具有增强渗氮特性的贝氏体微合金钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般涉及贝氏体微合金钢，并且更特别涉及具有增强渗氮特性的贝氏体微 合金钢。
【背景技术】
[0002] 诸如轴、联轴器、齿轮、凸轮和链轮之类的动力传动部件常常要经受高压、扭矩负 载以及冲击加载。被称为"渗氮"的氮化表面硬化过程通常包括使机械加工的和热处理的 部件在大约510°C(950华氏度）到538°C(1，000华氏度）的温度下经受含氮介质（通常 是氨气）的作用。渗氮增加了表面硬度、耐磨性以及对某种类型腐蚀和表面应力的抗性，这 改进了氮化部件的抗疲劳性。因此，渗氮合金钢物件常常用于齿轮、联轴器、轴和其它需要 耐磨损和耐高应力加载的应用。
[0003] 一组已经在热处理之后被渗氮的可硬化合金钢是AISI/SAE4100系列合金钢。 特别地，在需要结合高表面硬度和砂心硬度的各种齿轮制造中，已经发现AISI/SAE4140H 合金钢是有用的。AISI/SAE4140H合金钢具有如下指定的成分：重量百分比占0. 37%到 0. 44%的碳；重量百分比占0. 65%到1. 10%的锰；重量百分比占0. 15%到0. 35%的硅；重 量百分比占0. 75%到1. 20%的铬；重量百分比占0. 15%到0. 25%的钼；余量的铁和可接 受的微量元素。
[0004] 通常，具有上述成分的部件首先被锻造，或由坯料乳制成，并且被调质过，接着被 机械加工并渗氮。虽然AISI/SAE4140H合金钢在某些渗氮应用中已经是有用的，但它也 具有一些缺点。例如，这种钢含有钼，这是昂贵的合金元素。此外，已经发现具有AISI/SAE 4140H成分的物件易于淬火开裂，并且因此通常需要油淬火。仍进一步，AISI/SAE4140H的 渗氮表面硬度通常被限制到大约洛氏C硬度（HRC) 55或更少。
[0005] 已经公开了用于通过称为气体软氮化过程来进行非硬化部件制造的合金钢成分， 其用于生产诸如齿轮以及其它传动部件的低扭曲钢。砂心硬度通过添加合金而不是通过热 处理来实现。在由如乳制过的钢条或锻件机械加工之后，由合金钢形成的工件被气体软氮 化。气体软氮化（在日本也被称作"软渗氮"）比常规渗氮更快，并且在钢和铸铁上形成极 其硬的皮。在气体软氮化时，在包括相等部分的吸热型气体（诸如一氧化碳和氢的还原气 体混合物）和氨气的大气下，将部件在566°C(1050华氏度）下处理2小时到6小时。产生 的硬表面包括铁碳氮络合物。然而，产生的表面比由渗氮获得的表面更薄，并且没有获得在 由工件的预先渗氮热处理所造成的韧性的增长。此外，添加合金钢以实现比得上调质钢的 砂心硬度所增加的成本在经济上是不可取的。
[0006] 在1989年8月1日提交的授予CalvinLoyd的美国专利第4, 853, 049号（' 049 专利）中描述了经济的穿透硬化渗氮等级合金钢的尝试。'049专利公开了一种穿透硬化渗 氮等级的合金钢，其因已经淘汰昂贵合金（例如钼）而是经济的。在'049专利中公开的钢 实现了期望的特性，包括硬化度，在回火期间对硬度损失的抗性，并且通过使用小的、仔细 地控制其量的铝（A1)和钒（V)而极大地提升了对渗氮的反应。
[0007] 虽然在' 049专利中公开的合金钢降低了合金钢的成本，并且提供了上述有益特 性，但进一步的改进仍是有可能的。特别地，' 049专利描述了在由公开的合金钢生产的产 品的初始热锻之后进行多个热处理过程。这些热处理过程包括通过将锻造产品加热到大约 870°C(1600华氏度）达大约一个小时的时间段来硬化所述锻造产品，并且接着用水或油淬 火以完成铁素体和珠光体显微结构到马氏体的转变。在回火到将碳化物颗粒沉淀并团聚且 从而提供改进的韧性之后，制品将视需要被机械加工成所需最终尺寸，并且接着对其进行 渗氮。
[0008] 根据本发明的化学和过程生产的贝氏微合金钢解决了上述问题中的一个或多个 以及/或者在本领域中的其它问题。
