專利名稱：機械結構用鋼，熱-成形該鋼零件的方法和由此而得的零件的制作方法
技術領域：
本發明涉及鐵和鋼的冶金，更確切地，涉及由鋼制成的零件的制造，該鋼特別地可以用于機械結構，并用已知的“觸變鍛造”(thixoforging)工藝成形。
觸變鍛造屬于半-固態金屬成形的工藝范疇。
該工藝由加熱至固相線和液相線之間的坯料產生大幅度的變形組成。用于該工藝的鋼是那些常規用于熱-鍛造的，并且如果必要，預先進行冶金操作的鋼，該冶金操作由球化常規為樹枝狀的原始組織組成。事實上。這些樹枝狀原始組織是不能適用于觸變鍛造操作的。在加熱到固相和液相間溫度的過程中，存在于樹枝晶和樹枝晶間隙之間的微觀偏析就會使得鋼的熔化優先發生在這些樹枝晶間隙間。在這些液體和固體內部生長的成形操作期間，液相在施加力初始的第一階段就會被擠出。因此有必要使固相和液相的殘余變形以最大限度的從固相中分離，這就會導致力的增加。在此條件下進行的變形操作得到的結果較差大幅度偏析，內部缺陷。
另一方面，當觸變鍛造用于通過加熱到液相線和固相線之間溫度而使其達到半一固體狀態的球形結構鋼時，液相中的球形固體顆粒分布均勻。通過優化固體/液體比的選擇，就可能得到在相當大剪切應力的作用下具有高變形率的材料。它因此而具有較高的可變形能力。
然而在一定的條件下，可能在觸變鍛造前的加熱過程中就能得到所需的球形結構，而不必要進行球化分離原始結構的操作。特別的，當在由來自連鑄初軋坯和鋼錠的軋制條材制成的坯料上操作時就是這種情況。鋼承受的多重再加熱和大幅度變形會導致疊層和彌散結構，其中原始結構實際上是不可能呈現的。它可以在觸變鍛造前的加熱期間得到球形結構的固相。
與常規的熱一鍛造方法相比，觸變鍛造可以采用一個單一的變形操作生產可能具有很低成形力的薄壁(1mm或更少)的復雜幾何形狀的零件。事實上，在外部壓力的作用下適于觸變鍛造操作的鋼的行為與粘性液體相同。
對于機械結構用鋼來說，其中的碳含量可以從0.2％至1.1％變化，通過觸變鍛造工藝變形所必需的加熱溫度，舉例來說，對于100Cr6鋼種是1430℃+50℃＝1480℃(測定的固相線溫度+50℃以得到變形所必需的好的液相/固相比)和1315℃+50℃＝1365℃。
加熱溫度和形成液相的量是觸變鍛造工藝的重要參數。得到“好”溫度的容易程度和限制液相量的變化的離散此溫度的范圍取決于凝固范圍。凝固范圍越大，控制加熱參數越容易。
例如，此凝固范圍對于C38鋼種是110℃，對于100Cr6鋼種是172℃。因此處理具有低固相線溫度1315℃的后一鋼種就較容易。
觸變鍛造工藝中所用的非常高的成形溫度、大的變形率導致在常見的極端情況下變形工具上的熱應力。這就會導致使用熱態時具有很高機械性能的合金或陶瓷材料的那些工具。制造一定幾何體或大體積工具(插入件)的難度和生產它們的成本減緩了觸變鍛造工藝的發展。
本發明的目的是提出新鋼種，它比那些常規使用的鋼種能更好地適用于觸變鍛造，因為它們可以降低成形溫度，從而在變形工具上具有較小的熱應力，還因為它們會改善觸變鍛造期間鋼的行為。而且，這些新鋼種不會降低制得零件的機械性能。
