高硬度、高延展性的铁制品的制作方法

专利名称：高硬度、高延展性的铁制品的制作方法
技术领域：
使诸如链节的钢和其他铁制品奥氏体化，接着在一定温度下保温以使其至少60％的组织形态转变为贝氏体，然后使其处于环境温度下以使剩余的40％或者低于40％的组织形态转变为马氏体，接着对制品进行冷加工以获得极好的使用性能。
背景技术：
温度处理对钢和其他铁制品所产生的似乎无穷变化已经被研究和使用了数十年，但是还需要在硬度、抗拉强度、延展性和疲劳寿命等方面进行不断的改进。一些类型的钢制品-恒定地或频繁地受应力作用的钢制品-特别受益于在所有四个性能方面的改进。
Rice在美国专利US 4,225,365中介绍了下列关于奥氏体回火的主题(第1栏，53-64行)“于1933年8月29日授权给E.C.Bain等的美国专利US 1,924,099描述了一种被称为奥氏体回火的方法。这样的方法包括下列步骤(a)将钢制品加热到一个上限温度以上以确保该制品的组织形态发生变化，基本上达到100％奥氏体；(b)使该制品骤冷到低于约540℃(1000°F)但高于马氏体形成温度或者所谓的马氏体开始转变温度(Ms)的一个温度；以及(c)在足够长的预选时间内使该钢制品在这样一个中间温度下保温以改变制品的组织形态，形成不同于100％的马氏体。”Rice专利接着论述到，“通过选择预选的冷却速度必然能够将棒材或者类似制品的奥氏体微观结构直接转变为低贝氏体微观结构....”(第6栏，第42-45行)。在Olivera等的美国专利US 6,171,042和US 6,203,442中将奥氏体回火方法应用于销钉、垫圈和紧固件上-见’442专利的第3栏第30行和第6栏第32行。
论述将奥氏体转变为贝氏体的需求的其他现有技术包括Nakamura的美国专利US 4,470,854以及特别是Faust等人的美国专利US5,868,047，其中描述了与带有动力的螺丝刀结合使用的改进的镶刃刀头。Faust等在第1栏第30-40行中说到
“对于工具钢的钻头进行奥氏体回火以提高耐疲劳性能是已知的。奥氏体回火使钻头具有贝氏体的微观结构。将镶刃刀头加热到723℃以上的温度以使钢首先奥氏体化。接着，使钢冷却到马氏体开始转变温度以上的温度，例如300℃左右，在该温度下保温一段所需的时间以进行贝氏体转变。无需回火。奥氏体回火有助于在冷却过程中减少变形或者开裂并且能够生产出韧性比在相同的洛氏硬度(“HRC”)下的回火马氏体高的工具。”在Amateau等人的美国专利US 5,656,106中对时间/温度顺序进行了精密地控制。在Tipton等人的美国专利US 5,910,223中，利用一种与以上Faust的描述类似的工序，也是为了在已经制造的制品中产生一种贝氏体结构。在本领域中还有其他的工作者也关注奥氏体化后马氏体的形成-见Celliti等人的美国专利US 4,373,973。
Pfaffmann在美国专利US 4,637,844中认识到，一个制品的经过奥氏体化的部分可被完全或者大部分被转变为贝氏体，剩余部分为马氏体。Koo等人在美国专利US 5,900,075中根据特定的合金的元素获得了“大部分为粒状贝氏体和马氏体的微观结构”。Amett等人在美国专利US 6,080,247中通过努力在他们所研究的制品中获得一种奥氏体/马氏体微观结构。
如在Pichard的美国专利US 5,919,415中所描述的，在热轧产品中提供贝氏体微观结构后利用冷塑性变形形成制品。
在专利文献以及其他文献中描述的各种研究和改进仍没有使长时间受到反复应力作用的制品的性能达到最希望的组合。
发明概述我们已经开发了一种用于对铁，特别是钢的制品和零件进行调制以使其在抗拉强度、硬度、延展性和疲劳寿命等方面得到大大改善的方法。我们特别致力于改善经受反复应力作用的链零件的性能，并且在所有这四方面性能的改善都能够提高这样零件的使用性能和寿命。我们将这些性能统称为使用性能。
我们的方法可应用于任何铁制品；即，它可用于利用线材、棒材或者其他原材料通过铸造、模制、冲压、机械加工、压力加工等方法形成的或者利用其他任何常规方式形成的铸铁制品或者延性铁制品。实施者在时间/温度处理的选择过程中应该考虑用于形成制品的铁组分类型一例如，钢的类型。
