用于制造钢材部件、焊缝、焊接钢材部件和轴承部件的方法
【专利说明】用于制造钢材部件、焊缝、焊接钢材部件和轴承部件的方法
[0001]本申请是SKF公司向中国专利局提交的发明名称为“用于制造钢材部件、焊缝、焊接钢材部件和轴承部件的方法”、申请号为200980125484.X、国际申请日为2009年7月10日的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]根据第一方面，本发明涉及用于制造钢材部件的方法。
[0003]根据第二方面，本发明涉及第一焊缝。
[0004]根据第三方面，本发明涉及第一焊接钢材部件。
[0005]根据第四方面，本发明涉及第二焊缝。
[0006]根据第五方面，本发明涉及第二焊接钢材部件。
[0007]根据第六方面，本发明涉及第三焊接钢材部件。
[0008]根据第七方面，本发明涉及制造轴承部件的方法。
[0009]根据第八方面，本发明涉及包括焊缝的轴承部件。
【背景技术】
[0010]焊接是接合钢材部件的有效方法。但是，随着钢材含碳量升高，焊接过程中出现的问题越来越多。已知与含碳量升高有关的问题例如可能是导致在焊接过程中、几乎直接在焊接之后或者在承受载荷时容易发生裂纹。这是因为焊接过程中形成在熔融区域和热影响区域中的脆性片状马氏体晶粒非常巨大。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是提供一种焊接具有良好强度、良好抗疲劳性和承载能力的钢材部件的方法，并且所述方法简单且成本低廉。
[0012]本发明存在许多方面，其中根据第一方面的方法产生构成其他方面的基础的结论。
[0013]根据本发明第一方面，利用一种制造钢材部件的方法实现上述目的，所述钢材部件包括第一钢材部分和第二钢材部分，其中所述第一和第二钢材的含碳量高达1.5重量百分比(wt%)。根据所述方法，第一钢材部分和第二钢材部分至少部分地加热到α/γ转变温度以上。在后续步骤中，第一钢材部分和第二钢材部分通过焊接接合，并且焊接发生在α/γ转变温度以上的温度。在后续步骤中，施加冷却以避免硬化效应。这样导致根据本发明第二方面的第一焊缝。
[0014]通过在α/γ转变温度以上的温度(奥氏体条件)进行焊接，并凝固焊件且以受控方式进一步进行冷却，可以控制相变，这样阻止了形成硬质相和脆性相。将钢材、至少需要彼此接合的部分或部件加热到略高于α铁(在100Cr6的情况下为铁素体+碳化物)到Y铁(奥氏体)相变的温度，即大约750到850°C，将导致碳化物逐渐溶解，并且针对时间和温度来说，在全部碳化物溶解时，将发生晶粒长大。如果在上述温度下进行焊接，使得焊接区域内的所有材料处于奥氏体条件下，则大量碳化物、或者在某些情况下全部碳化物将不会溶解。液体熔融区域将具有成完全熔体的全部的碳。如果液体焊接金属以及邻近的热影响区凝固并冷却而不进行适当控制，则液体熔融区域中全部碳的完全熔体将导致发生裂纹的风险非常高。这种控制由本发明来实现，使得较之现有技术已知的状况而言，焊件发生裂纹的风险较小。
[0015]熔融区域、热影响区和剩余钢材从焊接温度凝固并冷却需要进行控制。原则上，冷却速率应使得不会向任何硬化相(马氏体或贝氏体)发生相变。如果冷却过程得到良好控制，则在熔融区域(焊件)以及热影响区内形成完全或部分珠光体组织，而焊接部件的剩余部分加热到α/γ转变温度以上。在实施方式中，具有受限晶粒尺寸的小晶界碳化物形成在熔融区域(焊件)中。晶界碳化物的数量取决于总含碳量以及冷却速率。
[0016]焊接和受控冷却之后的最终微观结构应该完全或部分是珠光体组织，并且在一种实施方式中，具有少量非连续的晶界碳化物以及可接受的晶粒尺寸。钢材中可用的总含碳量决定了以受控速率冷却时珠光体、碳化物和铁素体的发展。这样导致焊件较之现有技术中已知情形而言，发生裂纹的风险较小。
[0017]在受控冷却之后的微观结构中，低碳钢具有珠光体加铁素体，或者全部是珠光体。含碳量大约为0.7wt %的低碳钢将形成完全珠光体微观结构，并且如果含碳量低于大约
0.7wt%，则在从焊接过程进行受控冷却之后，将形成带有铁素体的珠光体。铁素体数量随着含碳量降低而增多。
[0018]焊接之后进行受控冷却的目的在于:避免发生不希望的相变，例如硬化；避免焊件和HAZ中发展出内应力；在焊接部件中形成均匀的微观结构，准备用于焊接后的热处理，例如球化退火/硬化等；使得焊接后热处理部件准备用于机加工或其他处理，以赋予该部件“软加工”形状和尺寸；将构形部件硬化到要求的微观结构属性。
