耐磨的、至少部分未涂覆的鋼制零件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種耐磨的、至少部分未涂覆的鋼制零件，其由硬化鋼種構(gòu)成，所述鋼 制零件由半成品零件通過熱成形和/或淬火制成。另外，本發(fā)明涉及一種由半成品零件制 備耐磨的、至少部分未涂覆的用作農(nóng)業(yè)機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、采礦機(jī)械或建造機(jī)械中的加工、運(yùn) 輸和/或破碎工具的方法，其中將所述半成品零件加熱至高于Acl轉(zhuǎn)化溫度，并且隨后進(jìn)行 熱成形和/或淬火。
【背景技術(shù)】
[0002] 耐磨的、至少部分未涂覆的鋼制零件需要具有高強(qiáng)度并且同時(shí)能承受研磨力，例 如用于農(nóng)業(yè)機(jī)械（特別是犁）的制造，以及用于磨損性材料的疏浚機(jī)或螺旋輸送機(jī)的料斗， 例如混凝土攪拌機(jī)的螺旋輸送機(jī)。為了達(dá)到上述應(yīng)用中提到的必要的高強(qiáng)度，所述零件優(yōu) 選地經(jīng)過熱成形，其中所述半成品零件首先加熱至高于Acl轉(zhuǎn)化溫度點(diǎn)，從而通過熱成形 和隨后的淬火（即迅速冷卻）進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的相變硬化，以形成具有馬氏體微結(jié)構(gòu)的材料。馬 氏體微結(jié)構(gòu)不但具有顯著較高的硬度，而且具有顯著較大的機(jī)械強(qiáng)度，例如抗拉強(qiáng)度。相應(yīng) 的鋼制零件是已知的，例如德國專利DE10 2010 050 499B3。該德國專利描述了用于制備 鏈斗式挖泥船、混凝土攪拌機(jī)螺旋輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)葉片或其他輸送設(shè)備的輸送葉片，其 中所述部件經(jīng)熱成形和模壓淬火。
[0003] 然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不論在制備過程中是否經(jīng)過淬火工藝，以這種方式制得的部件在 耐磨性方面都存在問題，特別是其與磨損性材料接觸時(shí)。
[0004] 德國公開DE10 2010 017 354 A1第一次關(guān)注了由鍍鋅扁鋼產(chǎn)品經(jīng)熱成形制備高 強(qiáng)度或非常高強(qiáng)度的鋼部件時(shí)的問題。當(dāng)超出保護(hù)涂層的金屬的熔點(diǎn)時(shí)，存在"液態(tài)金屬脆 化"的風(fēng)險(xiǎn)，這是由涂層的熔融態(tài)金屬滲透進(jìn)入扁鋼制品在形成時(shí)產(chǎn)生的缺口或裂縫中而 引起的。所述液態(tài)金屬滲透進(jìn)入鋼基材，沉積在晶界處，從而降低了可承受的最大拉伸或抗 壓應(yīng)力。作為一個(gè)解決方案，該專利公開提供了對外層區(qū)域進(jìn)行滲氮，從而產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)精細(xì) 的外層區(qū)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 相反，本發(fā)明關(guān)注經(jīng)熱成形和/或淬火的鋼制零件在未涂覆區(qū)域不具有期望的耐 磨性的問題，以及因此不適合用于輸送工具，例如與磨損性材料接觸。因此，本申請的目的 在于提供對于磨損性材料具有改善的適用性的至少部分未涂覆的鋼制零件。另外，也提供 了相應(yīng)鋼制零件的低成本制備方法。
[0006] 所述目的通過以下方式實(shí)現(xiàn)，對于鋼制零件，所述鋼制零件在熱成形和/或淬火 之前通過表面淬火至少部分地具有被硬化至深度不超過100μm的表面區(qū)域，優(yōu)選為被硬 化至深度至多為40μm。
