铁素体氮碳共渗零件及其制作和使用方法与流程

本公开总体涉及的领域包括零件及其制造和使用方法。
背景技术：
：当前，一些车辆零件可能会经历铁素体氮碳共渗。技术实现要素：本发明的一种变型示出了一种产品，该产品包括：铁素体氮碳共渗零件，该铁素体氮碳共渗零件包括钢，其中，铁素体氮碳共渗钢具有超过母钢材的抗张强度以及足以支持衬套的随后翻边和压装的延展性、弯曲性以及翻边性。热计划(包括氮碳共渗之前的亚临界退火和钢合金选择)的优化对维持足够的机械可制造性至关重要，并且所选择的合金的钒含量必须在最大可能程度上受到限制。由于铁素体氮碳共渗引起的对抗腐蚀性和石抗冲击性的相关益处得到了维持，并且不再需要通常应用的抗石击涂层来维持零件机械性能和腐蚀性能。准确的强度增加和相关弯曲性将取决于准确的工艺和合金组合，但随后给出了图示性示例。本发明的另一变型示出了一种方法，该方法包括：提供包括钢的零件；可选地将零件预热至400℃-500℃长达约2-4小时；在亚临界下使零件退火至约500℃-725℃长达约1-5小时；使零件冷却至约350℃-500℃；将零件加热至约500℃-650℃；其后使零件在500℃-650℃下进行铁素体氮碳共渗以在零件的表面上形成氮化铁层；以及使零件冷却以提供包括钢的铁素体氮碳共渗零件，其中，铁素体氮碳共渗钢具有相对于在氮碳共渗之前的钢而言增加的屈服和抗张强度。此外，维持了弯曲性和翻边性以进行随后制造，并且维持了氮碳共渗钢的抗腐蚀性和抗冲击性。本发明的其它图示性变型将从下文提供的详细描述中变得显而易见。应理解，尽管详细描述和特定示例公开了本发明的可选变型，但其意在仅仅用于图示的目的并且不意在限制本发明的范围。附图说明本发明的变型的选择示例将从详细描述和附图中得到更加全面的理解，其中：图1是根据多种变型制作的氮碳共渗零件的透视图。图2a是根据多种变型制作的氮碳共渗零件的透视图。图2b是根据多种变型制作的氮碳共渗零件的透视图。图2c是根据多种变型制作的氮碳共渗零件的透视图。图2d是根据多种变型制作的氮碳共渗零件的透视图。图3是根据多种变型制作的氮碳共渗零件的局部截面图的视图。图4是用于在零件经历铁素体氮碳共渗之前使零件经受亚临界退火的方法的温度随时间变化的曲线图。具体实施方式对变型的如下描述在性质上仅仅是图示性的并且决不意在限制本发明、其应用或者使用。在多种变型中，铁素体氮碳共渗零件2可以是车辆的部件，例如，如在图1中图示的。在多种变型中，铁素体氮碳共渗零件2可以包括表面46。在多种变型中，表面46可以是外表面46。在多种变型中，车辆10可以包括机动车辆、船只、航天器、航空器，或者可以是另一类型。在多种变型中，铁素体氮碳共渗零件2可以是车辆中的结构零件。在多种变型中，铁素体氮碳共渗零件2可以是保险杠、车罩挡屏、前夹、柱子、后顶盖侧板、门、行李箱、装饰件、轮辋、摇杆、防滚笼、支柱塔裙、框架、底盘、控制臂、纵向推力杆、车顶纵梁、横梁、车顶控制台、防入侵梁、仪表板梁、斜角撑、发动机罩、散热器梁、发动机架、纵梁、座椅轨道、底部车身空间框架、趾部连杆、踏脚板、后挡板框架、车顶纵梁、靠背组件、搁板面板组件、车罩组件、车门撞销组件、甲板槽、支柱塔组件、悬架横向件、车架纵梁、c形或者c形槽轨条、帽形框架、箱型框架、脊骨式管道、x形框架、周梁式框架、梯型框架、平台型框架、空间框架、副框架、脊骨式底盘、任何汽车结构部件，包括但不限于：杆、梁、支柱、压缩构件、系杆、横拉杆、眼杆、弹簧、引导线缆、悬索、钢缆、薄膜、外壳、剪切面板、扭力构件、轴向构件、剪切构件，或者可以是另一类型。参照图1，铁素体氮碳共渗零件2可以包括表面46。在多种变型中，表面46可以是摩擦表面46。在多种变型中，铁素体氮碳共渗零件2可以被机加工以在铁素体氮碳共渗零件2内形成至少一个孔40。在多种变型中，孔40可以被限定为在铁素体氮碳共渗零件2内或者侧部上的开口。