理進行轉變後能夠表現出1200 ~ 1500MPa及以上的機械強度，兼具良 好的耐氬性。
本發明的又一個主題是特別通過精壓冷成形的即用機器零件，其 具有高機械性能以及良好的耐氫性，其特徵在於，所述機器零件由符 合上述給定化學組成的微合金化鋼製得，且優選從通過以鋼坯或鋼錠 形式進行連鑄得到的長的軋制鋼產品(棒材或更常見為線材)製得。 還優選地，所述機器零件為用於汽車工業中的組件的有頭螺釘。 應理解，事實上對本發明而言，0. 20~ 0. 45%的鉬含量範圍足以
這些其它元素一方面是鈮、釩和鈦(所述元素均以析出狀態起作用， 因此有利於鋼組織的晶粒硬化和晶粒細化)，另一方面，硼的存在是 為了增加鋼種的淬硬性，且硼的存在將使得在適用於通過精壓或其它 方法的冷成形的標準熱處理條件下，能夠最終獲得主要為馬氏體的顯 微組織。
還應著重指出，本發明所釆用的用於熔煉這樣的低鉬含量鋼種的 途徑產生了比現有技術中的鋼種能夠耐受更高氫含量的微合金化鋼。 為了達到此目的，不再通過簡單的傳統方法(即陷捕該元素)，而是 通過三種不同途徑的結合，對鋼種進行優化以便應對與氫有關的問題。 實際上，已經進行的研究能夠表明，鋼的耐氬性可由各種獨立因素引 起，例如化學組成或顯微組織，以及在零件使用前已經存在於鋼中的氫的量，這將是容易理解的。
因此，根據本發明通過如下三種途徑處理氫
1. 一陷捕法。本發明的鋼種的特徵在於增多的且多樣化的氫陷阱， 以便避免會使鋼的結構脆化和機械強度削弱的同類碳化物在單 一位置 的積聚。具體地，鉬不再是有利的氫陷阱，因為該鋼種為此目的還含 有鈮、鈦、鉻和釩。
2. —分布法。例如硼、鈮、鉬、釩和鈦的元素是有利的，因為它 們允許晶粒細化，這使得能夠提高耐氫性。特別地，由於增加的晶粒 細度導致晶界表面積的增加，使氫更好地分布在鋼中，因而減少其危 害。
3. —消除法。在對釆用本發明的鋼製備的精壓零件進行最終的淬
火和回火熱處理期間，可部分地除去為了精壓而在材料製備階段期間
引入鋼中的氫。回火溫度的升高有利於這種脫氣。這通過硬化元素的
存在而實現這種升高，所述硬化元素例如釩、鈦、鉬和鈮，以及硼通 過其與鈮和鉬的協同作用而使回火溫度能夠朝著該方向發展。本發明
的鋼種使得能達到約400。C以上的回火溫度。
從而，例如對於通過冷精壓生產有頭螺釘而言，能夠在緊固之前 尋求螺釘的更高機械強度。採用本發明的鋼種生產的"即用"零件實 際上很容易具有1200MPa或者甚至1500MPa的最終拉伸強度(並且， 取決於對於最終熱處理而施加的設定溫度該強度甚至更高)，而在恰 恰於精壓之前進行的球化退火結束時，其預先顯示出至少為一半或甚 至僅僅為三分之一的中間強度，以便有利於精壓加工。
具體實施例方式
通過下面的描述將對本發明有更好的理解，其它方面以及優點也 將更加清楚，僅通過給出用於汽車工業的螺釘的示範性實施方案的方 式進行所述描述。
由鋼廠通過連鑄由微合金化鋼生產的長的半成品(鋼坯或鋼錠)， 除了鐵和設定的低於0.45%的鉬之外，還具有下述化學組成，以重量百分含量計
- 0. 3~ 0. 5%的碳。
對於低於0. 3%的含量，依據鋼種中存在的其它元素含量和高的目標回火溫度不能獲得所需的非常高強度。而對高於0. 5%的含量，由於硬度增加，脆化風險增加；