為此目的，本發明涉及一種機械結構用鋼，特征在于其組成(重量百分數)是-0.35％≤C≤2.5％-0.10％≤Mn≤2.5％-0.60％≤Si≤3.0％-痕量≤Cr≤4.5％-痕量≤Mo≤2.0％-痕量≤Ni≤4.5％-痕量≤V≤0.5％-痕量≤Cu≤4％，如果Cu≥0.5％，則Cu≤Ni％+0.6Si％-痕量≤Al≤0.060％-痕量≤Ca≤0.050％-痕量≤B≤0.01％
-痕量≤S≤0.200％-痕量≤Te≤0.020％-痕量≤Se≤0.040％-痕量≤Pb≤0.070％-痕量≤Nb≤0.050％-痕量≤Ti≤0.050％余量為鐵和來自加工中的雜質。
Mn％/Si％的比優選大于或等于0.4。
此鋼也可以含有痕量≤P≤0.200％，痕量≤Bi≤0.200％，痕量≤Sn≤0.150％，痕量≤As≤0.200％，痕量≤Sb≤0.150％，且P％+Bi％+Sn％+As％+Sb％≤0.200％。
本發明還涉及一種熱-成形鋼零件的方法，特征在于-獲得具有前述成分的鋼坯；-如果需要，對鋼坯進行熱處理，以使其獲得球形原始結構；-在固體部分具有球形結構的條件下，將其加熱到其固相線溫度和液相線溫度之間的中間溫度；-對所述坯體進行觸變鍛造以得到所述零件；-對所述零件進行冷卻。
所述觸變鍛造優選在坯料中存在的液相物質部分為10～40％的溫度區域內進行。
所述冷卻優選在靜止空氣中進行，或者以比空氣中的自然冷卻速度更慢的速度進行。
正如可以理解的一樣，本發明基本由向通常通過觸變鍛造制造零件的鋼種中大量增加硅含量的技術構成。
事實上，硅的加入可以降低固相線的溫度，和在更小的范圍內，降低液相線的溫度。因此在具有相同液體部分下，鋼的觸變鍛造實施溫度就會降低。而且，凝固范圍就會增加，導致觸變鍛造實施更加容易，因為對于操作溫度的準確度變得不是那么重要。另一方面，硅具有提高金屬流動性的性能。
Mn％/Si％比優選保持大于或等于4。事實上，如果由于高的硅含量(例如1％或更多)導致流動性增加，則太低的錳含量就不能在連鑄期間的冷卻過程中給予金屬足夠的機械性能，從而有出現裂紋的危險。這種裂紋在觸變鍛造后的冷卻中也會由于同樣的原因出現，當零件的厚度變化較大導致局部冷卻速度有很大不同時更加突出。因此如果鋼的機械性能不足時，可能有利于裂紋出現的應力就會產生。
根據本發明的變化，該硅的加入可以與其他向硅一樣可以在晶界偏析的元素(磷、鉍、錫、砷、銻)一起加入。
本發明在閱讀參考附圖的下列描述后會更好理解，其中
圖1表示第一種參考鋼和由根據本發明的鋼而來的第一種鋼中作為溫度函數的液相比例；圖2表示第二種參考鋼和由根據本發明的鋼而來的第二種鋼中作為溫度函數的液相比例。
為了減少觸變鍛造期間施加于工具的應力，并且使之方便操作，本領域技術人員首要的解決方法，正如所述，由通過添加碳來降低加工溫度組成。此解決方法可以降低液相線和固相線溫度。然而，其缺陷在于它對鋼的機械性能有較大影響。
發明人設想對應力的有益影響可通過添加在晶界處具有強烈偏析趨勢的元素(硅、磷、鉍、錫、砷和銻)來獲得。
這種強烈偏析不是能經常找到的。
事實上，該偏析區域在比固相線低的溫度熔化(一般稱為燃燒溫度)，對對常規的熱-成形操作(軋制和鍛造)是不利的。
