热处理钢构件的方法【专利摘要】一种热处理钢构件(28,36)的方法，其包括以下步骤：a)在930～970℃的温度对钢构件(28,36)进行碳氮共渗，b)冷却钢构件(28,36)，c)重新加热钢构件(28,36)至780～820℃的温度，并且d)对钢构件(28,36)进行淬火。该方法包括以下两步骤之一：步骤e)在略高于马氏体形成温度的温度下进行贝氏体转化，在该温度将25～99%的奥氏体转化为贝氏体，并且然后提高温度以加速剩余的奥氏体向贝氏体的转化，或者步骤f)保持钢构件(28,36)在初始马氏体形成温度(Ms)以上的初始温度(T1)，然后降低初始温度(T1)至温度(T2)，该温度在初始马氏体形成温度(Ms)以下但在贝氏体转化过程中的实际马氏体形成温度以上。【专利说明】热处理钢构件的方法【
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】[0001]本发明涉及热处理钢构件的方法。本发明还涉及经该方法处理过的钢构件(steelcomponent)。[0002]发明背景[0003]风カ涡轮机的机舱通常包括多个轴承，例如用于转轴(rotorshaft)、变速箱(gearbox)、发电机、偏航变速箱(yawgearbox)、偏航回转台(yawslewingtable)、叶片距旋转式座(bladepitchrevolvingseat)和/或液压泵。在使用过程中该轴承所承受的轴承负荷和旋转速度因风速和风向变化显著。在低于切入风速(cut-1nwindspeed)(即发电机所要求的最低风速)的风速下，旋转轴将闲置，导致低风速、低负荷运作。在高于切入速度的风速下，该旋转轴会旋转，导致高速度、高负荷运作。因此，风カ涡轮机(windturbine)的轴承可能经历重复的启动、加速、减速和停止操作。此外，该轴承暴露于元素(theelements)和空气传播的颗粒，例如沙颗粒，因此需要高强度和硬度。[0004]碳氮共渗(carbonitriding)是ー种冶金学表面修饰技术,其用于增加金属构件的表面硬度，从而減少使用过程对构件的磨损。在碳氮共渗过程中，碳和氮原子间隙式地渗入(diffuseinterstitially)金属，从而形成滑移障碍并且增加近表面(通常在0.1~0.3mm厚的层)的硬度。碳氮共渗通常在850~860°C的温度下进行。通常碳氮共渗用于改进具有中或低碳的钢而非高碳钢的钢构件的耐磨性(wearresistance)。尽管包括高碳钢的钢构件强度更好，但是已经证实它们在某些应用中更容易裂化。[0005]发明简述[0006]本发明的ー个目的是提供用于热处理钢构件的改进方法。[0007]这个目的通过包括以下步骤的方法来实现:[0008]a)在930~970°C的温度，即高于正常碳氮共渗的温度，对钢构件进行碳氮共渗，以溶解全部的碳化物，[0009]b)冷却钢构件至A1转化温度(transformationtemperature)以下的温度，[0010]c)重新加热钢构件至780~820°C的温度，即高于A1转化温度但低于碳氮共渗的温度，以及[0011]d)在淬火介质浴(quenchingmediumbath),例如盐浴、聚合物溶液或油中，对钢构件进行淬火，[0012]以及或者[0013]e)在略高于马氏体形成温度的温度下进行贝氏体转化，在该温度将25~99%的奥氏体转化成贝氏体，然后提高该温度以加速剰余的奥氏体向贝氏体的转化，[0014]或者[0015]f)保持钢构件在初始马氏体形成温度(Ms)以上的初始温度(T1),优选略高于初始马氏体形成温度(Ms)，即在高于初始马氏体形成温度(Ms)50°C以内，以及优选在20°C以内。这使实际的马氏体形成温度降低。然后，该方法包括如下步骤:降低初始温度(T1)至温度(T2)，该温度在初始马氏体形成温度(Ms)以下但在贝氏体转化过程中的实际马氏体形成温度以上。