在我们的方法中，使一种铁制品奥氏体化，接着被转移并且在一定温度下保温以使其至少60％的组织形态转变为贝氏体微观结构，然后使其在环境温度下被浸没在一种浴槽中以使剩余的40％或者低于40％的组织形态转变为马氏体，接着对制品进行冷加工以获得极好的使用性能。
附图的简要说明

图1是根据本发明用于对一种钢制品进行热处理的等温转变图，其中示出了目标微观结构区域。
图2是表示用于论述本发明的无声链和销的示意图。
图3是表示一种用于在无声链上施加拉伸变形的优选方法的示意图。
图4以图表的形式示出了载荷数据和拉伸量以比较常规制造的链节和本发明链节的能量吸收。
图5是表示对常规链节和本发明的两种链节进行的单独链节疲劳测试结果的维泊尔图表，所有的链节被施加预应力达到60％的屈服强度。
类似地，图6是表示在以75％的屈服强度施加预应力后的疲劳测试结果的维泊尔图表。
在图7中，示出了以90％的屈服强度施加预应力后的疲劳测试结果。
图8是表示关于根据本发明处理的链节的附加“达到破坏的循环”数据。
本发明的详细描述这里所使用的某些术语具有下列含义热浸液池使待处理的制品浸没在其中的一种处于预定温度下或者在预定温度范围内的液体，通常为油或者熔融盐。概括地，可使用一种炉或者其他保温容器。
压缩变形利用冲击、抛光、辊压或者其他压缩制品的方法，包括喷丸处理，使制品的形状产生永久变化。
拉伸变形利用拉伸，即施加张力使制品的形状产生永久变化。
塑性变形压缩变形和拉伸变形的统称。
冷加工操控或者施加应力以产生塑性变形。
奥氏体化通过控制时间/温度进行加热和冷却以在铁制品中产生基本上完全奥氏体的微观结构的工序。如在本领域已知的，时间和温度的精确限度值将根据制品的冶金性能而改变。
使用性能指抗拉强度、硬度、延展性和疲劳寿命的统称。
本发明包括一种制造高使用性能的铁制品的方法，所述方法包括(a)形成铁制品；(b)在1450-1800°F之间的温度下使铁制品奥氏体化；(c)在小于60秒的时间内将铁制品转移到热浸液池；(d)在至少10分钟的时间内在高于Ms温度的温度下使热浸液池中的铁制品保温，从而使该铁制品包括至少60％的贝氏体；(e)将铁制品骤冷至环境温度以基本上使剩余的所有奥氏体转变为马氏体；以及(f)使该制品塑性变形至其屈服强度的至少60％。该制品将具有Rc48至Rc63或者更高的硬度并且具有极好的疲劳寿命。
尽管步骤c应该在60秒内完成，最好在20秒内完成，但是也可使用较长的时间，只要保持制品处于至少1450°F的温度即可。我们称之为快速转移制品。
本发明适用于由多种钢和其他铁材料制成的制品。对于链节和其他许多制品，钢最好具有足以获得马氏体或者贝氏体的可淬性。可以任何常规或者所需的方式形成制品(步骤a)。奥氏体化步骤(b)也是常规的-通常该制品在热浸液池中或者炉中保温一段足以转变为100％奥氏体的时间，接着将其快速转移到热浸液池进行步骤(d)。步骤(d)的温度和时间参数可根据制品的冶金性能而改变，但是在一些情况下，必须将至少60％的奥氏体转变为贝氏体；如参照图1所示的，温度可稍微改变，但是应该不能使其在小于20°F的范围内接近Ms温度。通常，步骤(d)的限度将大大小于3小时，但是如果经济和任意或者其他主观因素认为其是合理的，那么也可远大于3小时。骤冷步骤(e)的时间长短也可随着铁材料的类型而改变，但应该使基本上所有剩余的奥氏体转变为马氏体。最好在浸液池中实施该步骤(e)。下面将对塑性变形步骤(f)进行进一步描述。
图1的外形是如在上述步骤(d)中的铁材料的时间和温度的无量纲(但或多或少是惯用的)的等温转变图。如在本领域已知的，线30表示转变的开始，线32是50％转变，线31是100％转变。水平线Ms是马氏体开始转变线；已知的是，低贝氏体区在其上方。本发明目标在于在步骤(d)结束时将制品放在阴影区域ABCD内。通常，无论铁制品的组分，这意味着，在10分钟至3小时的时间内将制品装在炉、热浸液池或者以另外的方式使其在高于Ms20°F的温度下保温。对于大多数钢，和我们对于链节所用的低碳钢，在大于比Ms温度高20度的适合温度范围就足够了，(例如，高于Ms的500°F)，但对于一些钢，可使用高达1050°F的温度。
