用于在加热后恢复钢部件的结构的方法和钢部件与流程

本公开涉及一种用于在加热后恢复钢部件的钢结构的方法，以及通过该方法获得的钢部件。

背景技术：

例如轴承部件的钢部件经受关于强度、使用长度和对抗老化的微观结构稳定性的严格要求。这些钢部件要求的加工状态的材料具有均匀的微观结构以及精细分布的球状碳化物。

在轴承部件的生产期间，部件被加热到高温，例如在管和杆的焊接、热轧和锻造期间，线的热拉期间，以及环的热轧和锻造期间。在加热步骤后，产生的钢部件通常被收集和放置以冷却。当被加热到这样的高温时，钢的微观结构被影响。另外，在随后的冷却期间的条件将冲击钢的微观结构。当被收集和放置以一起冷却时，部件可能以不同的冷却速率冷却下来。导致部件之间的不均匀的微观结构。对于已缓慢的冷却下来的部件，可能已形成晶界渗碳体(grain boundary cementite)，而对于允许较快的冷却的部件，有形成马氏体的危险。为了使被加热且后续被冷却的环的微观结构恢复和正常化，环需要被再退火。这样的环的退火可能需要相当长的时间，例如在24小时和48小时之间。

闪光对焊(Flash-butt welding)或“闪光焊”是用于接合的金属段(例如钢部件)的电阻焊接技术，其中段被端部对端部的对准且被带电，产生电弧以熔化和焊接段的端部，产生非常坚固和光滑的接头。

闪光焊接电路通常由低电压、高电流能量源(通常是焊接变压器)和两个夹紧电极组成。要被焊接的两个段被夹紧在电极中并聚集在一起直至它们相遇，形成轻微接触。变压器的通电导致高密度电流流动通过彼此接触的区域。闪光开始，且段以足够的力和速度被锻造在一起以维持闪光行为。在热梯度已建立在要被焊接的两个表面上之后，顶锻力(upset force)被施加以完成焊接。该顶锻力从焊接区挤出炉渣、氧化物和熔化的金属，在被加热的 金属的变冷的区域中留下焊接炉瘤(accretion)。在夹子被打开以释放被焊接的物品之前，接头随后被允许稍微的冷却。焊接炉瘤可能被留在原处，或者通过剪切或研磨被移除，这取决于需求，同时被焊接的物品仍然是热的。尽管闪光对焊是简单和有效的焊接技术，但在部件的(多个)焊接接头附近的部件的物理性能可能被闪光对焊有害的影响，这是由于在闪光对焊期间和之后，可能发生例如焊接/淬火开裂的缺陷，而且是由于钢在围绕焊接接头的热影响区(HAZ)中的微观结构可能被闪光对焊改变。

技术实现要素：

本公开的一个目的是提供一种有效和节约时间的方法，用于在加热到高温后恢复钢结构以提供钢部件，例如是在管和杆的焊接、热轧和锻造之后，线的热拉之后，以及环的热轧和锻造之后，钢部件例如是轴承部件，其具有恢复的微观结构并因此有正确硬化的微观结构以达成改善的耐磨性，例如改善的滚动接触疲劳性能。此外，由于根据本公开的方法可以与加热步骤一致的执行，从第一加热步骤产生的能量可以在随后的恢复步骤期间利用，从而节省了能耗。

此目的由根据权利要求1的用于在加热后恢复钢结构的方法来实现。

因此，本公开涉及一种用于在加热后恢复钢部件的钢结构的方法，该方法包括以下步骤：a)将钢部件加热到至少1100℃的温度，b)将该钢部件淬火到高于上马氏体起始(Ms)温度的温度，并在此温度下以足够的保持时间维持该钢部件来转变所有的奥氏体，c)将该钢部件再加热到950至1110℃，d)将该钢部件淬火到高于上马氏体起始(Ms)温度的温度，并在此温度下以足够的保持时间维持该钢部件来转变所有的奥氏体，e)将该钢部件再加热到高于Ac₁转变温度(即铁素体形成奥氏体的起始温度)且低于800℃的温度，并在此温度下以足够的保持时间维持该钢部件以启动和完成球化，f)当球化完成时，冷却该钢部件，并自Ar₃转变温度(即奥氏体转变为铁素体的起始温度)的冷却期间维持20℃/h或更低的冷却速率，直至达到Ar₁转变温度(即所有的奥氏体完全转变为铁素体的温度)。

