提高微合金鋼的疲勞強度的工藝、由該工藝制造的鍛造零件及執(zhí)行該工藝的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種制造增大疲勞強度的微合金鋼的工藝。在本發(fā)明的工藝中，根據(jù)待得到細化晶粒尺寸的曲軸的尺寸，均熱溫度被保持在900℃至1050℃的范圍內(nèi)，并且均熱時間被保持在30-60分鐘的范圍內(nèi)。在提供特別為本工藝設(shè)計的適當支撐的情況下，防止發(fā)生部件的扭曲。使用本工藝制造的諸如曲軸的鍛造零件具有細化的晶粒結(jié)構(gòu)，并且導致扭轉(zhuǎn)疲勞強度增大20％至25％，彎曲疲勞強度增大10-25％。本發(fā)明因此提供增大的強度與材料密度比，以及一種微合金，該微合金的扭轉(zhuǎn)疲勞強度和彎曲疲勞強度大于當前可用的微合金鋼。
【專利說明】提高微合金鋼的疲勞強度的工藝、由該工藝制造的鍛造零件及執(zhí)行該工藝的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋼領(lǐng)域；特別地，本發(fā)明涉及提高微合金鋼的疲勞強度。
【背景技術(shù)】
[0002]曲軸被認為是發(fā)動機的心臟。曲軸將活塞的往復運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動。曲軸具有復雜的幾何形狀，并且其還在其使用壽命期間經(jīng)歷大量的負載周期。因此，疲勞性能和耐久性在曲軸設(shè)計和性能中是關(guān)鍵的考慮因素。在其使用壽命期間，曲軸在燃料燃燒導致的高力作用下運行。作用在曲軸上的燃燒和質(zhì)量慣性力在曲軸結(jié)構(gòu)上導致兩種波動載荷，即扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲載荷。因此，曲軸需要高的扭轉(zhuǎn)疲勞強度和彎曲疲勞強度。
[0003]現(xiàn)代內(nèi)燃發(fā)動機的設(shè)計者正面臨減小環(huán)境污染的挑戰(zhàn)，以滿足全世界嚴格的污染控制規(guī)定。環(huán)境污染可以通過提高發(fā)動機效率而減小。曲軸設(shè)計在確定發(fā)動機效率以及更高的強度與重量比中是非常重要的。由于為發(fā)動機汽缸設(shè)計的壓力遠高于幾年前，環(huán)境遵守規(guī)范(例如，歐洲規(guī)范)正變得越來越嚴格，導致更嚴格的發(fā)動機設(shè)計。為了承受這種壓力的增加，曲軸要求更高的扭轉(zhuǎn)疲勞強度和彎曲疲勞強度。
[0004]在持續(xù)地尋找高強度材料來應(yīng)付這些要求的情況。一個這種高強度材料種類,微合金(MA)鍛造鋼被發(fā)現(xiàn)越來越多地用于汽油和柴油發(fā)動機曲軸。微合金鋼，也稱為微合金化鋼，是一種包含少量的合金元素(0.05至0.15% )的鋼。標準的合金元素包括:銀、鑰;、鈦、鑰、鋯、硼和稀土金屬 。其用于改善晶粒微觀結(jié)構(gòu)和/或促進析出硬化。
[0005]這些剛的性能和成本處于碳鋼和低合金鋼之間。在不進行熱處理的情況下，屈服強度在500MPa和750MPa(73000和109000psi)之間。疲勞壽命和耐磨性優(yōu)于類似的但經(jīng)過熱處理的鋼。微合金鋼的已知缺點在于其延展性和韌性不如調(diào)制(Q&T)鋼好。
[0006]作為其形成工藝的一部分，微合金鋼也必須被加熱至足夠熱以將所有的合金溶解。在形成后，材料必須被快速地冷卻至540至600°C (1004至1112 °F)以便晶粒細化，并且同時冷卻應(yīng)當足夠慢以確保完全地析出強化。微合金鋼的成功是因為強化機理，特別是晶粒細化和析出硬化。
