具有增强的材料特性的空气可硬化贝氏体钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及一种空气可硬化的贝氏体钢，更具体地，涉及一种具有增强的 材料特性的空气可硬化的贝氏体钢。
【背景技术】
[0002] 用于机械的结构部件，例如在履带式推土机底盘上使用的履带链节，需要具有以 下材料特性，包括良好的屈服强度、良好的耐磨性能、良好的韧性以及良好的抗滚动接触疲 劳。在履带式机器的履带上使用的履带链节，在行业内是众所周知的，这些履带式机器例如 为推土机或其他推土设备。履带链节通常具有下部，或链节本体，和上部，或链节的导轨部 分。重要的是，履带链节的导轨部分具有高的表面硬度，然而履带链节的本体部分可以具有 低的表面硬度，用于增强机械加工性能。由于导轨部分连续不断地接触履带支重轮而受到 严重的磨损和碎裂，因此导轨部分的高表面硬度是必要的。履带链节本体部分的低表面硬 度使得更易于在本体部分中加工用于衬套的孔。履带链节本体部分的低表面硬度也使衬套 和履带链节本体上的孔之间形成压配合而不会产生过多的残余应力。
[0003]用于获得履带链节或其它结构部件所需要的材料特性的制造工艺通常包括将钢 坯热锻造为部件、随后冷却、再加热至奥氏体化温度、淬火以及回火。这些热处理工艺之后 可以紧接着在最终机械加工之前对部件的至少选定部分另行加热、再次淬火，以及再次回 火。履带链节的处理过程包括：首先将钢部件加热到大约1150°c-1350°c，使材料进入奥氏 体相区，然后热锻造部件。然后将部件缓慢冷却至室温，接着进行两次热处理工艺。在第一 次热处理工艺中，履带链节被再次加热到奥氏体化温度，被淬火至室温，然后被回火至大约 30-39洛氏硬度（HRC)的硬度。在第二次热处理工艺中，仅仅是履带链节的导轨部分被通 过感应局部再加热，被淬火到室温，以及被回火至51-57HRC的硬度。这些热处理工艺使履 带链节具有坚硬的导轨和硬度较低的履带链节本体。然后链节本体被加工成最终形状。热 处理工艺显著地增加了生产部件的费用，而且也需要大量对炉的资金投入和持续的维护费 用。
[0004] 于1999年3月9日授予给Bhadeshia的第5, 879, 474号美国专利（下文称为 "' 474专利"）中提及了一种生产替代型钢材的尝试，所述钢材具有良好的耐磨性和抗滚动 接触疲劳性能，外加提高的延展性、韧性和可焊性水平。'474专利公开了用于制造钢轨的钢 材，其中钢材旨在提供高强度、耐磨性和抗滚动接触疲劳的微结构，其在导轨的头部中含有 无碳化物的"贝氏体"，具有一些高碳马氏体和残留奥氏体。
[0005] 尽管在' 474专利中公开的合金钢可以提供改善的耐磨性和抗滚动接触疲劳，但 生产成本和材料特性的进一步改善仍然是可能的。特别地，'474专利描述了大量昂贵合金 元素如铬（Cr)和钼（Mo)的使用，以提高滚动接触疲劳强度、延展性、弯曲疲劳寿命和断裂 韧性的水平，并使其滚动接触耐磨性与现有热处理珠光体钢轨相近或比后者更好。
[0006] 根据本发明的化学和过程生产的贝氏体微合金化钢解决了上述一个或多个问题 和/或本领域的其它问题。
【发明内容】
[0007] 在一个方面，本发明涉及一种用于生产锻造钢部件的方法，其包括提供钢坯，其组 成按重量计包括：
[0008] C:0? 25-0. 40 重量％，
[0009] Mn:1. 50-3. 00 重量 ％，
[0010] Si:0? 30-2. 00 重量％，
[0011] V:0?00-0? 15 重量％，
[0012] Ti:0? 02-0. 06 重量％，
[0013] S:0? 010-0. 04 重量％，
[0014] N:0? 0050-0. 0150 重量％，
[0015] Cr:0? 00-1. 00 重量％，
[0016] Mo:0?00-0? 30 重量％，
[0017] B:0?00_0? 005 重量％，以及
[0018] 余量的Fe和偶存杂质，将钢坯加热至大约1150°C_1350°C的奥氏体温度，将钢坯 热锻造成钢部件，并在热锻造之后对锻造钢部件进行受控空气冷却。
