3%， 以实现表面和砂心硬度的一致性的重大增强。含量大于0.20%的钒并不会明显增强氮化物 反应或材料的可硬化性。由于这些原因，钒的限值至少为0. 03%，且不大于0. 20%;而且有 利地从0. 05%到0. 10%，以实现这种成份的最佳经济用途。
[0055]已经发现，铝和钒在指定范围内的独特结合非常有助于改进氮化物反应，从而减 少所需的渗氮时间，并增加表面硬度和深度。另外，铝和钒在指定范围内的独特组合有助于 可硬化性和回火稳定性。
[0056]除了可能非常少量地存在的非必须或残留量的元素外，合金钢成分的剩余物质基 本上为铁。例如，商业上公认的指定量的硅（Si)被用于钢液的脱氧，而且还有助于形成具 有改善韧度的无碳化物的贝氏体。为此目的，硅存在的含量可以至少为〇.1〇%。钛（Ti) 的提供量还可以在大约〇. 02%到0. 06%之间，以防止锻造前后的晶粒粗化。硫（S)(少量 的硫可以有助于促进机械加工）的允许含量不大于大约〇. 10%，且优选地不大于〇. 04%， 以防止失去延展性。含量高于0.05 %的磷（P)会引起脆裂，且优选地其上限不应当超过 0. 035%。通常被视为附带杂质的其它元素所存在的含量会在商业上公认的容许量之内。
[0057]具有上述成分的制成品（例如轴、联轴器和齿轮）有利地在将微合金钢加热至大 约1KKTC到1250°C的奥氏体化温度之后，通过锻造或乳制初步形成为所需形状。接着，成 型的制品如上所述被控制冷却，以生成主要贝氏体显微结构，接着加工成所需最终尺寸，且 接着被渗氮。
[0058] 图3示出了根据本发明的各个执行方案的可以用于生成主要贝氏体微合金化和 氮化钢部件的示例性方法。图3将在下文片段中详细讨论，以进一步说明所公开的概念。
[0059]工业实用性
[0060]根据本发明的各个执行方案的钢和制钢方法，可以通过去除热锻之后通常进行的 热处理步骤以降低成本。所公开的微合金化、锻造、气体可硬化以及氮化钢部件可以提供与 前述热锻和热处理钢部件相似的硬度和强度。在从热锻温度进行受控空气冷却之后，已经 添加钒和铝的微合金元素以生成主要贝氏体显微结构，并增强机械加工之后的渗氮热处理 过程。
[0061] 如图3中所示，在步骤320中，具有上文表1中所示成分的微合金钢可以被加热至 大约1100°C到1260°C的奥氏体化温度。根据本发明的各个执行方案制造的部件的示例性 类型可以包括各种机器的传动齿圈、发动机齿轮、轮毂、轴、和其它传动系统部件。部件的尺 寸决定了钢坯的尺寸，钢坯首先根据步骤320被加热至奥氏体化温度。
[0062] 在步骤322中，加热的坯料可以被热锻成所需构造。热锻之后，步骤324可包括 以一定冷却速率空气冷却热锻产品，使得在整个热锻部件中形成了主要贝氏体显微结构。 如图2的连续冷却转变图所示，可以选定冷却速率以避免马氏体显微结构或主要为铁素体 和珠光体显微结构的形成。在本发明的各个执行方案中，随着钢从大约900°C冷却至大约 500°C时，热锻钢可以以落入每秒大约1°C到5°C范围的速率冷却。在整个热锻钢部件，主 要的贝氏体显微结构可以是具有大于50%的贝氏体的显微结构，或更有利地是具有大于 70 %的贝氏体的显微结构，或还更有利地是具有大于85 %的贝氏体的显微结构。
[0063] 在步骤326中，钒（V)和铝（A1)的微合金元素可以在凝固期间与溶入钢中的氮起 反应以形成加强钢显微结构的晶格的精细沉淀物或微粒。氮（N)的量通常相当小，并且可 以为百万分之150 (ppm)级别。因此，大部分V和A1仍然是自由的，以在渗氮过程期间与能 够在机械加工之后的随后阶段引入的更多N结合。
[0064] 在步骤328中，在钢部件已经进行空气冷却之后，它可以使用常规机械加工技术 进行机械加工。在机械加工之后，在步骤330中，机械加工部件可以使用以下技术来渗氮， 所述技术可包括在具有诸如氨（NH3)的富氮气体的大气中加热机械加工部件。渗氮是将氮 扩散到部件的表面中以产生表面硬化的表面的热处理过程。在一些V和A1已经在凝固期 间与溶入钢中的N反应之后，剩余的V和A1通过与渗氮过程期间提供的N反应增强了渗氮 过程。