[0007]最新的曲軸應(yīng)用指定微合金鋼，且許多目前的應(yīng)用正從鑄鐵或者鍛造和熱處理普通碳素鋼或合金鋼轉(zhuǎn)變?yōu)殄憠?as-forged)微合金鋼。微合金(MA)或者高強度低合金(HSLA)鋼是鋼生產(chǎn)中重要的發(fā)展，且在世界各地的每個主要的鋼市場中使用，并且微合金(MA)或者高強度低合金(HSLA)鋼已在諸如石油和天然氣開采、建設(shè)和運輸之類的工業(yè)的擴張中發(fā)揮了重要的作用。
[0008]一種MA鋼，釩微合金化鋼往往比不包含釩的等同級別的C38+N2鋼的晶粒更粗，如圖1所示。因此，非常重要的是從鍛造溫度使用最優(yōu)冷卻速率來控制晶粒尺寸，以使用不造成很大扭曲的簡單熱處理來細化晶粒尺寸。晶粒細化是一種這種處理。
[0009]在鍛造過程期間，坯料被加熱至1280°C。從圖1觀察到，在鍛造溫度，平均晶粒直徑大于如由等同ASTM晶粒度0-1表示的350 μ m。然后，進行再結(jié)晶并形成新晶粒。這些晶粒更粗(ASTM3-5)。已知隨著晶粒尺寸增長，持久極限降低。因此，為更好的疲勞強度而保持細晶粒尺寸是重要的。就細晶粒結(jié)構(gòu)而言，位錯運動由于晶粒表面面積的量的增加而被限制，從而實現(xiàn)增加的強度。因此，具有細晶粒尺寸的鋼導致更高的疲勞強度。
[0010]圖1a示出了傳統(tǒng)的微合金鋼曲軸制造工藝，其在鍛造操作后安排受控冷卻。整個工藝包括步驟:坯料形成，鍛造、隨后受控冷卻，檢驗產(chǎn)品的硬度，通過機械加工形成最終零件。利用該工藝獲得的晶粒尺寸在ASTM3-5的范圍內(nèi)。諸如利用該工藝制造的諸如曲軸的部件隨后被機械加工、感應(yīng)淬火、磨削和疲勞強度試驗。觀察到的這種曲軸的扭轉(zhuǎn)疲勞強度在95MPa至IOOMPa之間，彎曲疲勞強度為3649微應(yīng)變(839MPa)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供增大的強度與材料密度比，以及一種微合金，其扭轉(zhuǎn)疲勞強度和彎曲疲勞強度大于目前可用的微合金鋼。
[0012]本發(fā)明描述了一種制造增大疲勞強度的微合金鋼的工藝。在本發(fā)明的工藝中，根據(jù)待得到細化晶粒尺寸的曲軸的尺寸，均熱溫度保持在900°C至1050°C的范圍內(nèi)，均熱時間在30-60分鐘的范圍內(nèi)。通過提供特別為本工藝設(shè)計的適當?shù)闹危乐拱l(fā)生部件的扭曲。
[0013]根據(jù)本發(fā)明工藝的具有細化晶粒的曲軸導致扭轉(zhuǎn)疲勞強度增大20%至25%，彎曲疲勞強度增大10-25%。
[0014]技術(shù)術(shù)語說明:
[0015]坯料切割:將冷棒料鋸切至所需尺寸。
[0016]坯料加 熱:在爐中將坯料加熱至預定溫度(1285+/_25°C )，隨后進行水力除銹以去除坯料上的銹。
[0017]鍛造:用于集合地描述輥壓、預鍛(Blocker)、精鍛(finisher)和切邊步驟的術(shù)語，每個步驟在以下描述。
[0018]輥壓:在輥之間以預定減小量產(chǎn)生預制形狀以所需長度而并優(yōu)化輸入材料的工藝。
[0019]預鍛:在精鍛以預定能量在兩個模具有之間粗成形。
[0020]精鍛:以預定能量在模具之間形成最終形狀。
[0021]切邊:沿分模線剪去精鍛時的多余材料(飛邊)以實現(xiàn)最終產(chǎn)品形狀。
[0022]校直(padding):校準最終鍛造以實現(xiàn)所需尺寸。
[0023]晶粒細化:晶粒細化是用于控制材料的微觀結(jié)構(gòu)的最重要和最必要的方法。存在獲得細晶粒的方法，如通過使用相變和再結(jié)晶的熱處理。
[0024]硬度檢驗:硬度被定義為“金屬塑性變形阻力，通常由壓痕”。其為金屬在載荷施加時抵抗永久變形的能力的特性。金屬的硬度越大，其變形的抗力越大。
[0025]噴丸:鋼噴丸是在金屬加工操作(鍛造)以后最廣泛用于清潔、去皮(stripping)和提高金屬表面光潔度的工藝。
[0026]粗機械加工:機械加工可以定義為從工件移除切屑形式的材料的工藝。在對尺寸公差和光潔度要求嚴格的場合，機械加工是必要的。
