专利名称：高强度高韧性可焊钢以及由其制造构件的方法
技术领域：
本发明涉及高强度高韧性可焊钢。本发明还涉及用这种钢制造用于比如汽车部件等部件的钢构件的方法。
背景技术：
在用钢材料制造各种机器部件的情况中，如果两个或者多个部分可以焊接形成部件的形状，将容易制造复杂产品。这样，就可能通过将到现在一直用螺钉螺母结合的两个或者多个部分集中成一个部件以减少部件的数量，从而导致部件重量降低，并能够减少制造成本。然而，在部件需要高强度和高韧性的情形中，存在的问题是具有这些性能的钢可焊性差，由此，就难以通过将特定构件结合来制造所希望的部件。人们陷入两难选择，为了提高钢的可焊性，必须选择碳含量较低的合金组成，而低碳钢具有低硬度，低韧性和低强度。
为了使钢保持高可焊性，必须不能降低焊接部件周围受热影响的部分的韧性。通常，由于在焊接中所产生的热以及后续快速冷却过程所引起的马氏体转变，受热影响的部分的硬度会非常高到400HV的水平，这样，受热影响的部分变脆，并会出现焊接开裂。由于在马氏体转变后钢的硬度主要依赖于碳的含量，为了避免受热影响的部分发生过硬，必须保持其含量增加使硬度降低的各种组元的含量，特别是碳的含量。从这个观点考虑，已知并采用了一个保持其含量增加使硬度降低的组元含量的指标”焊接开裂敏感性指标(Index ofWeld-Cracking Susceptibility)”，这里后面将其简写成”Pcm”。
另一方面，太低的碳含量使钢的强度不足。这个问题的对策是通过在保持碳含量的同时，调节其它合金化元素的含量来提高钢的淬透性，由此，硬化层深度变深，且焊接产品平均硬度高，由此保持产品的强度。从这个观点考虑，已经讨论过一个确定影响淬透性的合金化元素最小含量的指标“锰等价物(Manganese Equivalent)”(这里后面简写成”Mneq”)。
作为用于建筑构造或者大型结构比如桥梁的低屈服比-高强度的钢，已经提出了一种具有特定合金组成的钢，该结构由(体积百分比％)5-30％的多角形铁素体，3-15％的MA(马氏体和奥氏体的混和物)以及余量的贝氏体组成，且MA的平均尺寸最大为5微米，作为具有好的韧性和可焊性的材料(日本专利公开No.2004-315925)。然而，该专利文献针对可焊性公开的仅仅是模拟焊接的热循环测试的结果(HAZ-韧性)。
本发明人所进行的研究是要找到在制造钢部件中保持受热影响的部分的韧性的方法，其中的基体金属保持必要的强度和韧性，同时满足条件将上述与焊接开裂敏感性和淬透性相关的两个指标选择在合适的值。他们发现了具有特定合金组成的有用的钢，并发现对其采用特定的工艺条件可以解决上面提到的问题。
发明内容
本发明的目的是利用发明人的知识，并提供具有高强度和高韧性，且仍然可以焊接的钢。提供利用这种钢制造机器部件构件的方法也包含在本发明的目的中。这里“可以焊接的(可焊的)”一词不但表示该钢可以焊接而没有焊接开裂，而且还指焊接的部件具有足够高韧性的有利性能。
依据本发明具有高强度和高韧性的可焊钢具有的基础合金组成的基本组成为，接重量百分比C0.10-0.16％，Si0.05-0.50％，Mn1.3-2.3％，Cu最多为0.5％，Ni最多为0.5％，Cr最多为0.5％，Mo最多为0.3％以及Ti0.025-0.035％，余量是Fe和不可避免的杂质，并满足条件由下面的公式1A所定义的焊接开裂敏感性Pcm小于0.35，以及由下面的公式2A所定义的锰等价物Mneq大于2.0。
1APcm＝C(％)+Si(％)/30+Mn(％)/20+Ni(％)/60+Cr(％)/20+Mo(％)/15+Cu(％)/202AMneq.＝Mn(％)+Cu(％)+Ni(％)/2+Cr(％)+Mo(％)
图1是依据传统技术或本发明制造钢构件的工艺的概念图。
图2是依据本发明的优选实施方案制造钢构件的工艺的概念图。