[0007] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在熱成形和/或淬火之前，將用于制備鋼制零件的半成品零件加熱至 高于Acl相變溫度以上或Ac3溫度以上，導(dǎo)致靠近表面的區(qū)域脫碳，從而這些區(qū)域的碳含量 顯著低于基材的碳含量。結(jié)果，在熱成形和/或淬火期間，靠近表面的深度至多為?οομπι的區(qū)域，特別是深度至多為40μm的區(qū)域不能被硬化至所需的程度。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，無論 靠近所述表面的區(qū)域是否因熱成形或淬火期間的高溫導(dǎo)致脫碳，半成品零件的未涂覆區(qū)域 在熱成形和/或淬火之前的至少部分表面硬化使得表面區(qū)域和基材都具有很高的強(qiáng)度。由 此提供了這樣的鋼制零件，所述鋼制零件至少部分地具有被硬化至深度不超過100μπι的 表面區(qū)域，或者是深度為40μm的表面區(qū)域，因此所述鋼制零件具有比目前已知的至少部 分未涂覆的鋼制零件明顯更好的耐磨性。
[0008] 在第一個(gè)實(shí)施方案中，鋼制零件的表面硬化區(qū)域通過滲碳或滲氮而硬化。在熱成 形或淬火之前，兩種方法以針對性方式提供了對鋼制零件表面附近的區(qū)域進(jìn)行硬化的機(jī) 會(huì)。另外，滲氮具有在熱成形期間不降低硬度的優(yōu)點(diǎn)。在滲碳的情況下，表面區(qū)域的碳含量 升高，但是由于熱成形而再次降低。
[0009] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，在熱成形和/或淬火后，鋼制零件的表面硬化區(qū)域優(yōu)選地 至少具有位于鋼制零件表面區(qū)域下方基材的硬度。
[0010] 由于鋼制零件的表面區(qū)域的硬度大于基材的硬度，所述鋼制零件的耐磨性也優(yōu)選 地得到改善。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，表面區(qū)域的硬度尤其影響與高度磨損性材料接觸的鋼制零件的耐 磨性，因此，即使使用略軟的基材也可以制備非常耐磨的鋼制零件。
[0011] 因此，根據(jù)鋼制零件的另一個(gè)實(shí)施方案，所述鋼制零件被構(gòu)造用作農(nóng)業(yè)機(jī)械、運(yùn)輸 機(jī)械、采礦機(jī)械或建造機(jī)械中的加工、運(yùn)輸和/或破碎工具，其中至少所述鋼制零件中承受 研磨力的區(qū)域經(jīng)過表面硬化。
[0012] 另外，錳硼鋼，雙相鋼或TRIP鋼也是特別有利的，因?yàn)槠渲刑貏e是顯著的馬氏體 的形成或者殘余奧氏體成分轉(zhuǎn)化為馬氏體可能使得硬度增加。
[0013] 在鋼制零件的另一個(gè)實(shí)施方案中，在熱成形和/或淬火之前，對鋼制零件的表面 區(qū)域進(jìn)行硬化，所述表面區(qū)域至少在部分區(qū)域具有400HV至700HV的硬度。通常只有在非常 高強(qiáng)度的鋼種經(jīng)熱成形或淬火之后的基材中才能得到這樣的數(shù)值。在熱成形或淬火之前， 表面硬化特別地提供了為制備線圈上的鋼構(gòu)件供應(yīng)起始材料的機(jī)會(huì)。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)教導(dǎo)，上述目的是通過由半成品零件制備耐磨的、至少部分 未涂覆的鋼制零件的方法實(shí)現(xiàn)的，所述鋼制零件用作農(nóng)業(yè)機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、采礦機(jī)械或建造 機(jī)械中的加工、運(yùn)輸和/或破碎工具，其中將所述半成品零件的至少部分區(qū)域加熱至高于 Acl轉(zhuǎn)化溫度，隨后經(jīng)過熱成形和/或淬火；其中所述半成品零件在熱成形和/或淬火之 前至少部分地經(jīng)過表面硬化，其中所述表面區(qū)域被硬化至深度不超過100μπι。優(yōu)先考慮對 深度至多達(dá)40μπι的表面區(qū)域進(jìn)行硬化，該區(qū)域在熱成形期間通常發(fā)生脫碳過程。通過硬 化處理的持續(xù)時(shí)間控制待硬化的表面區(qū)域的深度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，尤其是，盡管加熱至高于Acl 相變溫度點(diǎn)的溫度，鋼制零件的表面硬化區(qū)域的表面硬度仍然保持穩(wěn)定，從而在熱成形和/ 或淬火之后能夠獲得高表面硬度。這使得用作農(nóng)業(yè)機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、采礦機(jī)械或建造機(jī)械中 的加工、運(yùn)輸和/或破碎工具的鋼制零件在與磨損性材料接觸時(shí)能夠降低磨損。
