用于制造鋼材部件、焊縫、焊接鋼材部件和軸承部件的方法
【專利說明】用于制造鋼材部件、焊縫、焊接鋼材部件和軸承部件的方法
[0001]本申請是SKF公司向中國專利局提交的發明名稱為“用于制造鋼材部件、焊縫、焊接鋼材部件和軸承部件的方法”、申請號為200980125484.X、國際申請日為2009年7月10日的發明專利申請的分案申請。
技術領域
[0002]根據第一方面，本發明涉及用于制造鋼材部件的方法。
[0003]根據第二方面，本發明涉及第一焊縫。
[0004]根據第三方面，本發明涉及第一焊接鋼材部件。
[0005]根據第四方面，本發明涉及第二焊縫。
[0006]根據第五方面，本發明涉及第二焊接鋼材部件。
[0007]根據第六方面，本發明涉及第三焊接鋼材部件。
[0008]根據第七方面，本發明涉及制造軸承部件的方法。
[0009]根據第八方面，本發明涉及包括焊縫的軸承部件。
【背景技術】
[0010]焊接是接合鋼材部件的有效方法。但是，隨著鋼材含碳量升高，焊接過程中出現的問題越來越多。已知與含碳量升高有關的問題例如可能是導致在焊接過程中、幾乎直接在焊接之后或者在承受載荷時容易發生裂紋。這是因為焊接過程中形成在熔融區域和熱影響區域中的脆性片狀馬氏體晶粒非常巨大。
【發明內容】
[0011]本發明的目的是提供一種焊接具有良好強度、良好抗疲勞性和承載能力的鋼材部件的方法，并且所述方法簡單且成本低廉。
[0012]本發明存在許多方面，其中根據第一方面的方法產生構成其他方面的基礎的結論。
[0013]根據本發明第一方面，利用一種制造鋼材部件的方法實現上述目的，所述鋼材部件包括第一鋼材部分和第二鋼材部分，其中所述第一和第二鋼材的含碳量高達1.5重量百分比(wt%)。根據所述方法，第一鋼材部分和第二鋼材部分至少部分地加熱到α/γ轉變溫度以上。在后續步驟中，第一鋼材部分和第二鋼材部分通過焊接接合，并且焊接發生在α/γ轉變溫度以上的溫度。在后續步驟中，施加冷卻以避免硬化效應。這樣導致根據本發明第二方面的第一焊縫。
[0014]通過在α/γ轉變溫度以上的溫度(奧氏體條件)進行焊接，并凝固焊件且以受控方式進一步進行冷卻，可以控制相變，這樣阻止了形成硬質相和脆性相。將鋼材、至少需要彼此接合的部分或部件加熱到略高于α鐵(在100Cr6的情況下為鐵素體+碳化物)到Y鐵(奧氏體)相變的溫度，即大約750到850°C，將導致碳化物逐漸溶解，并且針對時間和溫度來說，在全部碳化物溶解時，將發生晶粒長大。如果在上述溫度下進行焊接，使得焊接區域內的所有材料處于奧氏體條件下，則大量碳化物、或者在某些情況下全部碳化物將不會溶解。液體熔融區域將具有成完全熔體的全部的碳。如果液體焊接金屬以及鄰近的熱影響區凝固并冷卻而不進行適當控制，則液體熔融區域中全部碳的完全熔體將導致發生裂紋的風險非常高。這種控制由本發明來實現，使得較之現有技術已知的狀況而言，焊件發生裂紋的風險較小。
[0015]熔融區域、熱影響區和剩余鋼材從焊接溫度凝固并冷卻需要進行控制。原則上，冷卻速率應使得不會向任何硬化相(馬氏體或貝氏體)發生相變。如果冷卻過程得到良好控制，則在熔融區域(焊件)以及熱影響區內形成完全或部分珠光體組織，而焊接部件的剩余部分加熱到α/γ轉變溫度以上。在實施方式中，具有受限晶粒尺寸的小晶界碳化物形成在熔融區域(焊件)中。晶界碳化物的數量取決于總含碳量以及冷卻速率。
[0016]焊接和受控冷卻之后的最終微觀結構應該完全或部分是珠光體組織，并且在一種實施方式中，具有少量非連續的晶界碳化物以及可接受的晶粒尺寸。鋼材中可用的總含碳量決定了以受控速率冷卻時珠光體、碳化物和鐵素體的發展。這樣導致焊件較之現有技術中已知情形而言，發生裂紋的風險較小。
[0017]在受控冷卻之后的微觀結構中，低碳鋼具有珠光體加鐵素體，或者全部是珠光體。含碳量大約為0.7wt %的低碳鋼將形成完全珠光體微觀結構，并且如果含碳量低于大約
0.7wt%，則在從焊接過程進行受控冷卻之后，將形成帶有鐵素體的珠光體。鐵素體數量隨著含碳量降低而增多。
[0018]焊接之后進行受控冷卻的目的在于:避免發生不希望的相變，例如硬化；避免焊件和HAZ中發展出內應力；在焊接部件中形成均勻的微觀結構，準備用于焊接后的熱處理，例如球化退火/硬化等；使得焊接后熱處理部件準備用于機加工或其他處理，以賦予該部件“軟加工”形狀和尺寸；將構形部件硬化到要求的微觀結構屬性。
