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CN111432981A - 钢材料复合物、用于制造构件的方法以及用途 - Google Patents

钢材料复合物、用于制造构件的方法以及用途 Download PDF

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CN111432981A
CN111432981A CN201780097523.4A CN201780097523A CN111432981A CN 111432981 A CN111432981 A CN 111432981A CN 201780097523 A CN201780097523 A CN 201780097523A CN 111432981 A CN111432981 A CN 111432981A
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Application number
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托马斯·格罗瑟约舒坎普
迈克·柏格奇
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ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
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Abstract

本发明涉及一种具有至少两个层(1、2、3、4)的钢材料复合物，该钢材料复合物包括至少一个由可切削的和/或可剪切的钢构成的第一层(1、3)和至少一个由可成形的钢构成的第二层(2、4)，所述第二层与第一层(1、3)材料配合地连接。

Description

钢材料复合物、用于制造构件的方法以及用途
技术领域
本发明涉及一种具有至少两层钢的钢材料复合物。此外，本发明涉及一种用于制造构件的方法和该构件的用途。
背景技术
在车辆制造中，例如在车辆传动系的领域中，使用了由于精度要求和/或表面要求必须切削(Spanend)加工的构件。
在现有技术中已知可切削的和/或可剪切的钢。这些钢大部分由大多为圆柱形的半成品提供并且尤其用于制造旋转对称的构件，其中，这些半成品由实心材料主要经受切削地车削加工直至产生最终几何形状。这种加工方式在材料和成本方面是花费高昂的。
为了至少减少材料使用，在为了产生最终几何形状而机械地或切削地加工钢之前，可切削的和/或可剪切的钢大多可以由扁产品成形为预几何形状。良好的可切削的和/或可剪切的钢通常具有差的成形性质，因为引起良好的切削加工性的合金成分，例如铅、磷和/或硫对可成形性起反作用。使用了这样的钢，它可良好成形，但在切削加工中不显示出所希望的切屑图案，而是形成所谓的流痕
Figure BDA0002526347450000011
在产生流痕时不利的影响在于，该流痕可损坏工件的待加工的表面。此外，可由此使切削刀具堵塞，从而增加清洁花费，并且因此可再次延长加工时间。切削刀具的使用寿命也可能缩短。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种半成品，其将上述的相反的性质结合起来，由此基本上可补偿或减少上述缺点。
这个目的通过具有专利权利要求1的特征的钢材料复合物来实现。
为了将上述的相反的性质结合在半成品中，提出了一种具有至少两个层的钢材料复合物，该钢材料复合物包括至少一个由可切削的和/或可剪切的钢制成的第一层和至少一个由可成形的钢制成的第二层，该第二层材料配合地与第一层连接。根据本发明的钢材料复合物确保了在良好的可切削性和/或可剪切性下足够的可成形性。
可切削和/或可剪切的钢尤其是指易削钢(Automatenstahl)(EN 10087)。也可以使用调质钢(EN 10083)、渗碳钢(EN 10084)或Ni三元钢(EN 10085)，它们分别具有至少0.01重量％的硫含量。
可成形的钢尤其是品种DC(DIN EN 10130)、DD(DIN EN 10111)、DX(DIN EN10346)或用于冷成形的细晶粒结构钢(EN 10149)。也可以使用这样的钢，它尤其在温度影响下可以如此变形，使得待制造的构件所需的最终几何形状可以无障碍地构造。
根据第一实施方式，钢材料复合物的至少第一层例如除了Fe和制造引起的不可避免的杂质以外还由以下组成(以重量％计)：
C：至多0.60％，
Si：至多1.00％，
Mn：至多2.00％，
P：至多0.150％，
S：至多0.50％，
Pb：至多0.50％，
其中∑P+S+Pb≥0.020重量％，
其中所述第一层任选地具有以下任选的合金元素中的一个或多个：
任选的Cr：至多3.0％，
任选的Cu：至多0.50％，
任选的Nb：至多0.050％，
任选的Mo：至多1.0％，
任选的N：至多0.020％，