在一定的鍛造或軋制溫度下，低于變形金屬母體的固相線溫度，液體區域的存在是由于在低熔點偏析的元素，既使在固體晶界非常少的量(少許％)也會導致成形材料解體；這就是控制這些成形方法中變形機理的固體部分和成形所必須的壓力導致了(部分或全部)材料的破裂，這對產品的生產和其性能都是不利的。在液相大于10％的情況下，觸變鍛造就是這種情況，材料是兩-相的，在變形期間會導致非常不同的行為固體顆粒包含在液體中，如果固體顆粒間相互接觸(稱為搭橋)，破壞它們所必須的非常微弱的應力就不會引起材料的毀壞。
在觸變鍛造的情況下，其中大大超出燃燒溫度，偏析區域的熔化產生液體坑，這會促成和加速鋼內液相的形成。因此促進此現象是有利的。
因此，依靠本發明，如果不繼續添加上述至少一種元素，特別是硅，是可以獲得在低于通常必須的溫度下順利進行融變片的連所必須的夜相的量的。
根據本發明的鋼的碳含量可以在0.35％～2.5％變化。在此條件下，可以得到適宜用于機械結構的觸變鍛造鋼零件所需的冶金結構、機械性能和耐磨性。碳含量必須根據所需用途進行選擇。
根據本發明的鋼的硅含量可以在0.60～3％變化。和碳一樣，硅可以降低固相線和液相線溫度和擴大凝固范圍。它也對其它元素的偏析有協同的作用。等同地，它可以提高金屬的流動性。由于所述原因，Mn％/Si％比優選大于或等于0.4。
錳的含量可以是0.10～2.5％。它應該根據所需機械性能，與碳和硅的含量一起進行調整。它對液相線和固相線溫度有相對較小的影響。相對于參考鋼，得到一個最優的Mn％/Si％比使得不得不與硅的含量一起大幅度增加錳的含量，其它是相同的。
鉻含量可以是痕量～4.5％。
鉬含量可以是痕量～4.5％。
鎳含量可以是痕量～4.5％。
鉻、鉬和鎳含量的調整可以確保生產的零件的機械性能抗破裂、屈服強度和彈性。
釩的含量是痕量～0.5％。在彈性不重要的應用中，該元素可以獲得高機械性能的鋼，它能代替更昂貴的富鉻和/或富鉬和/或富鎳的鋼。
銅含量可以是痕量～4.0％。該元素可以增加機械性能、增加抗腐蝕性能和降低固相線溫度。應該注意，如果銅以高含量(0.5％和更多)存在，則鎳和/或硅也必須以足夠的含量存在以避免熱-軋制或鍛造問題的出現。一般認為，如果Cu％≥0.5％，則有必要使Cu≤Ni％+0.6Si％。
鋁和鈣(脫氧元素)的含量，分別是對鋁為痕量～0.060％，對鈣為痕量～0.050％。
硼(硬化元素)含量是痕量～0.010％。
硫含量是痕量～0.200％。高含量有利于金屬的機械加工性特別是如果其中加入了，比如碲(最高達0.020％)，硒(最高達0.040％)和鉛(最高達0.070％)元素。這些用于機械加工性的元素對固相線和液相線溫度只有較小的影響。當硫以較大的量加入時，最好使Mn％/S％的比至少為4以使熱-軋時缺陷不會形成。
鈮和鈦，當它們被加入時，能夠控制晶粒尺寸。它們最大允許含量為0.050％。
關于除了硅的偏析元素，它們的存在應該推薦，這些元素可以單獨存在或同時存在。如果它們單獨存在(也就是說，列表中的其它元素只以痕量存在)，為了得到顯著的效果，則必須至少有0.050％的磷、或0.050％的鉍、或0.050％的錫、或0.050％的砷或0.050％的銻。
磷、鉍、錫、砷和銻元素的總量最優選大于0.050％而不能超過0.200％以避免出現上述提到的熱-軋制或鍛造中問題，從而能夠得到用于觸變變形的坯料。
