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首页 / 专利库 / 钢铁加工 / 贝氏体 / 高强度贝氏体钢

高强度贝氏体钢

阅读:942发布:2020-05-13

IPRDB可以提供高强度贝氏体钢专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且提供了高强度钢合金和由其制造的汽车部件,以及形成钢合金的方法。该高强度钢合金包括铁、约0.24至约0.80重量百分比的碳、约0.40至约2.10重量百分比的锰、约0.20至约1.60重量百分比的硅、约0.05至约0.14重量百分比的硫、约0.10至约12.0重量百分比的铬、约0.10至约2.50重量百分比的镍、和约0.02至约0.07重量百分比的铝。该钢合金还可以包括硼、钼、钛、铌和/或氮。该方法包括在模具落砂之后空气淬火钢合金部件,直到该部件达到420至530摄氏度的范围内的温度。,下面是高强度贝氏体钢专利的具体信息内容。

1.一种高强度钢合金,包括:铁;

约0.24至约0.80重量百分比的碳;

约0.40至约2.10重量百分比的锰;

约0.20至约1.60重量百分比的硅;

约0.05至约0.14重量百分比的硫;

约0.10至约12.0重量百分比的铬;

约0.10至约2.50重量百分比的镍;以及约0.02至约0.07重量百分比的铝。

2.根据权利要求1所述的高强度钢合金,进一步包括:不超过0.005重量百分比的量的硼;

不超过0.60重量百分比的量的钼;

不超过0.20重量百分比的量的钒;

不超过0.20重量百分比的量的钛;

不超过0.20重量百分比的量的铌;以及约0.01至约0.04重量百分比的氮,其中以约75.0至约98.88重量百分比之间的量来提供铁。

3.根据前述权利要求中任一项所述的高强度钢合金,其中所述高强度钢合金包括:约0.24至约0.40重量百分比的碳;

约1.50至约2.00重量百分比的锰;

约0.40至约0.80重量百分比的硅;

约0.05至约0.12重量百分比的硫;

约0.10至约0.60重量百分比的铬;

约0.60至约0.90重量百分比的镍;

约0.20至约0.40重量百分比的钼;

约0.02至约0.04重量百分比的铝;以及约0.001至约0.005重量百分比的硼。

4.根据前述权利要求中任一项所述的高强度钢合金,其中所述高强度钢合金包括:约0.25至约0.50重量百分比的碳;

约1.50至约2.00重量百分比的锰;

约0.30至约0.60重量百分比的硅;

约0.05至约0.12重量百分比的硫;

约0.20至约0.60重量百分比的铬;

约0.50至约0.90重量百分比的镍;

约0.15至约0.40重量百分比的钼;

约0.02至约0.04重量百分比的铝;以及约0.001至约0.005重量百分比的硼。

5.根据前述权利要求中任一项所述的高强度钢合金,具有750至1100MPa的范围内的极限抗拉强度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的高强度钢合金,具有5至8的范围内的ASTM晶粒度号。

7.一种高强度钢合金,基本上由以下组成:约0.35重量百分比的碳;

约1.65重量百分比的锰;

约0.45重量百分比的硅;

约0.4重量百分比的铬;

约0.7重量百分比的镍;

约0.25重量百分比的钼;以及余量的铁。

8.一种用于汽车推进系统的曲柄轴,其由根据前述权利要求中任一项所述的高强度钢合金构造。

9.一种形成钢合金部件的方法,所述方法包括:构造钢合金,所述钢合金包括:铁、约0.24至约0.80重量百分比的碳、约0.40至约2.10重量百分比的锰、约0.20至约1.60重量百分比的硅、约0.05至约0.14重量百分比的硫、约

0.10至约12.0重量百分比的铬、约0.10至约2.50重量百分比的镍、和约0.02至约0.07重量百分比的铝;

在模具中铸造所述钢合金以形成所述部件;