-至少0. 20%的鉬，但無需達到或超過0. 45%，原因已經闡述過。鉬與磷的相互作用強烈，通過限制鉬在晶界的偏析限制了其破壞作用。此外，鉬顯示出顯著的碳化物形成形為。對於給定的機械性能，鉬允許較高的回火溫度，其結果是有利於作為氫陷阱的碳化物的形成。因此，鉬是提高抗延遲斷裂性的元素；
-0. 4~1.0%的錳。
作為通常準則，增加錳含量趨於降低鋼的抗延遲斷裂性。這可起因於錳與硫的相互作用，該相互作用導致了錳硫化物的形成。當超過1%錳左右的閾值時，如果不釆取充分預防措施加以避免，則錳與硫的該相互作用甚至可導致鋼的氬脆性增加。然而，錳對於鋼的淬硬性具有有益影響，因而對於在所製得零件中獲得所需最終機械性能具有有益影響；
-小於0. 015 %的磷。
由於若千原因，磷的影響在本發明的鋼中特別有害。通過複雜的氫的再結合作用，磷促成較高濃度的能夠滲入材料的原子氬，從而導致使用中的零件發生延遲斷裂的風險增加。而且，磷通過在晶界處偏析降低了晶界結合力。因此，磷含量絕對要保持非常低。為此目的，必須在液態熔煉期間採取措施以確保使鋼脫磷；
一 0. 05~ 0. 2%的矽。矽在鋼處於液態進行熔煉期間充當鋼的脫氧劑。以固溶體形式存在於凝固的金屬中的矽，也能夠增加鋼的強度。然而，在太高含量下
(高於0.2%)，矽可具有有害影響。在熱處理例如球化處理期間，矽具有形成晶間氧化物的趨勢，因而降低了晶界的結合力。太高的矽含量還通過使基體過度硬化降低鋼的冷變形性。主要出於該原因，對本發明的鋼種而言，將矽的最大含量設定為0.2%;
—最高0. 05%的鋁。
鋁是鋼在液態下的脫氧劑。因而在熱軋期間，鋁以氮化物的形式促進控制奧氏體晶粒粗化。另一方面，當其以過大的量存在時，可導致鋼中鋁酸鹽型夾雜物的粗化，據證明這可損害金屬的性能，特別是其韌性；
- 0. 4~2.0%的鉻。
通常，由於其硬化作用而需要鉻。和鉬一樣，鉻減緩了在回火期間的軟化，允許更高的回火溫度，這不僅有利於脫氣，還有利於陷捕氫的碳化物的形成。在過高含量下，由於過度增加了鋼的硬度，將使得難以通過精壓對其成形；
- 0. 04~ 0. 8%的鎳。
該元素提供金屬強度的增加，且對抗脆斷性具有有益作用。鎳還以公知方式改善了鋼的抗腐蝕性。
-0. 02 ~ 0.045 %的鈮，0. 03~ 0. 30%的釩，及0. 02~0. 05%的鈦。
通常將這三種元素添加到液態鋼中以增加該材料的硬度。在此，在上述範圍內，它們也將以幾種方式提高抗延遲斷裂性。它們將促進奧氏體晶粒細化並且形成陷捕氫的析出物。此外，鈮陷捕磷。最終，每種元素的硬化作用使得能夠在更高溫度下進行回火操作。這裡設定它們的最大含量以便避免獲得過大尺寸的析出物，所述析出物將使鋼抗延遲斷裂性劣化。
特別地，當以過大的量添加鈮時，將導致在連鑄時在鋼坯和鋼錠的表面出現"裂紋，，缺陷的風險增加。這些缺陷(如果不能完全消除的話)可證明對最終零件的整體性能非常有害，特別在疲勞強度和耐
氬性方面。這就是為何本發明的鋼種的鈮含量必須保持低於0.045 %的原因；
-0. 003 0. 005 %的硼。
由於硼在先前奧氏體晶界偏析，因此即使其含量非常低，也能夠提高抗氫致延遲斷裂性。硼能顯著提高鋼的淬硬性，因而使得能夠限制為了獲得所需馬氏體顯微'組織所需的碳含量。硼通過其固有作用增加了晶界的結合力，還使磷在這些晶界處的偏析更困難。最終，硼與鉬和鈮協同作用，因而提高了這些元素的有效性並且增加了它們各自含量所允許的自身影響。然而，過量(高於0. 005 °/。)的硼將導致脆性鐵硼碳化物的形成；
一小於0. 015 %的硫。