[0019] 在另一个方面，本发明涉及一种空气可硬化的贝氏体钢部件，其组成按重量计包 括：
[0020] C:0? 25-0. 40 重量％，
[0021] Mn:1. 50-3. 00 重量 ％，
[0022] Si:0? 30-2. 00 重量％，
[0023] V:0?00-0? 15 重量％，
[0024] Ti:0? 02-0. 06 重量％，
[0025] S:0? 010-0. 04 重量％，
[0026] N:0? 0050-0. 0150 重量％，
[0027] Cr:0? 00-1. 00 重量％，
[0028] Mo:0?00_0? 30 重量％，
[0029] B:0?00_0? 003 重量％，
[0030] 余量为Fe和偶存杂质，以及整个钢部件中贝氏体微结构按体积计大于50 %的微 结构。
[0031] 在另一个方面，本发明涉及一种锻造钢部件，所述锻造钢部件被制造成其化学组 成按重量计包括：
[0032] C:0? 25-0. 40 重量％，
[0033] Mn:1. 50-3. 00 重量 ％，
[0034] Si:0? 30-2. 00 重量％，
[0035] V:0?00-0? 15 重量％，
[0036] Ti:0? 02-0. 06 重量％，
[0037] S:0? 010-0. 04 重量％，
[0038] N:0? 0050-0. 0150 重量％，
[0039] Cr :0? 00-1. 00重量％，
[0040] Mo :0?00_0? 30重量％，
[0041] B :0?00-0? 003重量％，
[0042] 余量为Fe和偶存杂质，以及整个钢部件中贝氏体微结构按体积计大于50%的微 结构，并且锻造钢部件通过如下步骤制成：热锻造、在热锻造之后进行受控空气冷却以制备 锻造钢部件中贝氏体大于50%的贝氏体微结构，然后进行最终机械加工。
【附图说明】
[0043] 图1是省略了典型的热处理步骤的示例性公开方法的示意图；
[0044]图2是制备本发明的示例性实施方式的微结构的连续冷却转变（CCT)图；以及
[0045] 图3是描绘了可用于制备具有增强特性的示例性微合金化贝氏体钢的示例性公 开方法的流程图。
【具体实施方式】
[0046] 本发明公开了一种微合金化的、可空气硬化的、以贝氏体为主的钢，其具有增强的 强度、耐磨性和韧性特性。在无需多次热处理工艺的情况下，可以经济地制备微合金化贝 氏体钢，而之前认为，为得到所期望的强度、耐磨损性和韧性特性，这些热处理工艺是必需 的。如图1所示，在钢部件的热锻造之后的典型的热处理工艺可以包括冷却、再加热至奥氏 体化温度、淬火和回火。这些热处理工艺之后，可以在最终机械加工之前使用感应对钢部件 的选定部分进行二次再加热、二次淬火和二次回火。传统的热锻造过程可能需要至少第一 顺序的热处理步骤，包括再加热、淬火和回火，以便获得期望的强度和韧性特性，并且同时 最终获得对于机械加工来说不太硬的部件。如果可以省去这些中间热处理工艺中的至少一 些，那么可以显著节约成本。可以降低用于热处理能力的资本投资以及对炉和其他设备的 维护成本。在本发明的某些实施方式中，微合金化贝氏体钢可以具有必要的组成，并且在热 锻造之后冷却以得到约50-55洛氏硬度C(HRC)的硬度，甚至在最终机械加工之前不需要进 行感应再加热、淬火和回火。
[0047] 根据本发明的各个实现方式，以贝氏体为主的微结构为包含至少按体积计50%的 贝氏体微结构的微结构。某些实施方式可以具有至少按体积计70%的贝氏体微结构。其他 实施方式可以具有至少按体积计85%的贝氏体微结构。贝氏体是一种在约250°C至550°C 下（取决于合金含量）形成于钢中的微结构。贝氏体是分解产物之一，其可以在当奥氏体 (铁的面心立方晶体结构）冷却通过取决于合金含量的727°C(1340°F)的临界温度时形 成。贝氏体微结构可以在外观和硬度特性上与回火的马氏体相似。
[0048] 精细的、非层状结构的贝氏体通常含有渗碳体和富位错的铁素体。贝氏体中存在 的铁素体中的高浓度的位错使得这种铁素体比其正常情况下更硬。如图2的连续冷却转变 (CCT)图所示，转变成贝氏体的温度范围（250°C_550°C)