[0019]受控冷却涉及众多因素，例如用于焊接钢材的连续冷却转变(CCT)曲线。例如，在一种实施方式中，对于1%碳钢而言，在冷却经过CCT曲线上的珠光体区域时，钢材向珠光体转变从大约670度开始，将形成带有一定量晶界碳化物的完全珠光体。时间温度/循环取决于焊接部件的形状和尺寸。受控冷却过程中的转变将针对部件的横截面确定。这可能不同于保护气氛中的自然冷却，直到全部部件进行完转变。例如，在部件截面太大时，钢材芯部将保持太热而不能转变，并且将形成过大的晶界碳化物。在这种情况下，在部件表面区域已经转变为珠光体之后，可以实施提高冷却速率。
[0020]例如，在一种实施方式中，可以在保护气氛中、在860度实施焊接，焊件熔池中的温度高于1600度(熔化的钢)，部件处于保护气氛中并冷却，直到整个部件(或者预加热区域)和焊接区域冷却到860度。这一过程可能花费若干分钟。从860度开始，所述部件可以冷却到CCT曲线上所示的温度。进一步的冷却循环由上述因素决定。在一种实施方式中，所述部件转移到炉具中并在保护气氛中在炉具中冷却下来，以形成珠光体组织。
[0021]在一种实施方式中，所述方法进一步包括软退火步骤。通过增加该步骤，提供了根据本发明第四方面的第二焊缝，其中所述焊缝将包括铁素体和碳化物。这也有利于进一步处理，例如焊接钢材部件的机加工或者变形。较之现有技术中已知的情形，产生了裂纹风险较小的焊缝。
[0022]在一种实施方式中，所述方法进一步包括硬化所述钢材部件的步骤。通过这一步骤，可以赋予焊接钢材部件实现要求的功能所需的属性。这例如可以通过硬化由马氏体或贝氏体来实施。也可以实施表面硬化，诸如感应硬化、激光硬化等。
[0023]在一种实施方式中，可以在保护气氛中实施加热、焊接或冷却。
[0024]在一种实施方式中，利用功率射束焊接过程，例如激光焊接或电子束焊接来实施焊接。
[0025]在一种实施方式中，利用电弧焊接过程实施所述焊接。
[0026]在一种实施方式中，利用混合焊接过程例如功率射束与电弧焊接的组合过程来实施焊接。这种过程的示例例如是激光焊接加GMAW(MIG)。
[0027]在一种实施方式中，可以利用向焊件熔池增加填料的众多已知技术中的一种来在焊接过程中使用适当填料。
[0028]根据本发明第二方面，提供的第一焊缝包括含碳量高达1.5重量百分比的钢材，并且所述第一焊缝具有部分珠光体微观结构。第一焊缝是根据第一方面的方法的结果，更具体地说，在加热、接合和受控冷却之后的结果。这样将产生较之现有技术中已知情形而言，裂纹风险较低的焊缝。
[0029]在一种实施方式中，第一焊缝具有珠光体至少为50%、60%、70%、80%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98% 或 99% 的微观结构。
[0030]在一种实施方式中，第一焊缝进一步包括处于2至4体积百分比(vol% )范围内的晶界碳化物。在一种实施方式中，第一焊缝具有处于2.50至3.75vol%范围内的晶界碳化物。
[0031]在一种实施方式中，第一焊缝具有处于2.0至3.9vol%范围内、2.1至3.8vol%范围内、2.2至3.7vol %范围内、2.3至3.6vol %范围内、2.4至3.5vol %范围内、2.5至3.4vol%范围内、2.6至3.3vol%范围内、2.7至3.2vol %范围内、2.8至3.1vol %范围内、或者2.9至3.0vol%范围内的晶界碳化物。
[0032]根据本发明第三方面，提供的第一焊接钢材部件包括第一钢材部分和第二钢材部分以及根据本发明第二方面的第一焊缝。所述第一焊缝将第一钢材部分与第二钢材部分接合。这将产生较之现有技术中的已知情形而言，裂纹风险较小的焊接钢材部件。
[0033]在一种实施方式中，第一钢材部分和第二钢材部分以相同的钢材制成。
[0034]在一种实施方式中，第一钢材部分和第二钢材部分以不同的钢材制成。这样作的优势在于，可以通过组合针对例如承载能力、耐用性、成本或可加工性而言具有不同属性的不同钢材来定制产生的焊接钢材部件。
[0035]在一种实施方式中，第一钢材部分和第二钢材部分是焊接前相同钢材部件的一部分。
[0036]在一种实施方式中，第一钢材部分和第二钢材部分是焊接前不同钢材部件的一部分
[0037]在一种实施方式中，第一焊接钢材部件包括多条根据本发明第二方面的焊缝。
[0038]根据本发明第四方面，提供的第二焊缝包括含碳量高