由此一直避免了马氏体转化。根据本发明的实施方式，步骤f)包括随后，在贝氏体转化过程中将温度从(T2)升高至温度(T3)，该温度在初始马氏体形成温度(Ms)以上。[0016]使钢构件在碳氮共渗过程后经历步骤e)或者步骤f)的方法，已经证实抵消由碳氮共渗造成的脆性。換言之，已经证实步骤e)和步骤f)在经碳氮共渗的钢构件的表面上产生压缩应力，其増加了钢构件的疲劳强度和使用寿命，这是因为在压缩应カ区域，裂缝更加难以形成或扩散。換言之，压缩应力有益于增加对由成穴作用(cavitation)形成的疲劳破裂(fatiguefailure)、腐蚀疲劳、应カ腐蚀裂纹、氢致裂纹(hydrogenassistedcracking)、腐蚀、磨损和侵蚀的抗力。[0017]通过首先对钢构件进行碳氮共渗，该钢的表面会具有的洛式硬度(Rockwellhardness)HRC至少为60，并且包含相当数量的细碳化物，即具有最大纵向尺寸为0.2~0.3um的碳化物。用这种方式改变钢构件表面的显微组织以改进其耐磨性，并且增强在它表面上任何压痕(indentation)的边缘处释放应力集中的能力。通过在给定温度范围内的温度下进行碳氮共渗步骤，可提供具有深度为0.3~1.2mm的碳氮共渗层的钢构件，该厚度是从钢构件的表面測量得到的，由此该碳氮共渗层只包含具有最大纵向尺寸为0.2~0.3um的碳化物，而不含具有更大的最大纵向尺寸的碳化物。[0018]然后，可以使用方法步骤e)来増加经碳氮共渗的钢构件的疲劳强度和提供贝氏体硬化，该贝氏体硬化的贝氏体转化时间减少但硬度未降低。使用方法步骤e)代替常规的等温贝氏体转化，缩短允许实现给定硬度所要求的加工时间，或者对于给定的转化时间而言，硬度増加。根据本发明的一个实施方式，步骤e)包括在提高用于加速剰余奥氏体转化为贝氏体的温度之前，将50~90%的奥氏体转化为贝氏体。[0019]可选择地，使用方法·步骤f)代替常规等温贝氏体转化，可以增加经碳氮共渗钢构件的疲劳强度和増大在给定转化时间的贝氏体转化过程中所形成的贝氏体的硬度。[0020]所形成的贝氏体的硬度和马氏体硬度基本相同，并且保持了贝氏体结构优于马氏体结构的优点(例如，更高的韧度(toughness)、更高的裂纹扩展阻力(crackpropagationreistance))。此外,和等温贝氏体转化相比，降低贝氏体转化过程中贝氏体转化的温度减少了制造成本，并且随后使贝氏体转化更加节能。方法步骤f)是基于以下的认识:在贝氏体转化过程中马氏体形成温度(Ms)降低，并且这可用于在贝氏体转化过程中将贝氏体转化温度降低至在初始马氏体形成温度(Ms)以下，以形成更硬的贝氏体。[0021]根据本发明的另ー个实施方式，步骤f)包括在将温度(T1)降低至在初始马氏体形成温度(Ms)以下但在实际马氏体形成温度以上的温度(T2)之前，在初始马氏体形成温度(Ms)以上的温度(T1)将至少15~40%的奥氏体转化成贝氏体。[0022]根据本发明的一个实施方式，步骤f)包括保持温度(T3)在初始马氏体形成温度(Ms)以上，直至完全实现贝氏体转化。可选择地，在实现85%、90%或者95%的贝氏体转化后，可对钢构件进行淬火。[0023]根据本发明的另ー个实施方式，步骤a)包括在930~970°C的温度对该钢构件进行碳氮共渗5~10小吋。[0024]根据本发明的另ー个实施方式，该钢构件包括具有碳含量为0.6~1.20重量％的钢，例如高碳轴承钢，例如SAE52100/Gd3或Gd2。[0025]根据本发明的一个实施方式，该钢构件包括具有碳含量为0.2~0.6重量％的钢，例如ASTMA516Grade55。[0026]根据本发明的一个实施方式，该钢包括(以重量计)最大值为20ppm的S和最大值为15ppm的0，并且包括硫化物夹杂物，并且少于5%的硫化物夹杂物包括包覆或包埋的氧化物夹杂物。