硫對鋼而言是有害元素，當氫存在時，硫顯示出了其所有的有害性，這是因為，硫與氫特別通過形成H2S而具有附加的(即協同的)影響，特別當處於潮溼環境中時，H2S將無法阻止地導致零件快速物理劣化。而且在此方面，^L的影響比磷更加顯著。因此，必須儘可能限制疏的含量，儘可能接近零，在任何情況下都不要超過這裡規定的0. 015%的極限。因此，在鋼廠中在鋼的液態熔煉時必須仔細地對鋼進行脫硫；
-小於150ppm的氮。
認為氮是有害的。氮通過形成硼氮化物陷捕硼，這使得該元素在鋼的淬硬性方面的作用失效。然而，少量添加時，則氮特別通過形成鈦氮化物(TiN)和鋁氮化物(A1N)而能夠使鋼在經受熱處理期間避免 奧氏體晶粒的過度粗化。同樣在該情況下，氮允許碳氮化物析出物的 形成，這將有利於陷捕氫。
該優化的組成使得能夠具有非常良好耐氫性，同時當該鋼經最終 熱處理後轉變成即用的精壓零件時，將具有大於1200MPa，甚至可超 過1500MPa的最終機械強度，同時保持進行該轉變的標準方式不變。
必要時，在鋼重新加熱到高於IIOO'C之後，根據標準的操作將半 成品的鋼(鋼錠或更通常為鋼坯)在奧氏體區進行熱軋，直至獲得在 冷卻到室溫後便於提供給用戶的長的軋制產品。因而該長的鋼產品為 用於預期應用的棒材形式，或更通常是巻繞線材形式。
然後通過冷精壓將線材轉變成螺釘，大致以下文常規方式
轉變設備接受線材，且在機械去除氧化皮(或者酸洗，任選繼之 以中和)後，在中性氣氛(例如氮氣)下對線材進行退火。然後，在 對線材進行除油汙後進行第一次拉絲操作，稱為粗拉絲，為此提供預 先表面塗層，常規地進行磷化處理並皂洗。在該拉絲操作期間，線材 的直徑減小約30%。
然後對獲得的經粗拉絲的線材進行球化處理，通過實現硬度暫時 下降(中間值Rm約為500MPa)，將使得能夠有利於在精壓操作期間 的後續成型，從而保護工具。在該第一次熱處理之後進行酸洗、磷化 處理和皂洗以便進行第二次拉絲操作。第二次拉絲為最終的拉絲操作， 也稱為"最終定尺寸"拉絲操作。直徑縮小率比先前更適度，通常小 於10% 。
然後容易地對具有約500MPa的暫時削弱強度的線材進行冷精壓。 對剛精壓的螺釘首先進行脫磷，然後進行最終的淬火和回火熱處理， 還進行最終軋制操作以賦予螺紋最終外觀。可以在熱處理之前或之後 進行軋制。有利地，回火可以在比標準操作更高的溫度下進行，即在 約400。C以上的溫度下，卻不會妨礙製備的即用螺釘達到所需最終拉 伸強度，即Rm為1200 1500MPa及以上。當然，進行回火的溫度越高， 最終Rm將越低。隨後，對螺釘表面進行清洗，並用磷酸鹽層進行塗覆，或在適當 時，進行任何其它合適的化學或電化學塗覆。
應當指出，如果為了提供良好耐氫性而對鋼種進行了特殊的熔煉， 當然希望在線材轉變過程期間引入儘可能少的氫。然而，用於轉變成 精壓和塗覆的零件的這些工藝通常自然地成為引入氫的發生源。例如 在酸洗期間，浴液參數(溫度、酸的性質及濃度、鐵的汙染、抑制劑 的含量等)對於氫向鋼中的引入具有影響。與此類似，由於磷化處理 也是氫的發生源，因此對處理參數進行優化是合適的，以便在該轉變 階段儘可能多地限制金屬的吸氫。本領域的技術人員的知識在淬火前 的奧氏體化步驟期間也將起到重要的作用。特別是已經表明，當沒有 採取足夠的預防措施時，成形過程的該步驟可導致向鋼中滲入不可忽 略的氫。
下面採用數值表格形式給出與本發明的微合金化鋼相關的 一些數 據，並將該鋼種與已知鋼種進行對比。