在多种变型中，孔40可以是圆形的、多边形的、半圆形的、u形的，或者可以是另一类型。在多种变型中，孔40可以是被钻出的、用机器按路线引出的，或者可以是以另一种方式被形成。在多种变型中，至少一个插入件50可以被定位为与孔40接触。在多种变型中，插入件50可以将铁素体氮碳共渗零件2附接至车辆中的其它部件、撑杆或者隔间，或者可以以另一种方式进行使用。在多种变型中，插入件50可以用作车身附接点的电化学腐蚀隔离器或者车身附接点的紧固件，并且允许将铁素体氮碳共渗零件2附接至车身或者底盘内的其它零件。在多种变型中，插入件50可以是任何形状，包括但不限于，圆形、抛物线形、半圆形、椭圆形、多边形、三角形，或者可以是另一种形状。在多种变型中，插入件50可以包括叉尖。在多种变型中，术语“叉尖”可以被定义为插入件50的在不同于插入件50的其余部分的平面的方向上的突起。在多种变型中，插入件50可以由金属、聚合物、纺织品组成，或者可以是另一类型。在多种变型中，插入件50可以是呈元件、复合物，或者合金的形式的金属。在多种变型中，插入件50金属可以包括钛、钢、铸铁、合金钢、不锈钢、铂、钯、铝、铜、镍、铁、铅、锡、钴、青铜，或者可以是另一类型。在多种变型中，插入件50可以包括纺织品，该纺织品包括动物纺织品、植物纺织品、矿物纺织品或者合成纺织品。在多种变型中，插入件50可以包括复合材料，该复合材料包括但不限于：纤维增强聚合物、热塑性复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、有机基复合材料、纤维增强复合材料、聚酯、乙烯基酯、环氧基树脂、酚醛聚合物、聚酰亚胺聚合物、聚酰胺聚合物、聚丙烯、peek，或者可以是另一类型。在多种变型中，插入件50可以通过冲压和轧制进行预机加工，或者可以以另一种方式进行机加工。在多种变型中，插入件50可以是轴承，该轴承包括平面轴承、滚动元件轴承、宝石轴承、流体轴承、磁力轴承、挠曲轴承，或者可以是另一类型。在多种变型中，插入件50可以是平面轴承并且可以是整体式、衬套式、双件式，或者可以是另一类型。仍参照图1，在多种变型中，粘结剂30可以被保持为与铁素体氮碳共渗零件2或者插入件50接触。该接触可以导致粘结剂30、铁素体氮碳共渗零件2，或者插入件50，或者其任意组合之间的粘合或者粘结。在多种变型中，粘结剂30可以包括尿烷树脂、乙烯基酯树脂、聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、改性酚醛树脂，或者可以是另一类型。在多种变型中，粘结剂30可以是反应性性的或者不反应性。参照图2a至图2d，在多种变型中，插入件50可以包括不同的形状。参照图2a，在多种变型中，插入件50可以包括裂环形状。该裂开形状可以是任何模式。参照图2b，在多种变型中，插入件50可以包括u形状。插入件50可以包括在u的两侧或者一侧上的叉尖，或者可以包括在插入件50上任何地方的叉尖。参照图2c，在多种变型中，插入件50可以包括圆筒。插入件50可以包括在圆筒的侧部或者顶部上的叉尖，或者可以包括在插入件50上任何地方的叉尖。参照图2d，在多种变型中，插入件50可以包括方形c形状。在多种变型中，插入件50可以包括在圆筒的侧部或者顶部上的叉尖，或者可以包括在插入件50上任何地方的叉尖。在多种变型中，插入件50可以包含锯齿或者滚花以用于附接至车辆的另一零件(其可以是或者可以不是不同的铁素体氮碳共渗零件2)或者附接至附件(未示出)。在多种变型中，插入件50可以包含粘合剂以用于附接至扭力构件或者附件(未示出)。在多种变型中，附件可以被定义为能够与车辆零件附接的任何事物。在多种变型中，粘合剂可以是金属环氧基树脂、树脂、硅树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、氰基丙烯酸酯、uv固化，或者可以是另一类型。