[0027]根据本发明的另ー个实施方式，该钢包括最大值IOppm的0或最大值8ppm的O。[0028]根据本发明另ー个实施方式，该钢包括选自下组的元素:Ca、Mg、Te或镧系元素，例如Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。根据本发明的另一个实施方式，该钢包括10~30ppm(以重量计)的选自上组的元素。[0029]将硫含量减少至和氧含量基本相同数量级的水平后，向钢中加入如上元素会减少钢中剩余的硫化物夹杂物的总数量和/或改变剩余夹杂物的形状使其形成不会损害最終轴承构件机械性质的形状(碲例如使硫化物夹杂物球形化)。換言之，已经证实将该元素加入钢将使得小于5%的硫化物夹杂物包含包覆的或者包埋的氧化物夹杂物。该元素的加入也将使得全部的硫化物夹杂物具有小于3:1的长宽比(即夹杂物的最大直径和夹杂物的最小直径的比值)，并且使用ASTME2283-03极限值分析标准(ASTME2283-03ExtremeValueAnalysisStandard)评估得到的最大的硫化物夹杂物长度为125Um,在约减变量(ReducedVariate)等于3吋。该硫化物夹杂物不会破坏钢构件的疲劳性质。此外，不含有长宽比大于3:1和最大长度大于125um的硫化物夹杂物使得钢在各个方向上具有更均匀的性质，并且由此减少钢的方向各向异性(directionalanisotropy)。[0030]根据本发明的另ー个实施方式，该钢构件构成以下中ー个的的至少一部分:滚珠轴承(ballbearing)、滚子轴承(rollerbearing)、滚针轴承(needlebearing)、圆锥滚子轴承(taperedrollerbearing)、球形滚子轴承(sphericalrollerbearing)、圆环滚子轴承(toroidalrollerbearing)、推力滚珠轴承(ballthrustbearing)、推力滚子轴承(rollerthrustbearing)、圆维推力滚子轴承(taperedrollerthrustbearing)、轮轴承(wheelbearing)、轮穀轴承单兀`(hubbearingunit)、转盘轴承(slewingbearing)、滚珠丝杠(ballscrew),或者用于经历交替赫兹应力(Hertzianstress)(例如滚动接触或者滚动和滑动组合)的应用的构件和/或要求高耐磨性和/或增强的疲劳和拉伸强度的应用的构件。该构件可以包括或者构成齿轮齿(gearteeth)、凸轮、轴、轴承、紧固件(fastener)、销(Pin)、自动离合板、工具(tool)、拉模(die)或者变速箱(例如行星变速箱、可调节的速度驱动器或可连续变化的传动装置)的任意部分。[0031]根据本发明的一个实施方式，作为该方法的结果，提供了具有厚度(d)为0.3~1.2mm的碳氮共渗层的钢构件,并且碳氮共渗层中全部的碳化物具有0.2~0.3iim的最大纵向尺寸。[0032]根据本发明的另ー个实施方式，提供了具有比值(d:D)为1:4000~1:17000或更大的碳氮共渗层的钢构件，该比值(d:D)为从钢构件表面测量的碳氮共渗层的深度(d)和钢构件的最大横向尺寸(D)的比值。根据本发明的方法可用于提供任意尺寸的具有碳氮共渗层的构件。然而，该方法特别地适用于提供具有碳氮共渗层的大型构件，例如具有最大横向尺寸为几米的构件，这是因为更高的碳氮共渗温度提供具有更大深度的碳氮共渗层，由此尽管在构件的制造期间一部分的碳氮共渗层会磨掉但基本不会影响该构件的耐磨性。[0033]根据本发明的另ー个实施方式，作为该方法的結果，该钢构件基本具有贝氏体结构并且具有至少62HRC的硬度。[0034]本发明也涉及钢构件，其经历过根据本发明的任何实施方式的方法。