對具有如下化學組成(以重量百分數計)的鑄件進行實驗室測試
CMnPSSiCrMoNbVTiB
A0,360,480,0060,0080，071，170,550，0350,130,020,0025
B0，370,790,014O，Ol0,081，200,310,033O，ll0,020,0026
C0,360，640,0130,010，08l，ll0,450,037O，ll0,020,0025
D0,380,790,0060,0070,071，160，200,0350,140,020,0024
42CD40，410,870,0110,0050,221，040，15—一—
其中每次，A1<0. 05。/。且N《0. 015%。
還應指出，取決於鋼的製造方法，且特別是當由廢鐵進行熔煉時， 鋼中可含有高達0. 15%的銅。
鑄件A和42CD4為現有技術中的已知鋼種。鑄件B、 C和D是根據
本發明的鋼種的實施例。
特別地，已知的鋼種A具有的鉬含量大於0. 5% ，而已知的鋼種
42CD4不含鈮、或釩或鈥或硼。
獲得的最終零件的機械性能如下表所示，其中A (Z)表示頸縮(strict ion ):
T\ (。C)Rm (MPa)A (Z) in%
A> 4001538< 5
B> 4001S32<5
C> 4001545< 5
I>> 4001535< S
42CD4> 400150516,5
第二列Tt表示最終零件淬火後的回火溫度。第三列Rm給出了由 對標準化試驗試樣進行拉伸試驗確定的拉伸強度。
關於抗延遲斷裂性(最後一列)，這些結果由對加載有(charg") 氬和未加載有氬的標準化試驗試樣進行緩慢拉伸試驗(0. OOS ~ 0. 01mm/min，而通常為5mm/min)獲得。氫的加載條件對所測試的五 個鋼種都是相同的。引入試驗試樣中的氫的量大於由精壓操作引入的 量。抗延遲斷裂性用A (Z)表示，即未加栽的試驗試樣的平均Z值減 去加載的試驗試樣的平均Z值，Z是試驗試樣在其伸長過程中斷裂時 頸縮的量度。換句話說，當鋼加載有氫時，頸縮的減少量越高(因此 △ (Z)越高)，鋼對延遲斷裂的抵抗性越低。
可見，本發明的鋼種B、 C和D使得能夠獲得與鉬含量大於0.5% 的已知鋼種A相當的耐氫性和機械強度結果。也含有極少量的鉬但不 含鈮、釩、硼或鈦的已知鋼種42CD4從機械強度觀點給出了良好結果， 但沒有提供令人滿意的耐氫性。
因此，在本發明限定的條件下存在元素如鈦、硼、釩和鈮對於獲 得具有高機械性能的鋼種，以及使具有低鉬含量的鋼種表現出改善的
抗延遲斷裂性是至關重要的。
因此，根據本發明的微合金化鋼是卓越的，不僅因為其具有良好 的冷機械變形能力(精壓或鍛造)和良好的耐氫性(抗延遲斷裂性)， 還因為在淬火和回火熱處理後其使得能夠獲得具有非常高拉伸強度的 即用的機器零件。
具體地，在經歷冷精壓的線材中能夠暫時維持低強度(如小於 550MPa)及高延展性，然後，在將其轉變成即用的零件後，通過常規淬火/回火熱處理將該相同機械強度提高至三倍(1500MPa以上)水平 並保持良好的延展性。
因此，當將本發明的鋼種調節(conditionn"為從通過以鋼坯或 鋼錠形式進行連鑄獲得的線材或更通常為熱軋的長鋼產品時，其成為 工業生產具有所需高機械性能的組裝零件(例如用於汽車工業的螺釘) 的可選原材料。
不言而喻，本發明並不僅限於剛剛描述的實施例，而是延伸到多