在多种变型中，铁素体氮碳共渗零件2可以由钢、碳钢、高强度低合金钢、微合金化钢，或者另一种相似的功能合金制成。碳(c)、锰(mn)、硅(si)，以及铌(nb)、钛(ti)和钒(v)的微合金添加物根据常规工业和/或个别客户的规范来进行控制以限制残余元素浓度。碳通常被限制为低于0.15重量％，锰通常被限制为低于2.0重量％，硅通常被限制为低于1.0重量％，并且微合金添加物被限制为低于0.2重量％。此外，钒被限制于其残余浓度(小于0.01重量％)并且不应该有目的地被包括在合金设计中以根据所概述的方法进行随后的铁素体氮碳共渗。在多种变型中，钢可以被热轧或者冷轧，并且母钢的屈服强度(在铁素体氮碳共渗之前)通常将被限制为小于1000mpa。应当理解，铁素体氮碳共渗零件2可以是被浇铸的、冲压的、锻造的、由粉末金属或者任何合适的成形工艺形成。在多种变型中，铁素体氮碳共渗(fnc)已经用于生产表面硬化的且抗腐蚀和磨损的铁素体氮碳共渗零件2。在多种变型中，铁素体氮碳共渗可以是在插入件50上完成。铁素体氮碳共渗可以用于处理铁素体氮碳共渗零件2上的复合区70，如在图3中示出的。在多种变型中，该工艺可以涉及碳钢零件的氮碳共渗。在多种变型中，铁素体氮碳共渗零件2可以在空气中进行预热并且然后被浸入在处于升高的亚临界温度下的熔融氮碳共渗盐浴中(或者经受通过气体、等离子体、流化床，或者其它气氛或者工艺进行的加热)长达预定时间。接着，铁素体氮碳共渗零件2可以被移除并且直接被浸入在处于适度地低于氮碳共渗盐浴的温度下的氧化盐浴中长达第二停留时间。接着，铁素体氮碳共渗零件2可以被移除并且通过使用水的应用或者空气中的缓慢冷却进一步被冷却至室温。该复合区70可以是初始地通过含铁材料的铁与可能存在于氮碳共渗盐浴中的氮和碳物质之间的反应所形成的含铁材料的外部部分。铁素体氮碳共渗的变型可以在美国专利申请出版物第2013/0000787a1号中找到。在其它变型中，氮碳共渗车辆部件2、2'、2″可以是通过如下工艺来进行铁素体氮碳共渗：气体氮碳共渗工艺、等离子体氮碳共渗工艺、盐浴氮碳共渗工艺、流化床氮碳共渗工艺，或者可以以另一种方式来完成。复合区70可以包括：氮化铁层74，氮化铁层74包括ε氮化铁fe2-3n以及较少量的γ'氮化铁fe4n(由氮碳共渗盐浴、气体工艺或者其它工艺形成)，以及表面氧化层72，表面氧化层72可以是在浸入氧化盐浴中期间或者在另一氧化气氛或者环境中形成，其中，氧化层72可以由氧化的氮碳共渗铁fe3o4组成。在多种变型中，复合区70可以具有在5至30微米的范围内的厚度，并且氧化层72可以具有在复合区的10％至50％的范围内的厚度。扩散层77可以在氮化铁层74底下并且可以是氮化铁层74与旋转构件的一部分(其可能超出铁素体氮碳共渗的范围)之间的过渡部。氮化铁层74可以具有低摩擦系数。扩散层77中的氮的浓度可以小于氧化层72下方的复合区70的氮化铁层74中的氮的浓度。氧化层72可以具有高于氮化铁层74的孔隙率。在多种变型中，氮化铁层74可以具有至少10微米的深度。在多种变型中，氮化层74可以具有约70％的最大孔隙率。在多种变型中，铁素体氮碳共渗钢可以具有如表格5所指示的单轴向张力和弯曲性能。根据多种变型示出了方法800。在多种变型中，在步骤802中，提供零件2。在多种变型中，零件2可以包括钢或者碳钢。在多种变型中，方法800可以包括：在步骤804中，可选地将零件2预热至约400℃-500℃长达约2-4小时。在多种变型中，方法800可以包括：在步骤806中，在亚临界下使零件2退火至约500℃-725℃长达约1-5小时。在多种变型中，方法800可以包括：在步骤808中，使零件2冷却至约350℃-500℃。在多种变型中，方法800可以包括：在步骤810中，将零件2加热至约500℃-650℃。