图3是依据本发明一个更优选的实施方案中的制造钢构件的工艺概念图。
图4是本发明的工作实施例中所得到的锻造温度与Charpy冲击值或者Vickers硬度之间的关系图。
具体实施例方式
本发明的钢除了上述合金组分外，可以含有B0.0003-0.005％。加入适量的B可以提高钢的淬透性且通常是优选的。在合金中含有B的情况中，上述公式1A和2A成为下述公式1B和2B1BPcm＝C(％)+Si(％)/30+Mn(％)/20+Ni(％)/60+Cr(％)/20+Mo(％)/15+Cu(％)/20+5B(％)2BMneq.＝Mn(％)+Cu(％)+Ni(％)/2+Cr(％)+Mo(％)+0.5
依据本发明制造钢构件的方法使用上述含有或者不含B的合金组成的钢并包括下述加工和热处理步骤之一1)在1050℃或者更高的温度下锻造得到构件形状，在冷却之后，再加热到A3转变温度或者更高的温度，并急冷硬化，并回火到确定的硬度(图1中的实施方案)2)在1050℃或者更高的温度下锻造得到构件形状，并在锻造后直接急冷硬化，并回火到确定的硬度；3)在高于1050℃但不超过1150℃的温度下锻造得到构件形状，并在锻造后直接急冷硬化，并回火到确定的硬度(图2中的实施方案)；4)首先在高于1050℃的温度下锻造，然后至少一次进一步锻造得到构件形状，其中最后一次锻造在900-1000℃的温度进行，并在最后一次锻造后直接急冷硬化，并回火到确定的硬度；以及5)在高于1050℃但不超过1150℃的温度下锻造，至少一次进一步锻造得到构件形状，其中最后一次锻造在900-1000℃的温度进行，并在锻造后直接急冷硬化，并回火到确定的硬度(图3中的实施方案)。
为由钢材料得到构件所进行的锻造步骤通常在例如大约1250℃的相对高的温度下进行，这样易于形变。本发明所采用的锻造方式，可以称为半热锻造，在相对低的温度下进行，比如高于A3转变点但低于1100℃，其与合适选择的焊接开裂敏感性和锰等价物一起，能够产生高的强度和高的韧性，这一直难以彼此相一致。
上面讨论的相对低的锻造温度，通过使硬化后的马氏体组织细化而提高韧性。为了利用这种机制，优选选择锻造设备所允许的尽可能低的温度，在900℃或者更高，但不能超过1000℃的范围。然后，如从下面的工作实施例的数据所看到的那样，在焊接部件中能够实现更高的韧性，由此，可以制造出优异的部件。
锻造操作可以分两步或者多步进行。此时，优选的最后一步锻造在上面提到的较低温度下进行以获得更好的结果，然后，直接急冷硬化。这将给出与整个锻造都在低温进行的情况下一样的效果。选择这样的步骤顺序可以将在容易形变的相对高温下进行的具有大形变的早期锻造和后期的或者余下的在相对低温下进行的锻造结合起来。在900-1000℃的范围内的温度下进行的锻造可以是具有小形变的所谓的热精压。
下面解释为什么这里的钢的合金组成按上述确定。
C0.10-0.16％碳是确保基体强度的必要组分。低于0.10％的小含量不能给出所希望的强度。另一方面，加入的太多影响可焊性并在受热影响的部分中导致较低韧性。由此，设定上限为0.16％。
Si0.05-0.50％硅在钢中作为脱氧剂。为了有效使用，加入0.05％或者更多的Si。过多加入会降低钢的可焊性和韧性，由此，加入量必须最多为0.50％。
Mn1.3-2.3％锰也是一种脱氧剂。在这里的钢中，锰是锰等价物公式中的组分的第一个组元。为了得到必需的锰等价物并确保强度，加入1.3％或者更多的锰。另一方面，太多的锰增加焊接开裂敏感性引起焊接开裂，进一步的，降低焊接部件的韧性。由此，锰的加入量最多为2.3％。
Cu最多为0.5％铜出现在锰等价物公式中。加入适量的Cu提高淬透性并对钢强度有贡献。大量加入影响钢的韧性，所以，加入的上限是0.5％。
