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(fā)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(tài)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工藝組成。
用于該工藝的鋼是那些常規(guī)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(guī)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。在加熱到固相線和液相線間溫度的過程中，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(yōu)先發(fā)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-固體狀態(tài)的球形結構鋼時，液相中的球形固體顆粒分布較均勻。通過優(yōu)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(xiàn)的。它可以在觸變鍛造前的加熱期間得到球形結構的固相。
因此，與常規(guī)的熱-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(shù)。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(shù)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℃和大凝固范圍172℃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(tài)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(fā)展。
本發(fā)明的目的是提出新鋼種，它比那些常規(guī)使用的鋼種能更好地適用于觸變鍛造，因為它們可以減小變形工具上的應力。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(fā)明涉及一種機械結構用鋼，特征在于其組成(重量百分數(shù))是-0.35％≤C≤1.2％-0.10％≤Mn≤2.0％-0.10％≤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≤3.5％，如果Cu≥0.5％，則Cu≤Ni％+0.6Si％-痕量≤P≤0.200％，痕量≤Bi≤0.200％，痕量≤Sn≤0.150％，痕量≤As≤0.100％，痕量≤Sb≤0.150％，且0.050％≤P％+Bi％+Sn％+As％+Sb％≤0.200％，-痕量≤Al≤0.060％
-痕量≤Ca≤0.050％-痕量≤B≤0.01％-痕量≤S≤0.0200％-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。
根據(jù)本發(fā)明的變化，其Si含量為0.10％～1.0％。
Mn％/Si％的比優(yōu)選大于或等于0.4。
本發(fā)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；-對所述坯料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(yōu)選在坯料中存在的液相物質部分為10～40％的溫度區(qū)域內進行。
所述冷卻優(yōu)選在靜止空氣中進行。
所述冷卻可以在比空氣中的自然冷卻速度更慢的速度下進行。
本發(fā)明還涉及由觸變鍛造鋼制得的零件，特征在于其用前述的方法制連正如可以理解的一樣，本發(fā)明基本由向具有常規(guī)成分的機械結構用鋼中以所限定的比例添加一種或幾種選自磷、鉍、錫、砷和銻，以及硅的元素組成。這種分析改性使得該鋼更加適于通過觸變鍛造將由其制成的零件成形。
本發(fā)明在閱讀關于附

圖1和關于圖2的下列描述后會更好理解，其中圖1表示參考鋼和根據(jù)本發(fā)明的作為溫度函數(shù)的鋼中液相比例，圖2表示另一對參考鋼和根據(jù)本發(fā)明的鋼的同一數(shù)值。
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(fā)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來獲得。這種強烈偏析不是能經常找到的。事實上，該偏析區(qū)域在比固相線低的溫度的熔化(一般稱為燃燒溫度)，這對常規(guī)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(qū)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，且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，觸變變形就是這種情況，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(qū)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(xiàn)象是有利的。
因此，當這些元素的含量總量至少為0.050％時，如果不繼續(xù)添加至少一種磷、鉍、錫、砷或銻元素，是可以獲得在低于通常必須的溫度下順利進行觸變片的造所必須的液相的量的。
磷、鉍、錫、砷和銻元素的總量必須不超過0.200％以避免出現(xiàn)熱-軋制或鍛造中上述提到的問題，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。
根據(jù)本發(fā)明的鋼的碳含量可以在0.35％～1.2％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(jù)所需用途進行選擇。
根據(jù)本發(fā)明的鋼的硅含量典型地可以在0.10～1.0％變化，但如果特別的強調需要添加偏析元素的且作用大量添加硅的成本對制造者來說不是不可以的的，則硅的含量可以最高達到3.0％。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(xié)同的作用。而且它可以提高金屬的流動性。
錳的含量可以是0.10～2.0％。它應該根據(jù)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。但是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(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)的應力就會產生。由于該原因，Mn％/Si％的比優(yōu)選大于或等于0.4。
鉻含量可以是痕量～4.5％。
鉬含量可以是痕量～2.0％。
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％。
在彈性不是很重要的應用中，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～3.5％。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(xiàn)。一般認為，如果Cu％≥0.5％，則有必要使Cu≤Ni％+0.6Si％。