任选的Ti：至多0.020％，
任选的V：至多0.40％，
任选的Ni：至多5.0％，
任选地B：至多0.010％，
任选的Sn：至多0.050％，
任选的H：至多0.0010％，
任选的As：至多0.020％，
任选的Co：至多0.020％，
任选的0：至多0.0050％，
任选的Ca：至多0.0150％，
任选的Al：至多1.0％。
C是一种提高强度的合金元素，并且随着升高的含量有助于提高硬度，其方式是，作为间隙原子溶解在奥氏体中而存在或者与Fe或者与任选地加合金的合金元素Cr、Ti、Nb和/或V形成碳化物，所述碳化物一方面可以比周围的基体(Matrix)更硬或者可以使周围的基体至少如此变形，使得基体的硬度提高。因此，C的含量为至少0.020重量％，特别是至少0.070重量％，优选至少0.10重量％，以设置所期望的硬度并确保对机械加工的一定的阻力。C含量限制在最大0.60重量％，尤其最大0.55重量％。
Si是合金元素，其可以有助于混晶硬化并且取决于含量在硬度提高上起积极作用，使得可以存在至少0.020重量％，尤其是至少0.050重量％的含量。在较低的含量下，Si的作用不能清楚地证明。但是，Si也不会对钢的性质起负面作用。如果向钢中加入太多的硅，则对其变形能力和韧性性质有负面影响。由此，合金元素限制在最大1.00重量％、尤其是最大0.60重量％、优选最大0.40重量％，以尤其是确保足够的辊轧性。此外，如果例如应避免任选地使用Al，以避免例如与N的不期望的结合，则Si可用于钢的脱氧。
Mn是合金元素，其可有助于可淬火性，并尤其用于与S结合至MnS，使得可以存在至少0.20重量％、尤其是至少0.40重量％的含量。锰降低了临界冷却速度，由此可提高可淬火性，尤其在热处理工艺中。该合金元素最大为2.00重量％，尤其最大为1.50重量％，以确保良好的成形表现。此外，Mn具有强烈的偏析(seigernd)作用，并且因此优选限制在最大1.30重量％。
P是铁伴同体(Eisenbegleiter)，其起强烈的降低韧性的作用，并且通常算作不期望的伴同元素。由于其扩散速度低，P在熔体凝固时会导致严重的偏析。出于这些所述的原因，将该元素限制在最大0.150重量％，尤其最大0.110重量％。
S在钢中具有强的偏析倾向并且形成不期望的FeS，因此其可通过Mn的加合金来结合。因此，S含量限制在最大0.50重量％，尤其最大0.45重量％。
Pb可加合金至最大0.50重量％，尤其最大0.40重量％，优选最大0.350重量％，这可以在机械加工过程中导致钢的光滑表面。高于所述上限的合金含量将导致超过法定限制。
由于在钢中形成脆性夹杂物对于可切削性具有积极影响，其中切削件可在机械或切削加工中断裂，优选将合金元素S、P、Pb中的至少一种单独地或者由S和P或S和Pb或P和Pb或S和P和Pb的总和以至少0.020重量％、尤其至少0.050重量％、优选至少为0.10重量％，特别优选至少为0.150重量％存在。相应的总和∑P+S+Pb≥0.020重量％。
Cr可以作为任选的合金元素取决于含量有助于调节强度，尤其通过至少0.020重量％的含量。此外，Cr可以单独使用或与其它元素组合使用作为碳化物形成体(Karbidbildner)。由于对材料的韧性有积极作用，Cr含量优选设置在至少0.150重量％。出于经济原因，可将合金元素限制在最大3.0重量％、尤其最大2.50重量％、优选最大2.0重量％。
Cu可以通过析出硬化作为任选的合金元素有助于硬度提高，并且尤其以至少0.010重量％的含量加合金。Cu可限制在最大0.50重量％。
Ti、Nb和/或V可以作为任选的合金元素单独地或组合地加合金用于晶粒细化。此外，Ti可以用于与N结合。然而，这些元素尤其可以用作微合金元素，以形成强度升高的碳化物、氮化物和/或碳氮化物。为了确保其作用，可以使用分别为或总和为至少0.010重量％的含量的Ti、Nb和/或V。为了将N完全结合，Ti的含量应至少设为3.42*N。将Nb限制在最大0.050重量％，尤其最大0.030重量％，将Ti限制在最大0.020重量％、尤其最大0.0150重量％，将V限制在最大0.40重量％、尤其最大0.250重量％，因为更高的含量可对材料性质不利地影响，尤其是对第一层的韧性不利地影响。
Mo可以任选地作为碳化物形成体而加合金用于提高屈服强度和改善韧性。为了确保这些作用的有效性，可将至少0.010重量％的含量加合金。出于成本原因，将最大含量限制在最大1.0重量％、优选最大0.70重量％。
N可作为任选的合金元素发挥与C类似的作用，因为其形成氮化物的能力可对强度有积极影响。在任选的Al的存在下，可以形成氮化铝，这改善晶核形成并阻止晶粒生长。将含量限制在最大0.020重量％。优选设定最大含量为0.0150重量％，以避免在任选存在会对韧性产生不利影响的Ti的情况下不合需要地形成粗氮化钛。此外，在铝或钛含量不够高或不存在的情况下，在使用任选的合金元素硼时，硼与氮结合。
Ni，其任选地加合金至最大5.0重量％，可以有利地影响材料的可变形性。出于成本原因，尤其设定最大4.50重量％、优选最大4.30重量％的含量。