根据本发明的方法可用于处理用在风カ涡轮机应用的钢构件。然而，该方法和钢构件不是唯一地旨在处理用于风カ涡轮机的钢构件，其可用于任何需要具有高耐磨性和/或增强的疲劳和拉伸强度的钢构件的应用中。该构件，例如，可以用于汽车船舶(automotivemarine)、金属制造或者其它机械应用。[0035]附图简述[0036]下面将參见附图，通过非限定性实施例的方式对本发明进ー步地解释，其中；[0037]图1显示了根据本发明实施方式的方法的步骤a)~d)，[0038]图2显示了根据现有技术的贝氏体转化方法，[0039]图3显示了根据本发明实施方式的方法的步骤e)的贝氏体转化，[0040]图4显示了根据本发明实施方式的方法的步骤e)的贝氏体转化，[0041]图4显示了根据本发明实施方式的方法的步骤f)的贝氏体转化，[0042]图6和图7显示了根据本发明实施方式的钢构件，以及[0043]图8显示了根据本发明的方法的流程图。[0044]应当指出的是这些附图并没有按照比例绘制，并且为了清楚起见已经将特定特征的尺寸进行放大。[0045]实施方式详述[0046]图1显示了根据本发明的方法的步骤a)~d)。所示的方法包括步骤a):在930~970°C的温度对钢构件进行碳氮共渗5~10小吋。通过在控制载气的存在下将甲烷/丙烷/天然气(提供碳)和氨(提供氮)引入炉中，可以提供エ艺环境。通过保持合适的加工气体比，提供具有富碳和富氮钢的薄碳氮共渗层的构件。[0047]根据本发明的一个实施方式，其方法包括在碳氮共渗步骤a)开始时，供应较高的氨浓度以促进碳氮共渗过程。例如，初始可使用9.5%的氨，其可降至6.5%的氨，并且然后0%。9.5%的氨可用于碳氮共渗步骤a)的约70%。[0048]然后将该构件冷却至在A1转化温度以下的温度(步骤b)，并且然后重新加热至780~820°C的温度(步骤c)，即高于A1转化温度且低于碳氮共渗温度的温度，然后将其淬火(步骤d)以实现完全的表面硬度(casehardness)。可以在所选浴温(bathtemperature)的油浴或者盐浴中进行淬火，以实现伴随着可接受的尺寸变化水平的最佳性质。热油/盐浴淬火能够用于使复杂部件的畸变最小化。[0049]图2显示了三个常规的贝氏体转化热处理1、i1、iii的温度对记录时间的曲线。Ms表示马氏体开始形成的温度。Bs表示贝氏体转化的开始，而Bf表示贝氏体转化的结束。首先对钢进行奥氏体化，并且然后进行淬火。然后，该钢通过在略高于马氏体形成温度(Ms)的温度以加热的方式等温回火。[0050]通常为了得到最大的硬度，已经采用接近初始马氏体形成温度(Ms)的回火温度(图2中曲线iii)。然而，这需要非常长的转化时间，并且不经济。通过提高该钢的回火温度可以减少该转化时间(图2中曲线i)。然而，这会降低所形成的贝氏体的硬度。[0051]图3显示了根据本发明实施方式的方法的步骤e)的贝氏体转化，其中在略高于马氏体形成温度(Ms)的温度，对钢构件进行贝氏体转化，该钢构件已经经历根据本发明实施方式的方法的步骤a)~d)。在该温度下60~80%的奥氏体转化成贝氏体，并且然后提高该温度以加速剰余的奥氏体向贝氏体转化。图3中的虚线表明常规的等温贝氏体转化给出相同的硬度但需要明显更长的转化时间。[0052]图4显示了根据本发明实施方式的方法的步骤e)的贝氏体转化，而虚线表明相同转化时间的常规等温贝氏体转化，但其给出明显更小的硬度。[0053]图5显示根据本发明实施方式的方法的步骤f)的贝氏体转化，其中钢构件为已经经历根据本发明实施方式的方法的步骤a)~d)，将该构件置于在初始马氏体形成温度(Ms)以上的初始温度(T1)15然后，将初始温度(T1)降至温度(T2),其在初始马氏体形成温度(Ms)以下但在贝氏体转化过程中的实际马氏体形成温度以上。