[0015] 在熱成形之前或淬火之前進(jìn)行表面區(qū)域的硬化，使得能夠在可卷繞材料上進(jìn)行表 面硬化，即在鋼帶上進(jìn)行，從而能夠由半成品零件特別經(jīng)濟(jì)地制備耐磨的、至少部分未涂覆 的鋼制零件。在該方法的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，通過滲氮或滲碳進(jìn)行表面區(qū)域的硬化。 兩種方法均能夠?yàn)楸砻鎱^(qū)域提供更高的硬度，這能夠在熱成形和/或淬火之后為經(jīng)熱成形 /淬火的鋼制零件的表面提供更高的耐磨損性。
[0016] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，表面硬化特別優(yōu)選地在600°C至900°C保持溫度下的熱處 理氛圍中進(jìn)行熱處理，所述熱處理氛圍包括高達(dá)25體積％的H2、0. 1體積％至10體積％的 NH3、H20以及余量的N2和不可避免的雜質(zhì)。熱處理氛圍的露點(diǎn)優(yōu)選地在-50°C至_5°C的范 圍內(nèi)，從而降低環(huán)境濕度對硬化工藝的影響。另外，優(yōu)選的是，在680°C至840°C的溫度允許 最大10體積％的H2和最大5體積％的NH3，并且將露點(diǎn)設(shè)置為-40°C至-15°C。后一個(gè)工 藝參數(shù)提供了改善的且更均勻的表面硬化。
[0017] 可以通過保持溫度的維持時(shí)間來設(shè)定表面硬化的深度。表面硬化期間，維持半成 品零件具有保持溫度的時(shí)間優(yōu)選地設(shè)為5s至600s，優(yōu)選為30s至120s。
[0018] 表面硬化優(yōu)選地在連續(xù)淬火爐中進(jìn)行，從而也可以對（例如）帶狀半成品零件 (即可卷繞的半成品零件）進(jìn)行表面硬化并且可進(jìn)一步供入熱成形和/或模壓淬火步驟。 然而，在箱式爐中進(jìn)行表面硬化也是可以想到的。
[0019] 如上所述，諸如錳硼鋼、雙相鋼和TRIP鋼的半成品零件首先在熱成形期間或淬火 期間表現(xiàn)特別高的強(qiáng)度提升，其次通過滲氮為表面附近的區(qū)域提供了達(dá)到400HV至700HV 范圍內(nèi)的相同硬度的機(jī)會(huì)。因此，可以廉價(jià)地制備非常耐磨并且強(qiáng)度特別高的鋼制零件。
【附圖說明】
[0020] 下面將結(jié)合實(shí)施例以及附圖對本申請進(jìn)行說明。在附圖中，
[0021] 圖1簡要示出制備耐磨的、至少部分未涂覆的鋼制零件的方法的一個(gè)例子；
[0022] 圖2簡要示出按照圖1的例子處理的半成品零件或鋼制零件的層結(jié)構(gòu)；
[0023] 圖3、4示出用于農(nóng)業(yè)機(jī)械和運(yùn)輸機(jī)械的鋼制零件例子；以及
[0024] 圖5示出兩個(gè)實(shí)施例和一個(gè)比較例中硬度分布作為與表面間距離的函數(shù)的圖。
[0025] 發(fā)明詳述
[0026] 圖1首先概要地以示意說明的方式示出制備耐磨的、至少部分未涂覆的鋼制零件 的一個(gè)例子。半成品零件1由鋼（如錳硼鋼、雙相鋼或TRIP鋼）構(gòu)成，將半成品零件1首 先供應(yīng)至表面硬化2。如果帶狀半成品零件從線圈la抽出并且供應(yīng)至表面硬化2,有利的 是（例如在滲氮的情況下）在連續(xù)淬火爐中進(jìn)行表面硬化，（例如）帶狀半成品零件1的 末端現(xiàn)在具有硬化表面，能卷繞在線圈（未示出）上。將表面硬化的帶狀半成品零件切割 成一定長度，并且供應(yīng)至熱成形和/或淬火3,從而處理步驟3可以產(chǎn)生成形的、至少部分 未涂覆的鋼制零件4,其適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、采礦機(jī)械或建造機(jī)械中的加工、運(yùn)輸和 /或破碎工具。首先，由于熱成形和/或淬火步驟，用這種方式制得的鋼制零件4具有強(qiáng)度 值高的特點(diǎn)。其次，由于在熱成形和/或淬火之前已經(jīng)進(jìn)行了表