尽管本发明适用于由多种钢和其他铁材料制成的制品，但是特别参照由碳含量在0.2至1％的钢制成的链节进行描述。如图2中所示，链节是具有两个用于销钉的孔的基本上平的且鞍状的组件。单个链节是具有用于销钉3的两个孔1和2的简单组件，销钉3可将链节串联在一起。为了形成链，销钉3可穿过多个平行的链节。
本发明包括，作为步骤(f)的一部分，压缩变形步骤。单独制品，例如链节经受-50,000至-200,000psi的压缩应力。这可利用射丸的不同质量和硬度、冲击角度、数量和速度以及处理的持续时间通过喷丸处理来实现，其中可伴随工件的操控或者没有伴随工件的操控。
现参见图3，应该理解的是，步骤(f)包括压缩变形和拉伸变形。图3中示出了两个优选的拉伸变形的方法中的一种。将链10放置在链轮11和12上。在该图中，链轮11保持固定或者能够转动同时提供阻力，并且规则的作用力被施加以转动链轮12。因此，链10的区段13被拉伸，区段14没有受到张力作用。仅通过使链轮转动并且在其上施加张力即可以相同的方式使链的各个区段得到处理。在两个链轮转动的情况下，该步骤称为动态应力。或者，在一种静态方法中，链轮11和12都不转动；而是通过在其中任一个链轮或者两个链轮上施加规则的作用力，而略微增大链轮之间的距离，从而施加拉伸，这样，同时拉伸区段13和14。利用任何一种方法使链轮被施加预应力，这意味着，有系统地施加应力是制造工序的一部分，所施加的应力通常大于在使用中所预期的。链轮11和12可被辊替代，特别是在所述第二种方法中。本发明包括这样的施加预应力的步骤，作为最终的变形步骤，使由这里所述的方法制造的链节产生拉伸变形。该施加预应力应该达到至少60％的屈服强度，可在屈服强度的60％至97％的范围内。可利用对类似的链进行拉伸测试使其遭到破坏并以一种常规的方式计算屈服强度来确定屈服强度。
图4以图表的形式示出了载荷数据和拉伸量以比较常规制造的链节和本发明链节的能量吸收。绘制出拉伸量相对于载荷。研究的结果将确定由本发明方法制造的各个链节的改善的性能。从该图中可以看出，本发明的链节用21表示，其拉伸效果好于常规链节，并且对于这些特定的链节，被永久拉伸0.05英寸。应该注意的是，本发明所涉及的硬度为Rc56的链节能够被拉伸至少0.080英寸，而相比较的常规骤冷和回火的较软的硬度为Rc50的链节在拉伸量为0.068英寸被破坏。在滞后曲线中，即线21的虚线返回部分可以看出，本发明所涉及的硬度为Rc56的链节能够在不被破坏的情况下比常规的链节(硬度为Rc50)吸收更多的能量。
利用三种不同类型的链节进行比较。常规骤冷和回火工序的链节即使经受压缩变形和拉伸变形，平均也在28,304循环后被破坏。接着，由本发明上述时间-温度参数提供的贝氏体结构的链节仅经受拉伸变形，平均在93,073循环后被破坏。由本发明上述时间-温度参数提供的贝氏体结构的链节经受压缩变形和拉伸变形，平均在261,628循环后被破坏，证明可大大提高疲劳寿命。在比较中所用的术语“循环”，指的是交替地施加较高和较低的作用力，通常在所有的循环中使用相同的作用力。
参见图5，其中示出了各个链节的疲劳测试结果。对于这些测试，本发明的链节由组A和组B表示，是由1074号钢制成的。“T3”表示根据本发明对制品进行处理。组A链节在盐浸液池中在500°F的温度下进行30分钟的处理，组B链节在盐浸液池中在518°F的温度下进行30分钟的处理(步骤d)，两组链节的硬度都约为Rc57。组C的链节是常规商用链节。利用适用于铸铁喷丸冲击的高速喷嘴在滚筒中通过喷丸处理使所有链节经受压缩变形。通过将销钉放置在链节的孔中(见图2中的孔2)并且利用销钉通过预定屈服强度的60％的作用力纵向在链节拉伸，从而施加预应力。图5的水平轴线表示的循环次数代表链节在断裂前经受大约2000磅拉开应力的次数，这样产生在维泊尔图表上所示的数据点。在方块中的“B10寿命”表示在十个链节试样中受到破坏的最低循环次数。本领域普通技术人员将认识到，喷丸处理的试样远好于未经处理的试样。