關于偏析元素，它們在本發(fā)明中典型存在，磷、鉍、錫、砷和銻含量的總量必須至少為0.050％，且必須不超過0.200％。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)，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。
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～0.0050％。
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(高至0.020％)硒(高至0.040％)和鉛(高至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，能夠控制晶體尺寸。它們最大允許含量為0.050％。
根據(jù)本發(fā)明的鋼和能夠成功地用于生產觸變鍛造零件的參考鋼的成分的例子在表1中給出，同時還有在靜止空氣中冷卻后的觸變鍛造零件獲得的機械特性Re(屈服強度)和Rm(抗拉強度)。百分數(shù)為以重量計，并用10-3％表示，Re和Rm用MPa表示。
表1根據(jù)本發(fā)明的鋼和參考鋼的試樣的成分(用10-3％表示)和它們的機械特性(用MPa表示)
在這些例子中，根據(jù)本發(fā)明的鋼(編號3至8)添加了磷，該元素的含量在0.050～0.200％。相對于兩種低磷含量(0.015和0.026％)參考鋼，沒發(fā)現(xiàn)其機械性能的惡化。
表2表示了參考鋼和與之可比的，并引入磷和少量硅的根據(jù)本發(fā)明的鋼的成分。
表2參考鋼和根據(jù)本發(fā)明的鋼的試樣的成分(用10-3％表示)
圖1代表這些鋼中作為溫度函數(shù)的液相和固相的比。對于參考鋼，測定的固相線溫度為1415℃，而根據(jù)本發(fā)明的鋼為1375℃。測定的液相線溫度分別為1525和1520℃。因而，磷和硅的加入僅對固相線溫度產生重要影響，但是已足以大幅度(35℃)的擴大凝固范圍。而且必須注意的是，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1437至1468℃；-對根根本發(fā)明的鋼，從1427至1463℃。
因此可以看到該范圍降低了大約5至10℃且范圍擴大了5℃。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步。如果加入的磷量增加或者如果在所述的限制范圍內加入其它偏析元素，則此影響就會加強。
表3表示參考鋼的成分和除了加入的磷、硅、錳(為補償硅的加入以便保持合適的Mn％/Si％比)和硫外，與之相比的根據(jù)本發(fā)明的鋼的成分。
表3參考鋼和根據(jù)本發(fā)明鋼的試樣的成分(用10-3％表示)
圖2表示這些鋼中作為溫度函數(shù)的液相/固相的比。對于參考鋼，測定的固相線溫度為1430℃，而根據(jù)本發(fā)明的鋼為1378℃。測定的液相線溫度分別為1528℃和1521℃。因此凝固范圍已擴大了45℃。其中包含的固相部分比例在10～40％的溫度范圍是-對參考鋼，從1470至1494℃；-對根據(jù)本發(fā)明的鋼，從1428至1464℃。
因此可以看到該范圍降低了約30至42℃且范圍擴大了12℃。
關于實施本發(fā)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幾十度的條件下進行，與觸變鍛造操作前的加熱條件一致。
一般地，如果球形結構不存在或者如果經驗表明為了觸變鍛造而在加熱坯料時不能得到球形結構時，在根據(jù)本發(fā)明鋼上實施的觸變鍛造操作的應該先通過加熱處理球化坯料的原始結構。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(qū)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(qū)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.用于機械結構的鋼，特征在于其以重量百分數(shù)表示的組分為-0.35％≤C≤1.2％-0.10％≤Mn≤2.0％-0.10％≤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≤3.5％，如果Cu≥0.5％，則Cu≤Ni％+0.6Si％-痕量≤P≤0.200％，痕量≤Sn≤0.150％，痕量≤As≤0.100％，痕量≤Sb≤0.150％，且0.050％≤P％+Bi％+Sn％+As％+Sb％≤0.200％，-痕量≤Al≤0.060％-痕量≤Ca≤0.050％-痕量≤B≤0.01％-痕量≤S≤0.0200％-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。
2.如權利要求1的鋼，特征在于其硅的含量是0.10％～1.0％。
3.如權利要求1或2的鋼，特征在于Mn％/Si％的比大于或等于0.4。
4.熱-成形鋼零件的方法，特征在于得到的鋼的坯料具有以下成分，按重量百分數(shù)；-0.35％≤C≤1.2％-0.10％≤Mn≤2.0％，優(yōu)選Mn％/Si％≥0.4，-0.10％≤Si≤3.0％，優(yōu)選0.10％≤Si≤1.0％，-痕量≤Cr≤4.5％-痕量≤Mo≤2.0％-痕量≤Ni≤4.5％-痕量≤V≤0.5％-痕量≤Cu≤3.5％，如果Cu≥0.5％，則Cu≤Ni％+0.6Si％-痕量≤P≤0.200％，痕量≤Sn≤0.150％，痕量≤As≤0.100％，痕量≤Sb≤0.150％，且0.050％≤P％+Bi％+Sn％+As％+Sb％≤0.200％，-痕量≤Al≤0.060％-痕量≤Ca≤0.050％-痕量≤B≤0.01％-痕量≤S≤0.0200％-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；-如果需要，可對坯料進行加熱處理，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。
5.如權利要求4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(qū)域進行。
全文摘要
本發(fā)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≤1.2％；0.10％≤Mn≤2.0％；0.10％≤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≤35％，如果Cu≥0.5％，則Cu≤Ni％+0.6Si％；痕量≤P≤0.200％，痕量≤Bi≤0.200％，痕量≤Sn≤0.150％，痕量≤As≤0.100％，痕量≤Sb≤0.150％，且0.050％≤P％+Bi％+Sn％+As％+Sb％≤0.200％，痕量≤Al≤0.060％；痕量≤Ca≤0.050％；痕量≤B≤0.01％；痕量≤S≤0.0200％；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(fā)明還涉及一種熱－成形鋼零件的方法，以及由觸變鍛造鋼制成的零件。
文檔編號C22C38/42GK1510154SQ20031012228
公開日2004年7月7日 申請日期2003年12月4日 優(yōu)先權日2002年12月5日
發(fā)明者馬克·羅貝萊特, 馬克 羅貝萊特 申請人:阿斯克邁塔爾公司