自然地，在液體金屬生產過程中添加砷的情況下，必須采取所有的必要措施以使釋放的毒氣采用不毒害煉鋼車間工作人員的方法收集。事實上，砷的存在通常來自銅或錫的添加，砷一般通過雜質伴隨其中。由于砷是一種高偏析元素，因此，必須考慮確保其與其它偏析金屬一起不會導致已提到的對熱變形的不利影響。
表1表示了由參考鋼和來自根據本發明鋼制成的第一對零件的成分。
表1參考鋼和根據本發明的鋼的試樣的成分(用重量％)
相對于參考鋼，可以看出，除了硅的大量加入外，為了重新建立與本發明優選的需要一致的Mn％/Si％比，錳的含量也有很大的增加。
圖1代表這兩種鋼中作為溫度函數的液相比例。
測定的固相線溫度，對于參考鋼為1315℃，對于根據本發明的鋼為1278℃。
測定的液相線溫度分別為1487℃和1460℃。這兩種鋼的凝固溫度范圍寬度分別為172℃和182℃。另一方面，鋼的液體部分所占比例為10～40％，且常被認為是最適易觸變鍛造的溫度范圍是
-對參考鋼，從1370至1422℃；-對根據本發明的鋼，從1382至1388℃。
因此可以看到該范圍降低了大約30至40℃且范圍擴大了8℃。所有在觸變鍛造期間能減少工具所受應力和容易獲得的條件的事都有利于操作的進行。如果在所述的限制范圍內加入非硅的其它偏析元素，則此影響就會加強。
表2表示由參考鋼和來自根據本發明另一種鋼制成的第二對零件的成分。
表2參考鋼和根據本發明的鋼的成分(用重量％)
相對于參考鋼，正如前述實施例中的理由，根據本發明的鋼中錳的含量又增加了，但是比例減少，因為此鋼中的硅含量在本發明所需范圍的下限。
圖2表示這些鋼中作為溫度函數的液相的比例。對于根據本發明的鋼測定的固相線溫度為1430℃和1415℃。測定的液相溫度分別為1528℃和1515℃。這兩種鋼的凝固范圍寬度分別為98℃和100℃。另一方面，其中包含的液相部分比在10～40％的溫度范圍是-對參考鋼，從1470至1494℃；-對根據本發明的鋼，從1437℃至1469℃。
因此可以看到該范圍降低了大約30℃且其范圍擴大了8℃。這有利于觸變鍛造期間工具上有較小的應力。此效果還可以通過進一步添加除硅外的偏析元素再次加強(特別是通過擴大此范圍)。
關于實施本發明將要考慮的固相線和液相線溫度的確定，應該注意，它們與那些在鋼成分基礎上，借助于文獻中通常采用的公式計算的結果并不總是一致的。事實上，這些公式在凝固期間從液體鋼到固體鋼的轉化和鋼的冷卻以及冷卻速度為每分鐘幾度的情況下是有價值的。
在考慮應用于觸變鍛造的測量的條件下，測量必須通過從固體鋼開始直至液體鋼，也就是說，在鋼的加熱然后熔化的情況下。試驗也在以每分鐘增加大約幾十度的條件下進行，與觸變鍛造操作前的加熱條件一致。
如果球形結構不存在或者在將進行觸變鍛造的零件加熱到合適的溫度期間不能得到球形結構時，對根據本發明鋼實施的觸變鍛造操作，對于原始結構的坯料，應該在通過加熱處理的情況下進行。正如所述，進行這種預先的熱處理的必要性或其他情況特別決定于坯料的經歷和其所承受的變形和熱處理。
如果坯料在觸變鍛造前突然冷卻，在觸變鍛造一定成分和經歷的鋼前得到此種球形結構，是可以被證實的。觀察到的結構正如冷卻前的結構。
關于觸變鍛造后的零件的冷卻，此冷卻必須在靜止空氣中進行，而且在零件橫截面變化較大的情況下，此類零件很常見，不能以強制方式進行，比如薄壁(1至2mm)與厚區域(5至10mm或更厚)連接。在這種情況下，是不能采用噴吹空氣的，因為會有在薄壁和厚區域間引入大量殘余應力的危險。這會導致表面缺陷，降低觸變鍛造零件的性能。