[0027]感應(yīng)淬火:感應(yīng)淬火是在曲軸的表面至某深度上提供完全馬氏體層，以增加硬度和耐磨性，同時允許曲軸的剩余部分不受工藝的影響。硬度的增加也提高了接觸疲勞強度。
[0028]精磨:磨削工藝用于使用砂輪作為切割裝置來產(chǎn)生非常高的光潔度，制造非常輕微的切割或者高精度成形。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1示出了合金元素對晶粒粗化的影響。
[0030]圖1a示出了諸如曲軸的零件的傳統(tǒng)鍛造制造工藝的流程圖。
[0031]圖1b示出了用于本發(fā)明的工藝的流程圖。
[0032]圖2a和2b示出了在微合金鋼的晶粒細化工藝之前和之后的晶粒尺寸和表面硬度。
[0033]圖3a、3b和3c示出了在不同情況下的晶粒細化工藝之前和之后的曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞強度比較。
[0034]圖4a、4b和4c示出了在晶粒細化工藝之前和之后的曲軸彎曲疲勞強度比較。
[0035]圖5示出了傳統(tǒng)的鍛造工藝和本發(fā)明的工藝的流程圖。
【具體實施方式】
[0036]如從圖1b顯而易見的，晶粒細化的步驟被引入至制造鍛造零件的傳統(tǒng)工藝中，以便增大零件的強度與重量比。特別地，本發(fā)明的工藝應(yīng)用于由微合金鋼制造的曲軸。就使用本發(fā)明的工藝制造的曲軸而言，觀察到扭轉(zhuǎn)疲勞強度增大20-25 %，并且彎曲疲勞強度增大 10-25% ο
[0037]如圖1a中示出的傳統(tǒng)鍛造工藝包括以下步驟:
[0038]-將坯料成形為需要的尺寸并對其進行加熱
[0039]-鍛造坯料并施加受控的冷卻
[0040]-檢驗鍛造的零件的硬度
[0041]-執(zhí)行機械加工、感應(yīng)淬火和精磨步驟
[0042]典型的鍛造工藝為熱機械處理或熱處理工藝，其經(jīng)常從熱和微觀結(jié)構(gòu)的角度考慮。從熱的意義上說，晶粒細化工藝包括奧氏體化周期，隨后在靜止或輕微擾動的空氣中進行冷卻。典型地，待處理的部件被加熱至高于Fe-C相圖的上臨界線(見圖1)約55 0C (100T)的溫度，也就是高于用于亞共析鋼的Ac3并高于用于亞共析鋼的Acm的溫度。要被適當?shù)貧w類為晶粒細化工藝處理，工藝的加熱部分必須在冷卻前產(chǎn)生均勻的奧氏體相(面心立方晶體結(jié)構(gòu))。
[0043]本發(fā)明的工藝力圖提供改進的機械加工性、晶粒結(jié)構(gòu)的細化、均化和殘余應(yīng)力的改善，借以提高材料的疲勞極限。這通過在傳統(tǒng)的鍛造工藝中引入晶粒細化的步驟而實現(xiàn)。
[0044]本發(fā)明旨在面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)在于:
[0045]1、在晶粒細化后將硬度和機械性能保持在給定規(guī)格中。
[0046]2、需要必要的固定和支撐來保持零件的平直度(最小化熱扭曲)。
[0047]現(xiàn)在描述本發(fā)明的工藝，其面臨以上技術(shù)挑戰(zhàn)，且相對于目前采用的處理微合金鋼的方法提供某些優(yōu)點。
[0048]在如圖1b中公開的晶粒細化的步驟期間，通過將鍛造和受控冷卻的部件加熱至高于奧氏體化溫度，即在900-1050°C范圍內(nèi)，并通過將其在該溫度保持30至60分鐘的“均熱期”以使部件的所有部分的溫度均勻，來處理鍛造和受控冷卻的部件，以增強扭轉(zhuǎn)和彎曲疲勞強度。然后，經(jīng)加熱和均化的零件通過靜止或強制空氣冷卻而被冷卻至室溫，根據(jù)鍛造的截面。大于2.5"的零件可能需要強制空氣冷卻。
[0049]用于這種晶粒細化工藝的設(shè)備為定期校準的燃油爐，其配備有熱電偶、溫度控制器、時間/溫度圖和用于避免扭曲的必要的固定裝置以及裝載/卸載裝置。