種變體和等同替代方式，只要其符合在所附權利要求中給出的限定。
因此，儘管最初構想本發明是為了應對汽車工業面臨的運動車輛 的重要部件的耐受性隨時間產生問題的特別需求，然而，本發明在生 產任何小型和中型尺寸的機器零件方面具有更通常的應用，所述小型 和中型零件例如鉚釘、箍圏、鉤環、各種緊固件等，只要其要求高的 標準拉伸強度(Rm為1200MPa以上)以及良好的抗氫脆性。
權利要求
1.用於冷成形高性能機器零件的具有抗氫脆性的微合金化鋼，其特徵在於，為了保持鉬的含量低於0.50重量％，該鋼的化學組成，除了鐵和來自鋼熔煉的不可避免的殘餘雜質外，還符合下列分析結果，以重量百分數計0.3≤C％≤0.50.20≤Mo％＜0.450.4≤Mn％≤1.00.4Cr％≤2.00.04≤Ni％≤0.80.02≤Nb％≤0.0450.03≤V％≤0.300.02≤Ti％≤0.05，且Ti＞3.5N0.003≤B％≤0.005％S％≤0.015P％≤0.015，和任選0.05≤Si％≤0.20；Al％≤0.05且N％≤0.015。
2. 根據權利要求1所述的鋼，其特徵在於，所述鋼處於熱軋的棒 材或線材形式，並通過以鋼錠或鋼坯形式進行連鑄獲得。
3. 鋼的線材或棒材，其特徵在於，其由根據權利要求1所述的微 合金化鋼製成，以使其通過冷成形以及淬火和回火熱處理的轉變而能 夠表現出1200MPa-1500MPa及以上的機械強度，且兼具有良好的耐氫性。
4. 即用的機器零件，其特徵在於，其由根據權利要求3所述的線 材通過冷成形得到。
5. 冷成形的即用機器零件，其具有高的機械性能以及耐氬性，其 特徵在於，該機器零件由微合金化鋼製成，為了保持該微合金化鋼的 鉬含量低於0. 45重量％，該鋼的化學組成，除了鐵和來自煉鋼的不可 避免的殘餘雜質外，還符合下列分析結果，以重量百分數計0. 3《C%《0. 5 0. 20《Mo%3. 5N 0. 003《B%《0. 005%S就015P就015，和任選0. 05《Si%《0. 20; A1%^0. 05且N%《0. 015。
6. 根據權利要求5所述的機器零件，其特徵在於，所述機器零件 是有頭螺釘。
7. 根據權利要求6所述的螺釘，其特徵在於，所述螺釘是汽車工 業生產的車輛的發動機部件或接地的組件。
全文摘要
根據本發明的鋼，其特徵在於，為了保持鉬含量低於0.45重量％，該鋼的化學組成，除了鐵和來自煉鋼的不可避免的殘餘雜質外，還符合下列分析結果，以重量百分數計0.3≤C％≤0.5 0.20≤Mo％＜0.45 0.4≤Mn％≤1.0 0.4≤Cr％≤2.0 0.04≤Ni％≤0.8 0.02≤Nb％≤0.045 0.03≤V％≤0.30 0.02≤Ti％≤0.05，且Ti＞3.5N 0.003≤B％≤0.005％ S％≤0.015 P％≤0.015，和任選0.05≤Si％≤0.20；Al％≤0.05及N％≤0.015。通過冷成形從連鑄獲得的熱軋線材，在熱處理後能夠獲得「即用的」精壓零件例如用於汽車工業的有頭螺釘，其提供1200MPa至大於1500MPa的拉伸強度，同時具有良好的抗氫脆性，還特別具有受控的「原材料」生產成本。
文檔編號C22C38/44GK101688281SQ200880009306
公開日2010年3月31日 申請日期2008年4月9日 優先權日2007年4月12日
發明者B·勒錫亞克, B·斯特拉克, M·孔費特, R·卡蒂亞爾 申請人:安賽樂米塔爾岡德朗日公司