Ni最多为0.5％镍对钢的淬透性有贡献，但对焊接开裂敏感性影响小，所以，要加入适量的Ni。因为这是昂贵的材料，从经济观点考虑，将上限设定为0.5％。
Cr最多为0.8％铬同样是出现在锰等价物公式中的元素并且提高淬透性。含量太多影响焊接开裂敏感性，所以，加入量必须最多为0.8％。
Mo最多为0.3％钼和镍与铬一样对淬透性有贡献。因为这种金属昂贵，建议加入最多为0.3％的少量。
Ti最多为0.06％钛与氮结合形成TiN，对提高强度有贡献。为了确保这种效果，加入一定量的Ti。然而，如果加入量太大，受热影响的部分的韧性会低。加入的上限是0.06％。优选的范围为0.015-0.05％。
B如果加入，0.0003-0.005％在急冷之前，硼偏析在奥氏体晶界上，并抑制铁素体转变，以提高淬透性。由此，推荐加入一定量的硼。然而，如果锰等价物高到2.0或者更高，以给出足够的淬透性，就没必要加硼。在加入情况下，合适的量在0.0003-0.005％的范围之内。
由于用本发明方法得到的钢构件的焊接开裂敏感性被抑制的很低，焊接的部件都不具有高达400HV的硬度，因此，可以在焊接过程中避免开裂问题，同时焊接部件韧性高。而且，通过在锻造后急冷，在整个构件中实现了这种具有高淬透性和足够硬度的钢。结果，通过焊接这些构件制成的部件具有高的强度。
实施例制备了具有如表1(重量百分比％，余量为Fe)所示合金组成的钢。这些钢加热到1100℃，并进行锻造，高度降低为50％以制成厚度为30mm的块状材料。将这些材料硬化，并从硬化后的材料上取下3mm厚的测试片，并在465℃下回火1小时。
将每种钢的两个测试片通过搭接角焊焊接。填料与基体金属材料相同。对这样角焊焊接部件进行硬度测试。结果如表2中所示。用基体金属的最大硬度来衡量可焊性，硬度低于400HV的那些记为“好”。硬度测试在厚度方向上的基体金属中部进行。250HV或者更高的那些评价为“好”，低于250HV的那些为“不好”。在表2中同时给出了对比实施例为什么在本发明权利要求之外的原因。
作为本发明工作实施例的钢“A”，“B”和“C”同时满足基体金属可焊性和硬度的要求。
由于如下原因，对比实施例“D”至“H”在基体金属可焊性和硬度之一或者两者上性能差D可焊性低，因为碳含量太大，并且Pcm值在本发明的范围之外；E基体金属硬度太高，由于Mn含量不足，使Mneq在所要求的范围之外；F基体金属硬度低。因为该钢不含硼，Mneq在本发明的范围之外；
G可焊性低。尽管合金化元素在本发明的范围之内，Pcm在范围之外；以及H基体金属硬度太高。尽管合金化元素的含量在范围之内，Mneq在范围之外。
表1
表2
然后，将工作实施例钢“A”和对比实施例钢“E”进行面积减小为65％的锻造，然后依据下面的四个加工和热处理工序进行急冷和回火。
1)热锻造/再加热-急冷/回火(传统技术，图1中的实施方案)将对比实施例钢“E”在1200℃热锻造，再加热到900℃并急冷→在465℃回火1小时。
2)热锻造/再加热-急冷/回火(本发明的实施例，图1中的实施方案)将工作实施例钢“A”在1200℃热锻造，再加热到900℃并急冷→在465℃回火1小时。
3)低温锻造-急冷/回火(依据本发明的优选实施例，图2和图3的实施方案)将工作实施例钢“A”在控制在1100℃的温度下锻造→在465℃回火1小时；将工作实施例钢“A”在控制在1100℃的温度下锻造并急冷→通过精压在900-1000℃锻造并急冷→在465℃回火1小时；4)低温锻造/急冷/回火(在本发明范围之外的对比实施例)将工作实施例钢“A”在控制在1100℃的温度下锻造并急冷→通过精压在800℃锻造并急冷→在465℃回火1小时。