[0050]冶金試驗設(shè)備使用:布氏硬度試驗機、萬能拉伸試驗機、具有圖像分析功能的光學顯微鏡等。
[0051]在將本發(fā)明的晶粒細化工藝應(yīng)用于芯部直徑為95_的曲軸以后使用光學顯微鏡觀察的晶粒尺寸為ASTM6-8，而在晶粒細化工藝之前為ASTM3-5，其被圖示在圖2a和圖2b中。
[0052]因此，經(jīng)細化晶粒尺寸處理的零件接下來進行機械加工、感應(yīng)淬火、磨削和疲勞強度試驗。
[0053]對三種不同直徑(見表1)的曲軸試樣執(zhí)行疲勞試驗。使用階梯法對每種情況下(代表一個直徑)的七個試樣進行試驗，根據(jù)之前試樣的試驗結(jié)果，增加或減小之前試樣上的載荷?；谠囼灲Y(jié)果，估算統(tǒng)計學平均值(B50)和標準差。在晶粒細化過程之后觀察的扭轉(zhuǎn)疲勞強度為120MPa至130MPa，其比沒有晶粒細化過程的高20%至26%，如圖3a所示。在晶粒細化過程之后觀 察的彎曲疲勞強度為4780微應(yīng)變(IlOOMPa)，其比沒有晶粒細化過程的高11%至31%，如圖4a所示。
[0054]表1:在該報告中討論的情況的曲軸細節(jié)
【權(quán)利要求】
1.一種提高由釩微合金鋼制造的鍛造零件的疲勞強度的工藝，所述工藝具有細化晶粒尺寸的步驟，所述細化晶粒尺寸的步驟依次包括: 通過將所述零件加熱至第一溫度而將所述零件奧氏體化，所述第一溫度高于奧氏體化溫度; 將所述零件在該溫度保持一均熱期，以使所述零件獲得均勻的溫度；以及 將所述零件冷卻至室溫。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述第一溫度在900°C至1050°C之間的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1和2所述的工藝，其中所述均熱期為使所述零件在其自身各處獲得均勻的溫度的持續(xù)時間。
4.如權(quán)利要求1至3所述的工藝，其中所述均熱期為30至60分鐘。
5.如權(quán)利要求1至4所述的工藝，其中所述冷卻通過靜止或強制空氣冷卻方法實施。
6.如權(quán)利要求1至5所述的工藝，其中在奧氏體化階段、均熱階段和冷卻階段期間，適當?shù)姆劳崆伪惶峁┑矫總€所述零件。
7.一種由釩微合金鋼制造的鍛造零件，所述零件具有改善的晶粒尺寸，該改善的晶粒尺寸通過包括改善晶粒尺寸的步驟的鍛造工藝得到，所述步驟包括: 通過將所述零件加熱至第一溫度而將所述零件奧氏體化，所述第一溫度高于奧氏體化溫度; 將所述零件在該溫度保持一均熱期，以使所述零件獲得均勻的溫度；以及 將所述零件冷卻至室溫。
8.如權(quán)利要求7所述的鍛造零件，其中所述第一溫度在900°C至1050°C之間的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求7和8所述的鍛造零件，其中所述均熱期為使所述零件在其自身各處獲得均勻的溫度的持續(xù)時間。
10.如權(quán)利要求7至9所述的鍛造零件，其中所述均熱期為30至60分鐘。
11.如權(quán)利要求7至10所述的鍛造零件，其中所述冷卻通過靜止或強制空氣冷卻方法實施。
12.如權(quán)利要求7至11所述的鍛造零件，其中在奧氏體化階段、均熱階段和冷卻階段期間，適當?shù)姆劳崆伪惶峁┑矫總€所述零件。
13.一種由釩微合金鋼制造鍛造零件的裝置，所述裝置至少包括晶粒尺寸細化站，在該晶粒尺寸細化站執(zhí)行鍛造零件的奧氏體化步驟、均熱步驟和冷卻步驟。
【文檔編號】C21D1/02GK103975080SQ201280060387
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年10月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月7日
【發(fā)明者】巴巴薩海布·尼爾康德·卡利亞尼 申請人:巴巴薩海布·尼爾康德·卡利亞尼