可选的，步骤a)可以包括在至少1100℃的温度下通过热轧、锻造和/或热拉形成钢部件。

可选的，步骤a)可以包括在至少1100℃的温度下焊接钢部件以形成 焊接接头，其中该焊接接头可选的可以是闪光对焊接头。

可选的，步骤b)可以包括将钢部件淬火到高于Ms且低于450℃的温度，并在此温度下以足够的保持时间维持该钢部件来转变所有的奥氏体。

可选的，步骤d)可以包括将钢部件淬火到高于Ms且低于450℃的温度，并在此温度下以足够的保持时间维持该钢部件来转变所有的奥氏体。

可选的，步骤e)可以包括将钢部件再加热到高于765℃且低于800℃的温度，并在此温度下以足够的保持时间维持该钢部件以启动和完成球化。

可选的，步骤f)可以包括冷却钢部件，当球化完成时，从Ar₃转变温度且直至Ar₁转变温度的同时维持从20℃/h至10℃/h的冷却速率。

可选的，该方法还包括在步骤f)之后的步骤g)，在步骤(g)中以足够的时间保持钢部件以允许贯通整个钢部件的温度的均衡。

可选的，钢部件是高碳钢部件。

可选的，钢部件是轴承部件，例如轴承环。

本公开还涉及使用根据本发明的任意方面的方法制造的钢部件。本公开还涉及包括焊接接头的钢部件，焊接接头例如是闪光焊接接头，其可以使用根据本发明的任意方面的方法来制造。可选的，钢部件可以是用于轴承的轴承环，轴承例如是滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、球形滚子轴承、环形滚子轴承(tyroidal roller bearing)、推力轴承、或者用于任何应用的轴承，在这些应用中轴承经受交替的赫兹应力，例如滚动接触或者结合的滚动和滑动。轴承可以例如用于汽车、风力、海运、金属生产、或者需要高耐磨性和/或增加的疲劳和拉伸强度的其它机械应用。

附图说明

在下文中将参考本文随附的示意性附图通过非限定性的示例来进一步解释本公开；

图1示出了根据本公开的一个实施例的方法。

图2示出了根据本公开的一个实施例的将被闪光对焊的夹紧的开口环。

图3示出了根据本公开的一个实施例的轴承。

具体实施方式

在轴承部件的生产期间，通过管和杆的焊接、热轧和锻造，线的热拉， 以及环的热轧和锻造，钢被加热到高温，例如高于大约1200℃。由这些金属形成工艺产生的部件随后通常收集在例如容器中并被放置以冷却。

当被加热到这样的高温时，钢的微观结构受到影响，并且用于钢的冷却速率也将影响微观结构。当被放置以一起冷却时，各部件可能以不同的冷却速率冷却下来，导致部件之间的不均匀的微观结构。对于缓慢的冷却下来的部件，可能形成晶界渗碳体，而对于允许较快的冷却的部件，有形成马氏体的危险，两种情况都会导致不期望的微观结构。

当形成高碳钢时，高碳钢例如适合于轴承部件7、8、9，例如轴承环7、8，钢需要进行软化退火状态以避免开裂。这意味着钢的细晶粒均匀微观结构包括球化的碳化物。为了使被加热且后续被冷却的部件恢复和正常化，部件需要被退火。这样的部件的退火可能需要相当长的时间，例如在24小时和48小时之间。包括钢部件的再加热的这种退火处理导致高能量消耗。

本文的“高碳钢”意味着碳钢的碳含量为大约0.6重量％或更高，例如大约0.6至大约1.2重量％，例如大约0.8至大约1.2重量％。高碳轴承钢可能是来自斯凯孚(AB SKF)的100Cr6/SAE52100和100CrMo7-4。

可选的，钢可以具有以下重量％的元素：

平衡铁以及正常出现的杂质。

退火是公知的改变材料(本文是钢)的物理性能的热处理方法，以增加 材料的延展性并使得材料更具可用性(workable)。退火包括将材料加热到高于其玻璃化转变温度，维持合适的温度，并随后冷却。退火可以通过使材料均匀来引起延展性、软化材料、缓解内部应力、细化结构，以及改善的冷工作性能。