在一定的條件下，有必要降低零件的冷卻以有助于其不同零件的結構均一性。為了此目的，零件可以通過一個溫度控制在比如200-700℃的隧道。
然而，如果觸變鍛造的零件的橫截面中不會具有這種大幅度的變化，它可以在吹動的空氣中有效冷卻。此冷卻有利于在零件的橫截面中得到均一的冶金結構和好的機械性能。
權利要求
1.熱成形鋼零件的方法，特征在于-獲得具有以下成分的鋼坯-0.35％≤C≤2.5％-0.10％≤Mn≤2.5％-0.60％≤Si≤3.0％，且優選Mn％/Si％≥0.4-痕量≤Cr≤4.5％-痕量≤Mo≤2.0％-痕量≤Ni≤4.5％-痕量≤V≤0.5％-痕量≤Cu≤4％，如果Cu≥0.5％，則Cu≤Ni％+0.6Si％-痕量≤Al≤0.060％-痕量≤Ca≤0.050％-痕量≤B≤0.01％-痕量≤S≤0.200％-痕量≤Te≤0.020％-痕量≤Se≤0.040％-痕量≤Pb≤0.070％-痕量≤Nb≤0.050％-痕量≤Ti≤0.050％可選地痕量≤P≤0.200％，痕量≤Bi≤0.200％，痕量≤Sn≤0.200％，痕量≤As≤0.200％，痕量≤Sb≤0.200％，且P％+Bi％+Sn％+As％+Sb％≤0.200％，余量為鐵和來自加工中的雜質；-如果需要，可對鋼坯進行加熱處理，以獲得球形原始結構；-在固體部分具有球形結構的條件下，將其加熱到其固相線溫度和其液相線溫度之間的中間溫度；-將所述坯料觸變鍛造以獲得所述零件；-將所述零件進行冷卻。
2.如權利要求1的方法，特征在于所述觸變鍛造在坯料中存在的液體物質部分在10～40％的溫度區域進行。
3.如權利要求1或2的方法，特征在于所述冷卻在靜止空氣中進行。
4.如權利要求3的方法，特征在于所述冷卻在比在空氣中自然冷卻所得速度更慢的速度下進行。
5.鋼零件，其特征在于是通過權利要求1-4的任一權利要求中的熱-成形方法制得的。
全文摘要
本發明涉及一種用于機械結構的鋼，特征在于其以重量百分比計的成分為0.35％≤C≤2.5％；0.10％≤Mn≤2.5％；0.60％≤Si≤3.0％；痕量≤Cr≤4.5％；痕量≤Mo≤2.0％；痕量≤Ni≤4.5％；痕量≤V≤0.5％；痕量≤Cu≤4％，如果Cu≥0.5％，則Cu≤Ni％+0.6Si％；痕量≤Al≤0.060％；痕量≤Ca≤0.050％；痕量≤B≤0.01％；痕量≤S≤0.200％；痕量≤Te≤0.020％；痕量≤Se≤0.040％；痕量≤Pb≤0.070％；痕量≤Nb≤0.050％；痕量≤Ti≤0.050％；余量為鐵和來自加工中的雜質。本發明還涉及一種熱－成形鋼零件的方法，特征在于獲得前述成分的鋼的坯料；將其加熱到其固相線溫度和其液相線溫度之間的溫度，以得到液相和球形固相，通過觸變鍛造成形所述坯料以得到所述零件，并將上述零件冷卻。最后，本發明涉及所制得的零件。
文檔編號C21D7/13GK1508275SQ20031012228
公開日2004年6月30日 申請日期2003年12月4日 優先權日2002年12月5日
發明者M·羅貝萊, M 羅貝萊 申請人:阿斯克邁塔爾公司