[0019]受控冷卻涉及眾多因素，例如用于焊接鋼材的連續冷卻轉變(CCT)曲線。例如，在一種實施方式中，對于1%碳鋼而言，在冷卻經過CCT曲線上的珠光體區域時，鋼材向珠光體轉變從大約670度開始，將形成帶有一定量晶界碳化物的完全珠光體。時間溫度/循環取決于焊接部件的形狀和尺寸。受控冷卻過程中的轉變將針對部件的橫截面確定。這可能不同于保護氣氛中的自然冷卻，直到全部部件進行完轉變。例如，在部件截面太大時，鋼材芯部將保持太熱而不能轉變，并且將形成過大的晶界碳化物。在這種情況下，在部件表面區域已經轉變為珠光體之后，可以實施提高冷卻速率。
[0020]例如，在一種實施方式中，可以在保護氣氛中、在860度實施焊接，焊件熔池中的溫度高于1600度(熔化的鋼)，部件處于保護氣氛中并冷卻，直到整個部件(或者預加熱區域)和焊接區域冷卻到860度。這一過程可能花費若干分鐘。從860度開始，所述部件可以冷卻到CCT曲線上所示的溫度。進一步的冷卻循環由上述因素決定。在一種實施方式中，所述部件轉移到爐具中并在保護氣氛中在爐具中冷卻下來，以形成珠光體組織。
[0021]在一種實施方式中，所述方法進一步包括軟退火步驟。通過增加該步驟，提供了根據本發明第四方面的第二焊縫，其中所述焊縫將包括鐵素體和碳化物。這也有利于進一步處理，例如焊接鋼材部件的機加工或者變形。較之現有技術中已知的情形，產生了裂紋風險較小的焊縫。
[0022]在一種實施方式中，所述方法進一步包括硬化所述鋼材部件的步驟。通過這一步驟，可以賦予焊接鋼材部件實現要求的功能所需的屬性。這例如可以通過硬化由馬氏體或貝氏體來實施。也可以實施表面硬化，諸如感應硬化、激光硬化等。
[0023]在一種實施方式中，可以在保護氣氛中實施加熱、焊接或冷卻。
[0024]在一種實施方式中，利用功率射束焊接過程，例如激光焊接或電子束焊接來實施焊接。
[0025]在一種實施方式中，利用電弧焊接過程實施所述焊接。
[0026]在一種實施方式中，利用混合焊接過程例如功率射束與電弧焊接的組合過程來實施焊接。這種過程的示例例如是激光焊接加GMAW(MIG)。
[0027]在一種實施方式中，可以利用向焊件熔池增加填料的眾多已知技術中的一種來在焊接過程中使用適當填料。
[0028]根據本發明第二方面，提供的第一焊縫包括含碳量高達1.5重量百分比的鋼材，并且所述第一焊縫具有部分珠光體微觀結構。第一焊縫是根據第一方面的方法的結果，更具體地說，在加熱、接合和受控冷卻之后的結果。這樣將產生較之現有技術中已知情形而言，裂紋風險較低的焊縫。
[0029]在一種實施方式中，第一焊縫具有珠光體至少為50%、60%、70%、80%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98% 或 99% 的微觀結構。
[0030]在一種實施方式中，第一焊縫進一步包括處于2至4體積百分比(vol% )范圍內的晶界碳化物。在一種實施方式中，第一焊縫具有處于2.50至3.75vol%范圍內的晶界碳化物。
[0031]在一種實施方式中，第一焊縫具有處于2.0至3.9vol%范圍內、2.1至3.8vol%范圍內、2.2至3.7vol %范圍內、2.3至3.6vol %范圍內、2.4至3.5vol %范圍內、2.5至3.4vol%范圍內、2.6至3.3vol%范圍內、2.7至3.2vol %范圍內、2.8至3.1vol %范圍內、或者2.9至3.0vol%范圍內的晶界碳化物。
[0032]根據本發明第三方面，提供的第一焊接鋼材部件包括第一鋼材部分和第二鋼材部分以及根據本發明第二方面的第一焊縫。所述第一焊縫將第一鋼材部分與第二鋼材部分接合。這將產生較之現有技術中的已知情形而言，裂紋風險較小的焊接鋼材部件。
[0033]在一種實施方式中，第一鋼材部分和第二鋼材部分以相同的鋼材制成。
[0034]在一種實施方式中，第一鋼材部分和第二鋼材部分以不同的鋼材制成。這樣作的優勢在于，可以通過組合針對例如承載能力、耐用性、成本或可加工性而言具有不同屬性的不同鋼材來定制產生的焊接鋼材部件。
[0035]在一種實施方式中，第一鋼材部分和第二鋼材部分是焊接前相同鋼材部件的一部分。
[0036]在一種實施方式中，第一鋼材部分和第二鋼材部分是焊接前不同鋼材部件的一部分
[0037]在一種實施方式中，第一焊接鋼材部件包括多條根據本發明第二方面的焊縫。
[0038]根據本發明第四方面，提供的第二焊縫包括含碳量高