从所述模具中落砂;以及

空气淬火所述部件直到所述部件具有420至530摄氏度的范围内的温度。

10.根据权利要求9所述的方法,进一步包括:在所述空气淬火步骤之后立即开始的将所述部件保持在420至530摄氏度的范围内的等温温度下,并且持续1.5至3.5小时的范围内的时间段,其中将所述部件保持在所述等温温度下的所述步骤在所述空气淬火步骤之后立即进行,而不必将所述部件在所述空气淬火步骤和将所述部件保持在等温温度下的所述步骤之间冷却到420摄氏度以下的温度,并且其中构造所述钢合金的所述步骤进一步包括构造包括不超过0.005重量百分比的量的硼的所述钢合金。

说明书全文

高强度贝氏体钢

技术领域

[0001] 本发明总体上涉及钢合金,更具体地涉及高强度钢合金和用于形成高强度钢合金的铸造工艺,以及由其制成的部件,诸如曲柄轴。

背景技术

[0002] 发动机的曲轴将活塞的往复直线运动转换成围绕曲柄轴线的旋转运动,以提供扭矩来推进交通工具(诸如但不限于火车、船、飞机或汽车)。曲柄轴是发动机的重要部件,并且是发动机设计的起点。曲柄轴设计影响发动机的整体包装,并且因而影响发动机的总质量。因此,最小化曲柄轴的尺寸和/或质量减小了发动机的尺寸和质量,这对交通工具的总体尺寸、质量和燃料经济性具有复合效应。
[0003] 曲柄轴包括从曲柄轴线偏移的至少一个曲柄销轴颈,往复式活塞通过连杆被附接到该曲柄轴。通过活塞与曲柄轴之间的偏移连接从活塞施加到曲柄轴的力在曲柄轴中生成扭矩,该扭矩使曲柄轴绕曲柄轴线旋转。曲柄轴还包括围绕曲柄轴线被同心地设置的至少一个主轴承轴颈。曲柄轴在主轴承轴颈处被固定到发动机缸体。轴承被设置为围绕主轴承轴颈,在曲柄轴和发动机缸体之间。
[0004] 可以通过铸造工艺形成或制造曲柄轴,诸如但不限于使用铸铁以形成曲柄轴的湿砂铸造工艺或壳模铸造工艺。可替换地,曲柄轴可由钢合金锻造。钢强于铸铁,并且因此是用于曲柄轴的更期望的材料。尽管锻造工艺比铸造工艺成本更高,但是大多数钢合金在冷却的同时表现出高收缩,并且不能很好地铸造,因为在铸造产品冷却的同时发生的收缩在最终铸造产品中形成空隙。这削弱了最终铸造产品,并使其不适合于发动机中的使用。