在图6中，进行类似的比较，这次以其屈服强度的75％的作用力为本发明的链节施加预应力。另外，经过压缩变形的产品好于未经过处理的产品。
图7示出了在90％的屈服强度施加预应力的喷丸处理产品中的大大改善的结果。本领域普通技术人员将认识到，图7的结果不仅在疲劳测试中的极高的循环数、在维泊尔图表上的高投影角度的绝对结果方面是极好的，而且在表示很高使用性能的数据点所投射的平行线方面也是极好的，使基于热处理和塑性变形具有很高质量的成因推论成立。
使链节被拉伸而不是简单施加应力的类似系列测试证明，如果本身受到预拉伸，对结果的影响很小。
在图8中，在旋转的喷丸机中对三种不同类型的钢-SAE 1074、NS801和SAE 1050制成的链节进行55分钟周期的喷丸处理直至达到饱和，接着以屈服强度的三种不同的百分比-65％、75％和85％施加预应力。可以看出，SAE 1050钢分别在39,457循环、58,204循环和112,713循环具有B10破坏，所示其他两种类型的钢也具有很大改善的结果。
材料学家和冶金学家特别早已认识到脆性伴随硬度的通用经验法则。如果制造的材料较硬，通常的推断是，其会变得更脆，对于钢获得不同结果的可能性不大。与正常的推断不同，我们的方法可制造硬度在Rc54至Rc59或者更高的钢制品，还具有很好的延展性，即，我们能够获得在多种钢中获得大于8％的延伸率。由于钢组分、步骤(d)中的温度和步骤(d)中的持续时间的差异，我们用处理过的制品的洛氏硬度除以其断裂时的延伸率(用百分数表示(见图1))获得的数值表示该现象。例如，洛氏硬度为56并且延伸率为10％的钢具有56/10或者5.6的使用性能比。通常我们希望，洛氏硬度为56的链节的延伸率不过约0.5％。这样，我们的发明包括铁制品、特别是钢制品，具有至少3.5的使用性能比；特别是，我们的发明包括具有洛氏硬度至少为52并且在步骤(e)后具有3.5至8的使用性能比，最好是3.5至6的使用性能比的制品。参见表1对其进行进一步描述。
表1中示出了热处理的温度和持续时间的影响。在表1中，两种钢，NS 801和SAE 1074的链节在上述方法中的步骤(d)、热浸液池步骤中或者本发明的其他处理的步骤中在所示温度下在所示时间内被加热。利用洛氏硬度与所得到的链节的延伸率百分比限度的数值比示出了骤冷后的性能。表1中的Rc与El的使用性能比在3.7(NS 801在460°F下保温20分钟)至5.7(NS钢在550°F下保温20分钟)的范围内。但是我们不限于该比值范围。特别是，在利用我们的方法在骤冷步骤后处理的制品具有至少Rc52的硬度，本发明包括产品和制造产品的方法，其中，在冷加工之前，Rc与用断裂的延伸率百分数表示的El的比率的数值范围在3.5至5.8之间。在另一个方面，本发明包括具有在冷加工之前的上述使用性能比在3.5至8.0之间的钢制品。在另一个方面，本发明包括具有至少Rc52的硬度的链节，利用塑性变形可使其疲劳寿命增大至少100％。
表1使用性能比

本发明不限于链节的处理，也可用于多种不同类型的钢制品和铁制品，诸如垫圈、螺钉、螺丝刀刃头、水泥钉、螺栓、紧固件、弹簧和其他许多可能经受使用性能挑战的制品和机器零件。除了链节外，本发明特别适用于链销、链轮和张紧器臂。由于链节具有两个在使用中存在应力集中和磨损的销钉孔，图2中所示的塑性变形对其是特别适合的。在链轮的情况下，利用齿或者成型辊压进行塑性变形。其他制品的形状也可要求使用其他塑性变形方法。但是，在每一种情况下，我们都以至少60％的屈服强度施加应力。
权利要求