[0065] 熟悉本领域的技术人员将显而易知在不脱离本发明的范围的情况下，可以对公开 的微合金钢和将钢形成成品的方法做出各种修改和变更。通过考虑本文公开的说明书和实 践，熟悉本领域的技术人员将显而易知替代执行方案。说明书和实例意欲被认为仅仅是示 例性的，本发明的真实范围由所附权利要求书及其等效内容指出。
【主权项】
1. 一种具有通过渗氮形成的表面氮化层的锻钢部件，所述渗氮在经过热锻和受控空气 冷却但不进行热处理之后进行，所述锻钢部件的组成包括： C :0. 20重量％到0. 40重量％， Mn :0. 50重量％到1. 60重量％， Cr :0. 40重量％到1. 50重量％， Al :0. 07重量％到0. 30重量％， V :0. 03重量％到0. 20重量％， Si :0. 10重量％到0. 40重量％，以及 余量的Fe和附带杂质。2. 根据权利要求1所述的锻钢部件，其中所述钢部件在热锻之前先被加热到大约1230 摄氏度±30摄氏度。3. 根据权利要求1所述的锻钢部件，其中在所述受控空气冷却之后，所述锻钢部件的 显微结构按体积计大于50%的贝氏体。4. 根据权利要求1所述的锻钢部件，其中在所述受控空气冷却之后，所述锻钢部件的 显微结构是按体积计大于85%的贝氏体。5. 根据权利要求1所述的锻钢部件，其中所述锻钢部件的至少一个表面在所述受控空 气冷却之后具有的洛氏C硬度是至少25。6. 根据权利要求1所述的锻钢部件，其中整个所述锻钢部件的硬度落入大约25洛氏C 硬度到30洛氏C硬度之间的范围内。7. 根据权利要求1所述的锻钢部件，其中在锻造之后，所述受控空气冷却在大约900摄 氏度到500摄氏度之间以从每秒1摄氏度到每秒5摄氏度范围内的速率进行。8. -种生产锻钢部件的方法，包括： 将钢坯热锻，且接着在所述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： C :0. 20重量％到0. 40重量％， Mn :0. 50重量％到1. 60重量％， Cr :0. 40重量％到1. 50重量％， Al :0. 07重量％到0. 30重量％， V :0. 03重量％到0. 20重量％， Si :0. 10重量％到0. 40重量％，以及 余量的Fe和附带杂质。9. 根据权利要求8所述的方法，还包括在所述热锻之前将所述钢坯加热到大约1100摄 氏度到1260摄氏度的奥氏体化温度。10. 根据权利要求9所述的方法，还包括： 在所述热锻之后空气冷却所述锻钢部件，包括，随着所述锻钢部件在大约900摄氏度 与500摄氏度之间冷却，控制空气冷却速率使其落入每秒大约1摄氏度到每秒5摄氏度的 范围内。
【专利摘要】公开了锻造的微合金化及氮化钢部件，其具有包括0.20重量％到0.40重量％的C、0.50重量％到1.60重量％的Mn、0.40重量％到1.50重量％的Cr、0.07重量％到0.30重量％的Al、0.03重量％到0.20重量％的V、0.10重量％到0.40重量％的Si以及余量的Fe和附带杂质的组成。可以通过以下项生产所述部件：将不锈钢部件加热至大约1100摄氏度到1260摄氏度的奥氏体化温度，热锻不锈钢部件，且随着不锈钢部件从大约900摄氏度冷却至大约500摄氏度产生大于约50％贝氏体的主要贝氏体显微结构时，在以大约落入每秒1摄氏度至每秒5摄氏度范围内的速率热锻后，受控空气冷却所述不锈钢部件。所述不锈钢部件接着可以被机械加工成所需构造并且通过在含氨大气中加热予以氮化。
【IPC分类】C22C38/06, C22C38/24, C21D1/02, C22C38/38
【公开号】CN105143473
【申请号】CN201480016291
【发明人】K·W·伯里斯, A·塔哈姆坦, R·A·杜尚艾可
【申请人】卡特彼勒公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2014年3月21日
【公告号】US20140283954, WO2014153491A1