图1示出了根据本公开的方法。该方法包括步骤a)，在步骤a)中将钢部件加热到至少1100℃的温度，例如至少1200℃。作为将部件冷却至大约室温的替代，钢部件可以直接经受包括步骤b)至f)的方法。已经发现，使钢部件直接经受这些方法步骤，可以按成本有效的一致方法来完全的恢复钢部件的微观结构并给与正确硬化的微观结构。根据本公开的方法因此还包括步骤b)，其中钢部件经受淬火，至高于上马氏体起始(Ms)温度的温度，例如高于Ms温度10℃至20℃，并在此温度下以足够的保持时间维持该钢部件来将所有的奥氏体转变为贝氏体和珠光体。该步骤因此是用于钢部件的微观结构的恢复的起始步骤。该步骤的目的是避马氏体的形成，并开始恢复期望的微观结构。该步骤b)还可以包括将钢淬火至高于Ms且低于450℃的温度。在该温度区间中，形成珠光体的危险被大大减少。为了进一步最小化晶界渗碳体的危险，步骤b)可以包括将钢部件淬火至300至350℃的温度。然而，微观结构的恢复也可能发生在当珠光体形成时，这发生在大约450和600℃之间。该步骤可以通过流化床，浸没在盐浴中、液氮中或空气蒸汽中等来执行。

该退火步骤的一个目的因此是避免晶界渗碳体的形成。这也可以通过以足够快的冷却速率来淬火钢部件以避免晶界渗碳体来确保，如可以参考CCT图来确定。CCT图可以已经预先准备、存储在数据库中、或以其它方式使其可用，以控制冷却速率。当然也可以准备CCT图并且用于确定在淬火和加热步骤期间应用的温度和冷却速率。

为了检测和确定何时已完成所有的奥氏体至贝氏体的转变，技术人员可以使用膨胀计。膨胀计是一种实验技术，其允许检测和追踪发生在不同材料(特别是钢)中的固态相变。相变产生体积变化，且这些变化可以通过研究具有标准化尺寸的样品在其加热和冷却期间的长度变化来记录。长度改变的速率和方向随温度的变化(膨胀/收缩)允许确定发生钢的相变的温度。

当已经实现期望的冷却时，钢部件可以被转移至熔炉，以在150-260℃的范围中的温度下等温保持。目标是使钢部件达到320℃附近的温度，并 保持该温度大约2小时，例如至少1.5小时。这样做的目的是确保所有的奥氏体完全转变为贝氏体，而且当加载钢部件时，还有助于处理钢部件和避免高温熔炉温度。

方法还包括步骤c)，在步骤c)中将钢部件再加热到大约950至大约1110℃的温度。该步骤将使晶粒尺寸正常化，以获得期望的钢强度，并使在焊接和后续冷却期间形成的不期望的初生碳化物(由铬、钼和锰形成)溶解。当冷却和后续再加热钢部件时，形成初生碳化物，这些初生碳化物具有小晶粒尺寸，其对于恢复的微观结构不是优选的。

钢部件随后在步骤d)中被淬火至高于上马氏体起始(Ms)温度的温度，例如高于Ms温度10至20℃，并在此温度下保持足够长的时间以转变所有的奥氏体，来形成贝氏体和/或珠光体。该步骤d)还可以包括将钢构件淬火至高于Ms且低于450℃的温度。在这后一种温度区间下形成贝氏体，这减少了晶界渗碳体的危险并使得恢复简单和快速。为了甚至进一步的最小化晶界渗碳体的危险，步骤d)可以包括将钢部件淬火至300至350℃的温度。淬火可以在流化床中执行，通过浸没在盐浴中、液氮中或空气蒸汽中等。通过该步骤，晶粒已恢复它们的大约10-20μm的适当尺寸，并且还避免了晶界渗碳体。进一步确保了没有珠光体(即层间相间结构)被留下而弱化结构。

根据本公开的方法随后包括步骤e)，其中钢部件被再加热到高于Ac₁转变温度且低于800℃的温度，并维持足够的保持时间以启动和完成球化。这可以例如发生在高于约765℃且低于800℃的温度。如果钢部件将被加热到高于800℃，锰可以从碳化物被释放，这减慢了处理。此外，当将钢部件再加热到高于800℃时，可能形成珠光体，例如上文所解释的，其可能弱化结构。加热钢构件所需的时间为每mm部件的厚度大约1分钟。

球化是一种热处理，在球化期间钢结构中的珠光体被转变为球状形式。该热处理需要大约一至三小时。球化的完成导致降低钢环1的拉伸强度，并增加延展性。降低的拉伸强度和延展性的增加是不期望的硬显微组分中的碳化物的球化或聚结(coalescing)的结果。