1.制造铁制品的方法，所述方法包括(a)形成所述铁制品；(b)在1450-1800°F之间的温度下使所述铁制品奥氏体化；(c)将所述铁制品快速转移到热浸液池；(d)在至少10分钟的时间内使热浸液池中的所述铁制品保温，从而使该铁制品包括至少60％的贝氏体；(e)将所述铁制品骤冷至环境温度以基本上使剩余的所有奥氏体转变为马氏体，从而使所述制品具有至少Rc52的硬度、断裂延伸率至少为5％，使用性能比Rc/El％至少为3.5；以及(f)使该制品塑性变形。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁制品是钢制品。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁制品是钢链节。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在20秒或者更短的时间内进行步骤(c)。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(f)包括压缩变形和拉伸变形。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述压缩变形包括喷丸处理。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述压缩变形包括施加范围在-50,000psi至-200,000psi的压缩应力。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述拉伸变形包括屈服强度的至少60％的动态应力。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用性能比在3.5至8.0的范围内。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制品在步骤(e)结束时具有范围在3.6至6的使用性能比。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制品在步骤(f)结束时的疲劳寿命至少比在步骤(e)结束时的疲劳寿命大20％。
12.制造钢链节的方法，所述方法包括(a)形成所述钢链节；(b)在1450-1800°F之间的温度下使所述钢链节奥氏体化；(c)在小于60秒的时间内将所述钢链节快速转移到热浸液池；(d)在至少10分钟至3小时的时间内使热浸液池中的钢链节保温，从而使该钢链节包括至少60％的贝氏体；(e)将热浸液池中的所述钢链节骤冷以基本上使剩余的所有奥氏体转变为马氏体，从而使所述钢链节具有至少为Rc52的硬度、断裂延伸率至少为5％，使用性能比Rc/El％至少为3.5；以及(f)通过(i)压缩变形和(ii)拉伸变形使该钢链节塑性变形到其屈服强度的至少60％，从而使所述钢链节的疲劳寿命比没有经过塑性变形的钢链节的疲劳寿命增大至少100％。
13.利用权利要求1的方法制造的制品。
14.利用权利要求12的方法制造的钢链节。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述压缩变形包括喷丸处理。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述压缩变形包括施加范围在-50,000psi至-200,000psi的压缩应力。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述拉伸变形被施加到作为链的一部分的所述链节上。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在20秒或者更短的时间内进行步骤(c)。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述链节在步骤(e)结束时具有至少为Rc54的硬度和范围在3.6至8的使用性能比Rc/El％。
20.一种硬度至少为Rc52的钢链节，在经过塑性变形后其疲劳寿命增大100％。
全文摘要
使铁制品奥氏体化，接着使其至少60％的组织形态转变为贝氏体，通过骤冷使剩余的组织形态转变为马氏体；接着对制品进行冷加工，最好利用压缩变形和拉伸变形达到屈服强度的至少60％。该制品具有改善的使用性能，特别是疲劳寿命。
文档编号C21D1/20GK1491286SQ02804873
公开日2004年4月21日 申请日期2002年10月10日 优先权日2001年10月12日
发明者T·R·杰克逊, T R 杰克逊, A·M·弗拉博尼, 弗拉博尼 申请人:博格华纳公司