在多种变型中，方法800可以包括：在步骤812中，使零件2在500℃-650℃下进行铁素体氮碳共渗以在零件2的表面上形成氮化铁层74。在多种变型中，方法800可以包括：在步骤814中，使零件冷却以提供包括钢的铁素体氮碳共渗零件，其中，铁素体氮碳共渗钢由于热处理而在张力和压缩强度上具有相对的增加，而在延展性和弯曲性以及抗腐蚀性、抗疲劳性和抗冲击性改善上没有灾难性损失。在多种变型中，对零件2进行铁素体氮碳共渗步骤的步骤812可以包括：形成复合区70和在复合区的外边缘处的表面，其中，表面46配置用于与对应的摩擦材料进行接合，并且其中，复合区70包括氮化层74，氮化层74包括ε氮化铁fe2-3n和γ'氮化铁fe4n。在多种变型中，氮化层74包括表面，该表面包括外表面46。在多种变型中，对零件2进行铁素体氮碳共渗步骤的步骤812或者使零件冷却的步骤814提供包括钢的铁素体氮碳共渗零件，其中，铁素体氮碳共渗钢由于热处理而在张力和压缩强度上具有相对的增加，而在延展性和弯曲性以及抗腐蚀性、抗疲劳性和抗冲击性改善上没有灾难性损失。零件可以包括在复合区中形成与氮化层叠加的氧化层72，其中，氧化层72包括表面，该表面包括外表面46。在多种变型中，对零件2进行铁素体氮碳共渗步骤的步骤812或者使零件冷却的步骤814提供包括钢的铁素体氮碳共渗零件，其中，铁素体氮碳共渗钢具有超过母钢材的抗张强度以及足以支持衬套的随后翻边和压装的延展性、弯曲性以及翻边性，并且可以包括在混合物中富含氮和碳的气氛中对零件2的热处理。在多种变型中，在图4中图示了方法800的作为时间的函数的温度曲线。在多种变型中，温度曲线可以示出在亚临界下使零件退火至约690℃长达约2.5小时的步骤806，随后使温度降低，如从温度曲线中的点x至点y示出的。术语“亚临界”指的是钢在ac1转变温度以下的退火，这意味着钢在退火过程期间仍是铁素体，而没有开始转变为奥氏体。在多种变型中，在使零件2在亚临界下退火的步骤806之后对零件2进行铁素体氮碳共渗的步骤812可以提供具有改进延展性和更高抗疲劳性的零件，如由图4指示的，同样具有该零件在约化质量下的更高强度和抗腐蚀性的fnc所提供的益处。表格5示出了来自单轴向张力测试的数据，表明了铁素体氮碳共渗钢在与高强度低合金(hsla)母钢相比时的强度改善。如下性质图示了在对恰当组成合金(没有钒)的冷轧340hsla钢(通用汽车公司规范的gmw3032m-st-s-cr340la-未涂层-u)进行亚临界退火(sca)铁素体氮碳共渗(fnc)热处理之后标准单轴向拉伸性质的变化。根据astme8来执行测试。所包括的是屈服强度(ys)、极限抗张强度(uts)以及伸长率。表格5cr在用sca(亚临界退火)进行fnc(铁素体氮碳共渗)之后接收的340hsla表格6示出了来自三点弯曲测试的数据，表明了在与非优化工艺/合金组合相比时利用优化热工艺对铁素体氮碳共渗零件的强度和弯曲性改善，该优化热工艺包括在氮碳共渗之前的亚临界退火(参照图4)和合金选择。表格6a(表格)：hta→标准fnc，htb→具有亚临界退火的fnc(参照图4)。通过样品id中的微合金添加物来识别合金。htb与排除钒的微合金添加物的组合显示出改进的弯曲性。根据vda238-100来执行测试。突出显示的性质指示恰当选择的合金/处理组合。表格6a如下表格概述了通过根据vda238-100的三点弯曲针对550la样品测量的钢化学过程。成分数据是按重量百分比(重量％)来进行报告。在表格6a中概述了三点弯曲测试的结果。表格6b合金cmnsinbtiv添加了ti550la0.061.020.020.0020.1190.008添加了nb/ti550la0.0551.240.050.0760.0350.003添加了nb/v550la0.0611.350.010.050.0010.077已经在本文以范围格式呈现了数值数据。