对上述锻造和热处理的产品进行Charpy冲击测试以确定在23℃的冲击值，还进行硬度测试以确定Vickers硬度。锻造温度和冲击值或者Vickers硬度之间的关系如图4所示。图4表明，已知材料淬透性不足，所以，热处理后的硬度(强度)低，而本发明的钢具有足够的淬透性，呈现出满意的硬度和韧性。而且，在本发明的钢中，当最后的锻造温度低时，由于晶粒更细，可更多的提高强度和韧性。然而，如果最后锻造的温度太低，加工在低温奥氏体区进行，因此，会加速铁素体转变或者珠光体转变，并引起淬透性下降。此时，马氏体转变不充分，硬度(强度)将显著下降。
权利要求
1.用于制造机器部件的可焊构件的具有高强度和高韧性的钢，其具有的合金组成的基本组成为，按重量百分比C0.10-0.16％，Si0.05-0.50％，Mn1.3-2.3％，Cu最多为0.5％，Ni最多为0.5％，Cr最多为0.8％，Mo最多为0.3％以及Ti最多0.06％，且余量是Fe和不可避免的杂质，并满足条件由下面的公式1A所定义的焊接开裂敏感性Pcm小于0.35，以及由下面的公式2A所定义的锰等价物Mneq大于2.0，1APcm＝C(％)+Si(％)/30+Mn(％)/20+Ni(％)/60+Cr(％)/20+Mo(％)/15+Cu(％)/202AMneq＝Mn(％)+Cu(％)+Ni(％)/2+Cr(％)+Mo(％)。
2.依据权利要求1的钢，其中除了权利要求1中限定的合金组分外，该钢还含有B0.0003-0.005％，并满足条件由下面的公式1B所定义的焊接开裂敏感性Pcm小于0.35，以及由下面的公式2B所定义的锰等价物Mneq大于2.01BPcm＝C(％)+Si(％)/30+Mn(％)/20+Ni(％)/60+Cr(％)/20+Mo(％)/15+Cu(％)/20+5B(％)2BMneq＝Mn(％)+Cu(％)+Ni(％)/2+Cr(％)+Mo(％)+0.5。
3.使用依据权利要求1或权利要求2的钢作为材料制造钢构件的方法，其包括步骤在1050℃或者更高的温度下锻造该钢得到构件形状，再加热到A3转变点或者更高的温度，急冷，以及回火到预先确定的硬度。
4.使用依据权利要求1或权利要求2的钢作为材料制造钢构件的方法，其包括步骤在1050℃或者更高的温度下锻造该钢得到构件形状，在锻造后直接急冷，急冷并回火到预先确定的硬度。
5.权利要求4的方法，其中进行锻造所选择的温度在1050℃或者更高，但不超过1150℃的范围。
6.使用依据权利要求1或权利要求2的钢作为材料制造钢构件的方法，其包括步骤首先在高于1050℃或者更高的温度对该钢进行锻造，然后是至少一次另外的锻造以得到构件形状，最后一次锻造在900-1000℃的温度进行，并在最后一次锻造后直接急冷，急冷并回火到预先确定的硬度。
7.权利要求6中的方法，其中进行首次锻造所选择的温度在1050℃或者更高，但不超过1150℃的范围。
全文摘要
公开了高强度和高韧性的可焊钢，以及制造机器部件构件的方法。该钢的基本组成为，按重量百分比C0.10－0.16％，Si0.05－0.50％，Mn1.3－2.3％，Cu最多为0.5％，Ni最多为0.5％，Cr最多为0.5％，Mo最多为0.3％以及Ti0.025－0.035％，余量是Fe和不可避免的杂质，并满足条件由下面的公式1A所定义的焊接开裂敏感性Pcm小于0.35，以及由下面的公式2A所定义的锰等价物Mneq大于2.0。1APcm＝C(％)＋Si(％)/30＋Mn(％)/20＋Ni(％)/60＋Cr(％)/20＋Mo(％)/15＋Cu(％)/20 2AMneq.＝Mn(％)＋Cu(％)＋Ni(％)/2＋Cr(％)＋Mo(％)。
文档编号B23K35/22GK1940115SQ20061015927
公开日2007年4月4日 申请日期2006年9月26日 优先权日2005年9月26日
发明者藤原正尚, 吉田广明, 新川雅树, 梅野好和, 大塚利明 申请人:大同特殊钢株式会社, 本田技研工业株式会社