发明内容

[0005] 本发明提供了适用于在铸造曲柄轴时使用的高强度钢合金。钢合金特征在于中低碳含量以用于足够高的淬透性、细小的晶粒尺寸、以大量贝氏体为特征的微观结构,以及具有良好的可加工性。最终的微结构可以主要由下贝氏体和/或上贝氏体构成,并且由此,如果期望的话,可以消除随后的热处理。可以获得750-1100MPa范围内的极限抗拉强度。
[0006] 所公开的钢合金包含铁、碳、锰、硅、硫、铬、镍、钼和铝。在一些形式中,还可以包括硼、钒、氮、钛和/或铌。
[0007] 在可以与本文提供的其它实施例和特征组合或分离的一个实施例中,提供了高强度钢合金,其包含:铁、约0.24至约0.80重量百分比的碳、约0.40至约2.10重量百分比的锰、约0.20至约1.60重量百分比的硅、约0.05至约0.14重量百分比的硫、约0.10至约12.0 重量百分比的铬、约0.10至约2.50重量百分比的镍、以及约0.02至约0.07重量百分比的铝。
[0008] 在可以与本文提供的其它实施例和特征组合或分离的另一实施例中,提供高强度钢合金,其主要由以下组成:约0.35重量百分比的碳、约1.65重量百分比的锰、约0.45重量百分比的硅、约0.4重量百分比的铬、约0.7重量百分比的镍、约0.25重量百分比的钼、以及余量铁。
[0009] 在可以与本文提供的其它实施例和特征组合或分离的又一实施例中,提供形成钢合金部件的方法。方法包括制造钢合金,该钢合金包含:铁、约0.24至约0.80重量百分比的碳、约0.40至约2.10重量百分比的锰、约0.20至约1.60重量百分比的硅、约0.1重量百分比的锰、约0.05至约0.14重量百分比的硫、约0.10至约12.0重量百分比的铬、约0.10至约 2.50重量百分比的镍和约0.02至约0.07重量百分比的铝。该方法还包括在模具中铸造钢合金以形成部件。该方法包括从模具中落砂并对部件进行空气淬火,直到部件具有420至530 摄氏度的范围内的温度。
[0010] 可以提供进一步的附加特征,包括但不限于以下特征:高强度钢合金还包括不超过0.005 重量百分比的量的硼;其中以约75.0至约98.88重量百分比之间的量来提供铁;该高强度钢合金还包括不超过0.20重量百分比的量的钒,该高强度钢合金还包括不超过0.60重量百分比的量的钼;该高强度钢合金还包括不超过0.20重量百分比的量的钛;高强度钢合金还包括不超过0.20重量百分比的量的铌;该高强度钢合金还包括约0.001至约0.005重量百分比的氮;和/或该高强度钢合金还包含约0.01至约0.04重量百分比的氮。
[0011] 在又一变型中,高强度钢合金包含:约0.24至约0.40重量百分比的碳、约1.50至约 2.00重量百分比的锰、约0.40至约0.80重量百分比的硅、约0.05至约0.12重量百分比的硫、约0.10至约0.60重量百分比的铬、约0.60至约0.90重量百分比的镍、约0.20至约 0.40重量百分比的钼、约0.02至约0.04重量百分比的铝和约0.001至约0.005重量百分比的硼。
[0012] 在又一变型中,高强度钢合金包含:约0.25至约0.50重量百分比的碳、约1.50至约 2.00重量百分比的锰、约0.30至约0.60重量百分比的硅、约0.05至约0.12重量百分比的硫、约0.20至约0.60重量百分比的铬、约0.50至约0.90重量百分比的镍、约0.15至约 0.40重量百分比的钼、约0.02至约0.04重量百分比的铝、和约0.001至约0.005重量百分比的硼。
[0013] 提供了用于汽车推进系统的曲柄轴,其可以由本文提供的高强度钢合金的变型中的任意一个构造。
[0014] 其它附加特征可包括但不限于:具有750至1100MPa范围内的极限抗拉强度的高强度钢合金;具有在5至8范围内的ASTM晶粒度号的高强度钢合金;该方法还包括在空气淬火步骤之后立即开始的将部件保持在420至530摄氏度的等温温度下,并持续1.5至3.5小时范围内的时间段;其中将部件保持在等温温度下的步骤在空气淬火步骤之后立即进行,而在空气淬火步骤和将部件保持在等温温度下的步骤之间不将部件冷却到420摄氏度以下的温度;并且其中构造钢合金的步骤进一步包括构造包括不超过0.005重量百分比的量的硼的钢合金。
[0015] 进一步的方面,根据本文提供的描述,优点和适用领域将变得显而易见。应当理解的是,描述和具体示例仅用于说明的目的,并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

[0016] 附图仅用于说明目的,并不旨在限制本公开或所附权利要求。
[0017] 图1是示出根据本公开的原理的钢合金的概念性时间-温度-转变特征图的曲线图;
[0018] 图2是示出根据本公开的原理的用于形成高强度钢合金的冷却过程的温度-时间图的曲线图;
[0019] 图3是示出根据本公开的原理的形成钢合金部件的方法的框图;
[0020] 图4A是根据本公开的原理的由钢合金形成的曲柄轴的透视图;以及
[0021] 图4B是根据本公开的原理的、图4A的曲柄轴的截面图。