应理解，使用该范围格式仅仅是为了方便和简洁，并且应该灵活地将其理解为不仅包括明确被叙述作为范围的极限的数值，而且包括该范围内涵盖的所有单个数值或者子范围，就如明确叙述了每个数值和子范围一样。例如，约550℃至约570℃的温度应该被理解为不仅包括明确叙述的约550℃至约570℃的极限，而且包括诸如552℃、569℃等单个量，以及诸如约555℃至约560℃等子范围。此外，当使用“约”来描述值时，这意在涵盖所阐明的值的微小变化(多达+/-10％)。对变型的如下描述仅仅用于图示被认为处于本发明的范围内的部件、元件、行动、产品和方法，并且决不意在通过具体公开的内容或者未明确陈述的内容来限制该范围。如本文所描述的部件、元件、行动、产品和方法可以以不同于本文明确描述的方式进行组合和重新布置并且仍被看作是处于本发明的范围内。变型1可以包括一种产品，该产品包括：铁素体氮碳共渗零件，该铁素体氮碳共渗零件包括钢，其中，铁素体氮碳共渗零件具有超过母钢材的抗张强度以及足以支持衬套的随后翻边和压装的延展性、弯曲性以及翻边性。变型2可以包括如在变型1中陈述的产品，其中，铁素体氮碳共渗零件包括用于车辆的结构部件。变型3可以包括如在变型1至2中任一项中陈述的产品，其中，铁素体氮碳共渗零件包括复合区和在复合区的外边缘处的表面，其中，表面配置用于与对应的摩擦材料进行接合，并且其中，复合区包括氮化层，该氮化层包括ε氮化铁fe2-3n和γ'氮化铁fe4n。变型4可以包括如在变型中陈述的产品，其中，氮化层包括表面，该表面包括外表面。变型5可以包括如在变型3中陈述的产品，其中，复合区进一步包括与氮化层叠加的氧化铁层，该氧化铁层包括外表面。变型6可以包括如在变型3中陈述的产品，其中，氮化层具有至少10微米的深度。变型7可以包括一种方法，该方法包括：提供包括钢的零件；将零件预热至约400℃-500℃长达约2-4小时；在亚临界下使零件退火，包括将零件加热至约500℃-725℃长达约1-5小时以及使零件冷却至约350℃-500℃；将零件加热至约500℃-650℃；使零件在约500℃-650℃下进行铁素体氮碳共渗以在零件的表面上形成氮化铁层；以及使零件冷却以提供包括钢的铁素体氮碳共渗零件，其中，铁素体氮碳共渗零件具有超过母钢材的抗张强度以及足以支持衬套的随后翻边和压装的延展性、弯曲性以及翻边性。变型8可以包括如在变型9中陈述的方法，其中，铁素体氮碳共渗包括气体氮碳共渗工艺、等离子体氮碳共渗工艺、流化床氮碳共渗工艺，或者盐浴氮碳共渗工艺。变型9可以包括如在变型9至10中任一项中陈述的方法，其中，对零件进行铁素体氮碳共渗的步骤包括：形成复合区和在复合区的外边缘处的表面，其中，表面配置用于与对应的摩擦材料进行接合，并且其中，复合区包括氮化层，该氮化层包括ε氮化铁fe2-3n和γ'氮化铁fe4n。变型10可以包括如在变型9至11中任一项中陈述的方法，其中，铁素体氮碳共渗零件包括用于车辆的结构部件。变型11可以包括如在变型11至12中任一项中陈述的方法，其中，氮化层包括表面，该表面包括外表面。变型12可以包括如在变型11至12中任一项中陈述的方法，其中，对零件进行铁素体氮碳共渗的步骤进一步包括：在复合区中形成与氮化层叠加的氧化铁层，其中，氧化铁层包括表面，该表面包括外表面。变型13可以包括如在变型11至14中任一项中陈述的方法，其中，氮化层具有至少10微米的深度。变型14可以包括如在变型9至17中任一项中陈述的方法，其中，对零件进行铁素体氮碳共渗的步骤包括：在混合物中富含氮和碳的气氛中对零件的热处理。变型15可以包括如在变型11至18中任一项中陈述的方法，其中，氧化铁层包括化学式fe3o4的氧化的氮碳共渗的铁。对本发明的选择示例的上述描述在性质上仅仅是示例性的，并且因此其变型或者变体不应被认为是背离本发明的精神和范围。当前第1页12