根据本发明的实施方式，在为了加速剰余的奥氏体转化为贝氏体将该温度升高至T3之前，50~90%的奥氏体转化为贝氏体。[0054]钢构件已经经历方法步骤a)、b)、c)、d)和e)或者方法步骤a)、b)、c)、d)和f)之后，将该构件冷却至室温并且然后，可将其用于可能经受常规操作循环下应力、应变、冲击和/或磨损的任何应用中。[0055]图6显示了根据本发明实施方式的钢构件的实例，即滚动元件轴承(rollingelementbearing)28,其尺寸直径可以在IOmm至几米内变化,并且该轴承具有从几十克至数千吨的负荷能力(load-carryingcapacity)。换言之,根据本发明的轴承28可以为任意尺寸并且具有任意负荷能力。该轴承28具有内环30和外环32以及ー组滚动元件34。可以使该滚动元件轴承28的内环30、外环32和/或滚动元件34，并且优选滚动元件轴承28的全部的滚动接触部分表面的至少一部分，经历根据本发明的方法。[0056]图7显示了根据本发明实施方式的构件36，即横截面中所示的轴。使用根据本发明实施方式的方法在构件36的外表面上提供了碳氮共渗层38。从构件36的表面測量得到碳氮共渗层38的深度为d并且构件36的最大横向尺寸(这个情形下的轴直径)为D。该碳氮共渗层38的厚度d和构件36的最大横向尺寸D的比值(d:D)为1:4000~1:17000或者更大。[0057]可以由具有以下组分的钢来制造根据本发明的钢构件:[0058]0.70~0.95重量％碳[0059]0.05~1.5重量％娃[0060]0.15~0.50重量％锰[0061]0.5~2.5重量％铬[0062]0.10~1.5重量％钥[0063]最大值0.25重量％钒[0064]余量为铁,并且通常生成的杂质包括10~30ppm的Ca、最大值为20ppm的S和最大值为15ppm的0,优选最大值为IOppm的0或最优选最大值为8ppm的O。[0065]该钢的约1%硫化物夹杂物包含包覆或者包埋氧化物夹杂物。与之对比地，在标准钢中，约80%钢的硫化物夹杂物包含包覆的或者包埋的氧化物夹杂物。已经证实根据本发明的钢构件的疲劳强度(在950MPa下在旋转梁测试(rotatingbeamtest)中测量得到的)大大高于标准钢的疲劳强度。[0066]图8为概述根据本发明一个实施方式的方法的步骤a)~f)的流程图。[0067]权利要求范围内的·本发明的进ー步修改对于技术人员将是显而易见的。【权利要求】1.一种热处理钢构件(28，36)的方法，其包括以下步骤:a)在930~970°C的温度对钢构件(28，36)进行碳氮共渗，b)冷却钢构件(28，36)，c)重新加热钢构件(28，36)至780~820°C的温度，以及d)对钢构件(28，36)进行淬火，其特征在于所述的方法包括以下两步骤之一:e)在马氏体形成温度以上的温度下进行贝氏体转化，在该温度将25~99%的奥氏体转化为贝氏体，然后升高温度以加速剰余的奥氏体向贝氏体的转化，或者f)保持钢构件(28，36)在初始马氏体形成温度(Ms)以上的初始温度(T1),然后降低初始温度(T1)至温度(T2)，该温度在初始马氏体形成温度(Ms)以下但在贝氏体转化过程中的实际马氏体形成温度以上。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤e)包括在提高用于加速剰余的奥氏体向贝氏体转化的温度之前，50~90%的奥氏体转化为贝氏体。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤f)包括随后从温度(T2)提高至温度(T3),该温度在贝氏体转化过程中在初始马氏体形成温度(Ms)以上。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤f)包括在降低温度(T1)至在初始马氏体形成温度(Ms)以下但在实际马氏体形成温度以上的温度(T2)之前，在初始马氏体形成温度(Ms)以上的温度(T1)将至少15~40%的奥氏体转化为贝氏体的步骤。