具体实施方式

[0022] 提供了具有基本贝氏体微结构的高强度钢合金。与其它钢合金相比,这些钢合金表现出改进的材料强度和硬度,具有相对细小的晶粒尺寸和足够的延展性,以及期望的可铸造性和可加工性。本文公开的钢合金用于形成经受大型负载和疲劳的汽车部件,诸如曲柄轴。
[0023] 这些钢合金具有低至中等的碳含量以用于足够高的淬透性、细小的晶粒尺寸、良好的贝氏体微观结构和易于加工。最终的微结构主要由低至高贝氏体组成,这可以通过消除后续热处理的需要的冷却工艺来实现,如将在下面进一步详细描述那样。可获得具有大于8%的伸长率的,750-1150MPa的范围内的极限抗拉强度。所公开的钢合金具有与具有更好的可加工性的锻造钢对应物相等的杨氏模量。作为示例,钢合金可以被用于燃气或柴油发动机部件,诸如曲柄轴。
[0024] 本文公开的钢合金包含铁、碳、锰、硅、硫、铬、镍和铝。在一些形式中,还可以包括硼、钼、钒、氮、钛和/或铌。
[0025] 本文公开的钢合金可以是高强度钢合金,并且可以包括:铁和按重量约0.24至约0.80 重量百分比的碳、约0.40至约2.10重量百分比的锰、约0.20至约1.60重量百分比的硅、约0.05至约0.14重量百分比的硫、约0.10至约12.0重量百分比的铬、约0.10至约2.50 重量百分比的镍、约0.02至约0.07重量百分比的铝。例如,表1示出了钢合金的第一示例,其包含铁、碳、锰、硅、硫、铬、镍和铝。
[0026] 表1.新型钢合金的示例
[0027]
[0028] 此外,在一些变型中,钢合金可包括如下的硼、钼、钒、氮、钛和/或铌:0.0004-0.005 重量百分比的硼、0.10-0.60重量百分比的钼、0.05-0.20重量百分比的钒,0.02-
0.20重量百分比的钛、0.03-0.20重量百分比的铌、和0.01-0.04重量百分比的氮。因此,表2显示了可以被添加到表1中的元素以形成如本文所公开的新型钢合金的附加元素。
[0029] 表2.可选地被添加到表1中示出的钢合金的附加元素。
[0030]B(wt%) Mo(wt%) V(wt%) Ti(wt%) Nb(wt%) N(wt%)
0.0004-0.005 0.10-0.60 0.05-0.20 0.02-0.20 0.03-0.20 0.01-0.04 [0031] 在一些变型中,钢合金的范围可以进一步被细化为包括:铁和按重量约0.24至约
0.40 重量百分比的碳、约1.50至约2.00重量百分比的锰、约0.40至约0.80重量百分比的硅、约0.05至约0.12重量百分比的硫、约0.10至约0.60重量百分比的铬、约0.60至约0.90 重量百分比的镍、约0.20至约0.40重量百分比的钼、约0.02至约0.04重量百分比的铝、约
0.001至约0.005重量百分比的硼。例如,表3示出了钢合金的该示例,其包含这些元素:铁、碳、锰、硅、硫、铬、镍、钼、铝和硼。
[0032] 表3.新型钢合金的示例
[0033]
[0034] 在另一变型中,钢合金的范围可以包括:铁和按重量约0.25至约0.50重量百分比的碳、约1.50至约2.00重量百分比的锰、约0.30至约0.60重量百分比的硅、约0.05至约0.12 重量百分比的硫、约0.20至约0.60重量百分比的铬、约0.50至约0.90重量百分比的镍、约0.15至约0.40重量百分比的钼、约0.02至约0.04重量百分比的铝、和约0.001至约0.005 重量百分比的硼。例如,表4示出了钢合金的该示例,其包含这些元素:铁、碳、锰、硅、硫、铬、镍、钼、铝和硼。
[0035] 表4.新型钢合金的示例
[0036]