为评估钢的球化的程度，可以使用标准方法SEP 1520(第三版)。在该标准方法中，在显微镜下观察微观样品，并针对含有碳化物结构的特性特征的系列图进行直观的比较和分级。用于该评估的系列是系列3，且当被比较的样品对应于3.0的分级时，钢的球化被认为完成。当球化完成时，钢部件 应当从热源直接移除，并启动下一步骤f)。如果钢部件被连续的加热直到从钢部件取得的样品对应于根据方法SEP 1520的分级3.1，那么产生的钢将与在钢部件的冷成型期间的形成开裂的危险相关联。

对于高碳钢环，在此温度区间下实现球化处理的启动和完成所需的时间通常为大约1至3小时。然而，珠光体片晶(lamellae)溶解为球状体的速率也可能取决于外界条件。

本文中的“Ac₁转变温度”意味着铁素体形成奥氏体的起始温度。

该步骤e)，已经被发现允许碳化物的扩散，且产生的钢部件的微观结构是软铁素体基质(soft ferritic matrix)中的精细球形颗粒的微观结构。该步骤的主要目的是减少钢材料的硬度，以及完全恢复钢部件的初始微观结构。

根据随后的冷却步骤f)，其在球化完成后直接启动，当温度在Ar₃转变温度和Ar₁转变温度之间的范围时，在钢部件的冷却期间维持20℃/h或更低的冷却速率，以确保均匀的碳化物分布以及保持期望的微观结构。当钢部件的温度在这些转变温度之间的范围时，冷却速率也可以是从20℃/h至10℃/h。在可选的随后的步骤g)中，钢部件周围的温度被保持足够长的时间以允许贯通整个钢构件的温度的均衡。在最终步骤之后，可以通过任何期望类型的冷却将钢部件冷却到室温，例如通过风冷。

本文中的“Ar₃转变温度”意味着奥氏体转变为铁素体的起始温度，而“Ar₁转变温度”意味着所有的奥氏体完全转变为铁素体的温度。

获得的钢部件(例如轴承部件)的性能，已经被发现在钢部件之间完全均匀，且完全恢复到初始的软退火条件，具有大约200HB 10/3000的布氏硬度值，如由测试方法ASTM E10-12(用于金属材料的布氏硬度的标准方法)所测得。这因此导致了改善的耐磨性，例如改善的滚动接触疲劳性能和因此延长的轴承寿命，并且导致了各部件之间的有保障的同等质量。

此外，对于60mm的部件，根据本公开的恢复方法需要大约8小时，与之相比，对于同样的部件，传统的退火处理需要24至48小时。本公开所具有的进一步的优点在于，该恢复方法可以与热处理一致的执行，且因此可以利用在热处理期间产生的一些能量，而不是通过将能量转换成热量而损失。

一种制造轴承部件7，8，9(例如轴承环7，8)的方法包括闪光对焊。软化退火的钢板随后例如在辊压机中被轧制和弯曲，以形成开口轴承环2。当形成高碳钢时，其适合用于轴承部件，钢需要进行软化退火条件以避免开 裂。这意味着钢的细晶粒均匀微观结构包括球化的碳化物。开口轴承环2的端部3，4可以被闪光对焊在一起以形成轴承环7，8。

当闪光对焊开口环2时，如图2所示，使用两个夹紧电极5，6在要被焊接的端部3，4附近将环夹紧，且端部3，4随后被聚集在一起直至它们相遇，形成轻微接触，并形成闪光对焊接头。当在焊接期间将环总体上加热到大约200℃时，在夹子之间，形成在焊接接头的热量为大约1300至大约1500℃。在两电极之间的区域(热影响区域(HAZ))中产生的钢环7，8的微观结构因此被影响，且HAZ中的钢部件1的性能劣化。对于轴承环7，8，该区域的滚动接触疲劳性能是不合格的。

已经发现，如果使焊接(例如闪光对焊)之后的钢部件经受根据本公开的包括步骤b)至f)的方法，热影响区域中的钢部件的微观结构变为完全恢复至初始的软化退火条件，其具有大约200HB 10/3000的布尔硬度值，导致改善的耐磨性，例如改善的滚动接触疲劳性能以及因此延长的轴承寿命。

图3示出了轴承1的示例，也就是滚动元件轴承，其可以在10mm直径至数米直径的范围中，并具有从数十克至数千吨的承载能力。即根据本公开的轴承1可以具有任何尺寸并具有任何承载能力。轴承1具有内环7和外环8，以及一组滚动元件9，内环7和外环8中的一个或两个可以由根据本公开的环构成。