5.根据权利要求3或4所述`的方法，其特征在于步骤f)包括保持温度(T3)在初始马氏体形成温度(Ms)以上直至实现完全的贝氏体转化的步骤。6.根据前述权利要求中任ー项的方法，其特征在于步骤a)包括在930~970°C的温度对钢构件(28，36)进行碳氮共渗5~10小时。7.根据前述权利要求中任ー项的方法，其特征在于钢构件(28，36)包括具有碳含量为0.6~1.20重量％的钢。8.根据权利要求1~6中任ー项的方法，其特征在于钢构件(28，36)包括具有碳含量为0.2~0.6重量％的钢。9.根据前述权利要求中任ー项的方法，其特征在于所述钢包括:最大值为20ppm的S和最大值为15ppm的O，以重量分数计，以及所述钢包含硫化物夹杂物，并且少于5%的硫化物夹杂物包含包覆的或者包埋的氧化物夹杂物。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于在约减变量等于3时，所述硫化物夹杂物的最大长度为125iim。11.根据权利要求9或者10所述的方法，其特征在于所述钢包括最大值为IOppm的O或最大值为8ppm的O。12.根据权利要求9或者10所述的方法，其特征在于全部的所述硫化物夹杂物具有小于3:1的长宽比。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所述钢包括选自下组的元素:Ca、Mg、Te、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述钢包括10~30ppm的所述元素，以重量分数计。15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于钢构件(28，36)构成以下中ー个的至少一部分:滚珠轴承、滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、球形滚子轴承、圆环滚子轴承、推力滚珠轴承、推力滚子轴承、圆锥推力滚子轴承、轮轴承、轮毂轴承単元、转盘轴承、滚珠丝杠，或者用于经历交替赫兹应力，例如滚动接触或者滚动和滑动组合，的应用的构件和/或要求高耐磨性和/或增强的疲劳和拉伸强度的应用的构件。16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于作为所述方法的结果，提供了具有厚度(d)为0.3~1.2mm的碳氮共渗层的钢构件(28，36)，并且所述碳氮共渗层中全部的碳化物具有0.2~0.3iim的最大纵向尺寸。17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于作为所述方法的结果，提供了具有碳氮共渗层的钢构件(28，36)，该碳氮共渗层具有为1:4000~1:17000或更大的比值(d:D)，该比值(d:D)为从钢构件(28，36)表面測量得到的碳氮共渗层的深度(d)和钢构件(28，36)的最大横向尺寸(D)的比值。18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于作为所述方法的结果，钢构件(28，36)基本具有贝氏体结构并且至少62HRC的硬度。19.一种钢构件(28，36)，其特征在于该钢构件已经经历根据前述权利要求中任ー项所述的方法。20.ー种根据权利要求19的钢构件(28，36)的用途，用于风カ涡轮机。【文档编号】C21D1/20GK103597101SQ201280025483【公开日】2014年2月19日申请日期:2012年5月22日优先权日:2011年5月25日【发明者】T.伦德申请人:Skf公司