[0037] 表3或表4中示出的钢合金还可以含有:不超过0.20重量百分比的量的钒、不超过0.20 重量百分比的量的钛、不超过0.20重量百分比的量的铌和氮、其中氮可以被提供在
0.01至 0.04重量百分比的范围内。
[0038] 在另一示例中,可提供基本由以下物质组成的钢合金:约0.35重量百分比的碳、约1.65 重量百分比的锰、约0.45重量百分比的硅、约0.4重量百分比的铬、约0.7重量百分比的镍、约0.25重量百分比的钼、以及其余铁。还可以包括少量的硼,诸如0.001至约0.005重量百分比的硼。优选地,还应当包括硫,诸如0.05至0.12重量百分比的硫。例如,表5示出了钢合金的该示例,其包含这些元素:铁、碳、锰、硅、铬、镍和钼、以及可选地硼和硫。
[0039] 表5.新型钢合金的示例
[0040]
[0041] 如图1中概念性地示出的,新的钢合金可以显示时间-温度-转变(TTT)曲线图100。图 1是概念性图示,并且新的钢合金不需要具有与图1中所示的时间和温度相对应的精确相位。在y轴上概念性地示出了温度(在元件102处指示的),从D7摄氏度的高温到0摄氏度的低温;并且在元件104处,在X轴上示出了时间。
[0042] 在最高温度(诸如高于D7)下,钢合金已经被固化并被转变成如部分106所指示的奥氏体微结构。随着钢合金被冷却,其可以经受作为时间的函数的各种相变。在对应于曲线图100 的前端108的时间到达时间u1之前,钢合金保持奥氏体形式。如果待缓慢冷却的钢合金通过区域110,将构造铁素体和珠光体微观结构。如果待快一点冷却的钢合金通过区域112,则将构造更细小的铁素体和珠光体微观结构。在区域114中,形成铁素体和粗大珠光体。在区域 116中,形成铁素体和珠光体。在区域118中,形成细小珠光体。贝氏体形成温度以120指示。在区域122中,形成50%细小珠光体和50%上贝氏体。在区域124中,形成上贝氏体。在区域126中,形成下贝氏体。在曲线图100的左侧上,当钢合金被快速冷却到D5和D3之间的温度时,在区域128中在小于u1的时间量中构造亚稳态奥氏体。一旦进入区域128,可以使用等温过程进入贝氏体区域124和/或126。进入温度D3将导致马氏体在区域130中开始形成,其将包括马氏体和稍微保留的奥氏体直到达到室温。
[0043] 为了实现期望的贝氏体微观结构,可以沿着线136和138冷却钢合金,其中铸造钢合金的表面沿着线136冷却,并且铸造钢合金的中心沿着线138冷却。由此,钢合金在时间u1之前从温度D7快速冷却到低于D5。一旦钢合金被冷却到区域128,其被保持在大约恒定的温度 d4,经过贝氏体开始线140进入区域112,经过贝氏体结束线142进入贝氏体区域126,直到贝氏体转变完成。在大约时间u2时或之后不久在区域128中,钢合金开始形成贝氏体微观结构。在线142处,贝氏体转变完成。
[0044] 图1示出了新的钢合金可以在高温D7下从奥氏体区域106中的奥氏体微结构快速并直接冷却下降到亚稳态奥氏体区域128,并且然后被保持在恒温以在区域124和126中的一个中实现贝氏体。
[0045] 现在参照图2,示出了钢合金生产工艺的温度-时间图。在202处在Y轴上示出了温度,而在204处在X轴上示出时间。在时间x0之前,在模具中在等于或高于T0的高温下铸造钢合金。在时刻x0处,停止铸造部件的凝固,并且允许铸造钢合金部件在模具中冷却,直到在时间x1处达到温度T1。在对应于时间x1的温度T1下,钢合金部件从模具中落砂并从温度 T1到温度T2空气淬火(快速冷却),这对应于时间x1和时间x2之间的时间段。然后将铸造钢合金部件保持在恒定温度T2直到时间x3。然后在时间x3之后,可以允许钢合金通过空气冷却。图2允许铸造钢合金部件被冷却,如图1中的线136和138所示。因此,落砂前的温度T1代表高温,诸如图1中的D7,其然后沿着图1中示出的线136和138快速冷却到温度 T2。在温度T2下,部件被保持在恒定温度T2下,这对应于图1中的温度D4直到在时间x3 处在区域126中实现大量贝氏体。