【发明内容】
[0009] 在一个方面，本发明涉及具有通过渗氮形成的表面渗氮层的锻钢部件，所述渗氮 在锻造和受控空气冷却而没有热处理之后进行，并且所述锻钢部件具有的组成包括：
[0010] C:0? 20 重量％到 0? 40 重量％，
[0011] Mn:0. 50 重量％到 1. 60 重量％，
[0012] Cr:0? 40 重量％到 1. 50 重量％，
[0013] A1 :0? 07 重量％到 0? 30 重量％，
[0014] V:0? 03 重量％到 0? 20 重量％，
[0015] Si:0. 10重量％到0. 40重量％，以及
[0016] 余量的Fe和附带杂质。
[0017] 在另一方面，本发明涉及被制造成具有包括以下化学组成的锻钢部件：
[0018] C:0? 20 重量％到 0? 40 重量％，
[0019] Mn:0? 50 重量％到 1. 60 重量％，
[0020] Cr:0? 40 重量％到 1. 50 重量％，
[0021] A1 :0? 07 重量％到 0? 30 重量％，
[0022] V:0? 03 重量％到 0? 20 重量％，
[0023] Si:0? 10重量％到0? 40重量％，以及
[0024] 余量的Fe和附带杂质；且锻钢部件通过以下项步骤制造：热锻、在热锻之后在不 进一步进行热处理的情况下受控气体冷却以产生在整个锻钢部件大于50%的贝氏体的主 要贝氏体显微结构、机械加工以及渗氮。
[0025] 在另一个方面，本发明涉及一种生产锻钢部件的方法。所述方法可以包括将钢坯 热锻，且接着在热锻之后在不进行热处理的情况下进行渗氮，所述钢具有的组成按重量计 包括：
[0026] C:0? 20 重量％到 0? 40 重量％，
[0027] Mn:0? 50 重量％到 1. 60 重量％，
[0028] Cr:0? 40 重量％到 1. 50 重量％，
[0029] A1 :0? 07 重量％到 0? 30 重量％，
[0030] V:0? 03 重量％到 0? 20 重量％，
[0031] Si:0. 10重量％到0. 40重量％，以及
[0032] 余量的Fe和附带杂质。
【附图说明】
[0033] 图1是去除典型热处理步骤的示例性公开的过程的示意图；
[0034]图2是用于生产本发明的示例性实施例的显微结构的连续冷却转变（CCT)图；和
[0035] 图3是描述可以用于用增强的渗氮特性生产示例性微合金钢的示例性公开方法 的流程图。
【具体实施方式】
[0036] 公开了微合金化、空气可硬化的具有增强的渗氮特性的主要贝氏体钢。微合金化 的贝氏体钢在渗氮来增加表面硬度之前不需要先前认为实现所需硬度、韧性以及强度特性 所必需的多种热处理过程的情况下可以经济地产生。如图1中所示，在钢部件的热锻后的 热处理过程可以包括冷却、重新加热至奥氏体化温度、淬火和回火。常规热锻过程需要这些 热处理步骤以便获得所需强度和韧性特性，而同时最终使用不会太难以机械加工的合适的 免机械加工部件。如果可以去除这些中间热处理过程中的至少一些，就能够显著地节约成 本。用于热处理能力的基本投资，以及用在熔炉和其它设备上的维修费用可以减少。
[0037] 根据本发明的各个执行方案的主要贝氏体显微结构是按体积包括至少50%的贝 氏体显微结构的显微结构。某些实施例按体积可以具有至少70%的贝氏体显微结构。其 它实施例按体积可以具有至少85%的贝氏体显微结构。贝氏体是一种在大约250°C到 550°C(取决于合金含量）的温度中形成钢的显微结构。贝氏体是分解产物之一，其会在当 奥氏体（居于铁的立方晶体结构中心的面）被冷却超过临界温度727°C(1340华氏度）时 形成。贝氏体显微结构可以在外观和硬度特性上类似于回火马氏体。
[0038] 精细的非薄片状结构的贝氏体通常包括渗碳体和富含错位的铁素体。贝氏体中 存在的铁素体的高浓度错位使这种铁素体比通常情况下的更硬。如图2