[0046] 现在参照图3,形成具有图1和2中描述的贝氏体微结构的铸造钢合金部件的方法在图3 中被示出为工艺流程图。工艺300包括构造具有上述钢合金组合物中的一个的液态钢的第一步骤302。在步骤304中,构造模具。作为示例,模具可以是砂模,诸如湿砂模、熔模、壳模或其它期望的模具。
[0047] 然后,工艺或方法300包括将热液态钢合金浇注到模具中并在模具中固化铸造钢合金的步骤306。在图2中,固化发生在温度T0以上且在相应的时间x0之前。
[0048] 一旦铸造钢合金被凝固并冷却到温度T1,方法300包括将铸钢合金部件从模具中落砂的步骤308。参照图2,落砂发生在温度T1处和相应的时间x1处。在方法300中,T1在730-780 摄氏度的范围内。因此,一旦模具中的部件达到范围730-780(T1),就会出现落砂。
[0049] 然后,方法300包括将铸造钢合金部件空气淬火下降至温度T2的步骤310。温度T2在 420-530摄氏度的范围内。如图2中所示,在通过空气淬火满足温度T2之后,在步骤312中,铸造钢合金部件在温度T2处保持恒定持续x2和x3之间的时间段。x2和x3之间的时间段在 1.5小时和3.5小时之间。在x2和x3之间的时间段过去之后,方法300然后可以包括将铸造部件空气冷却下降到室温的步骤314。如果在步骤312中的时间段之前将部件空气冷却,则合金将在形成贝氏体之前在温度D2或D1(见图1)下浸入马氏体区域130、132中。然而,由于部件被保持在温度T2下持续x2和x3之间的期望时间段以用于“等温”处理,因此在将在图2中的时间x3处的部件进一步冷却到贝氏体区域134中之前,可以遵循相线136、138 来生长贝氏体,如图1所示。
[0050] 因此,将部件保持在420至530摄氏度范围内的等温温度T2的步骤312可在空气淬火步骤310之后立即开始,并持续1.5至3.5小时范围内的时间段。在一些变型中,在步骤314 之后立即进行步骤312,而在空气淬火步骤310和将部件保持在等温温度T2的步骤312之间不将部件冷却到420摄氏度以下的温度。以这种方式,可以使用在凝固之后部件正冷却时部件中已经存在的热量,而不浪费热量且不必再加热部件以构造贝氏体。
[0051] 因此,新的钢合金已经很坚固、具有贝氏体微结构、而不需要额外的再加热、淬火、等温淬火和回火。因此,从不必进行再加热、淬火、等温淬火和回火中节省了时间和成本。
[0052] 本文所述的细小晶粒钢合金可以被用于制造钢汽车部件。因此,本公开延伸到钢汽车部件,包括但不限于曲柄轴,传动轴,变速箱,半轴,车轴等也在本发明人的考虑范围内。例如,参照图4A-4B,示出了曲柄轴400,其由本文所述的钢合金的任何变型制成。曲柄轴400 可具有通过铸造过程300(或通过另一铸造过程或方法)构造的空心轴颈402。
[0053] 另外,尽管单独地描述了上述实施例,但是受益于本公开的本领域技术人员将理解的是,在所附权利要求的范围内,可以从各种示例中混合和匹配本文所述的元素的量。
[0054] 还可以理解的是,上述概念中的任何一个可以独自使用或与任何或所有其它上述概念组合使用。尽管已经公开了本发明的实施例,但是本领域的普通技术人员将认识到,某些修改将落入本公开的范围内。为此,应当研究以下权利要求以确定本发明的真实范围和内容。
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