B可以作为任选的合金元素以原子形式延缓向铁素体/贝氏体的组织转变并且改善强度，尤其当N通过任选的强的氮化物形成体如Al和/或Nb结合并且能够以尤其至少0.0005重量％的含量存在时。该合金元素限制在最大0.010重量％、尤其最大0.0070重量％，因为更高的含量能够对材料性质，尤其在晶界的韧性方面产生不利的影响。
Sn、As和/或Co是任选的合金元素，如果它们没有被目的性加合金用于调节特定的性质，则可以单独地或以组合算作杂质。将含量限制在最大0.050重量％的Sn、尤其最大0.040重量％的Sn，最大0.020重量％的Co，最大0.020重量％的As。
0是任选的和通常不合需要的，但是在本发明中最低含量也可以是需要的，因为尤其在第一和第二层之间的分离层上氧化物覆盖层(Belegung)阻碍了有意不同地合金化的钢之间的扩散，如例如在德国公开文本DE 10 2016 204 567 Al中所描述的。氧的最大含量以0.0050重量％，优选0.0020重量％给出。
H任选地并且作为最小的原子在钢中的间隙位置上是非常可运动的并且尤其在热轧的冷却中能够在晶核中引起断裂。因此，氢元素减少到最大0.0010重量％、尤其最大0.0006重量％、优选最大0.0004重量％、更优选最大0.0002重量％的含量。
Ca可以任选地作为脱硫剂并且为了目的性的硫化物影响以至高0.0150重量％、优选至高0.0050重量％的含量加合金到熔体，这导致在热轧时硫化物的改变的塑性。此外，通过添加Ca也优选改善了冷成形表现。所描述的效果从0.0005重量％的含量起有效，因此在任选地使用Ca的情况下，这个限度可以选择为最小值。
Al尤其可以有助于脱氧，因此可以任选地设有至少0.010重量％的含量。该合金元素限制在最大1.0重量％，以确保尽可能好的可浇铸性，优选限制在最大0.30重量％以基本上减少和/或避免在材料中的尤其是非金属氧化物夹杂物形式的不合需要的析出，其可负面地影响材料性质。例如，将含量设置在0.020至0.30重量％之间。Al也可以用于与钢中任选存在的氮结合。
根据一个实施方案，钢材料复合物的至少第二层由具有断裂伸长率A80>10、尤其断裂伸长率A80>15、优选断裂伸长率A80>20、特别优选断裂伸长率A80>25的钢构成。
根据一个实施方案，第一层具有相对于钢材料复合物的总材料厚度的在5％与70％之间、尤其在10％与50％之间、优选在20％与40％之间的材料厚度。应确保第一层的材料厚度至少为5％，使得机械加工仅可在第一层中执行。将第一层的材料厚度限制到最大70％应赋予钢材料复合物一定的可成形性。总材料厚度在0.5和20.0mm之间，尤其是在1.0和15.0mm之间，优选在2.0和10.0mm之间。在其最简单的实施方案中，钢材料复合物具有正好一个第一层和一个第二层。根据用途，钢材料复合物也可以实施为至少三层，其中第一层可以作为核心层被布置在两个分别由第二层形成的覆盖层(Decklage)之间。替代地，第二层也可以作为芯层布置在两个覆盖层之间，所述覆盖层分别由第一层形成。覆盖层在至少三层的实施方案中可以具有对称的或不对称的结构。
根据另一实施方案，钢材料复合物借助包层、尤其是轧制包层、优选热轧制包层来制造，如它例如在德国专利文本DE 10 2005 006 606 B3中所描述的那样。参考该专利文本，其内容在此并入本申请中。复合物的制造通常是现有技术。
根据第二方面，本发明涉及一种用于制造构件的方法，其中提供根据本发明的钢材料复合物，该钢材料复合物被成形、尤其冷成形为预成形件并且为了产生最终形状或进一步的形状、尤其为了进一步的工艺步骤至少区段地在第一层的区域中机械加工该预成形件。机械加工尤其是理解为切削加工，例如在第一层的区域中区段地车削、铣削和/或钻孔。根据第一层在构件处的布置，例如作为可接近的层，可以进行表面的基本上完全的切削加工。如果第一层仅部分可接近，例如当其作为核心层布置在实施为至少三层的构件中时，第一层也仅可在构件的端面区域中被切削加工。
根据该方法的一个实施方案，可对最终形状或进一步的形状热处理。通过热处理，可以在构件处设置另外的性质或改善的性质，例如通过去应力退火或具有任选的后续回火的淬火或在渗碳或渗氮过程中的表面淬火。
根据第三方面，本发明涉及根据上述方法中的一种制造的构件作为车辆或金属构件中、尤其是车辆的传动系中的组件的用途。车辆的传动系包括将发动机动力传递到车轮的所有组件。在此，从发动机开始包括离合器和变速器的组件、万向轴、驱动轴和差速器。在混合动力车辆中，在全混合动力和插电式混合动力车辆中，以及在纯电动车辆中添加了电动机。示例性的构件可以是片承载件、转子承载件、定子承载件、压板、齿形皮带轮、传感轮、转子轮和轴。
优选地，该用途涉及所有旋转对称的构件，其在无切削的成形之后还必须至少被区段地切削加工。
附图说明
下面借助示出多个实施例的附图进一步阐述本发明。相同的部件始终设有相同的附图标记。示出
图1以不同的图示示出了根据本发明的构件的第一实施例，
图2以不同的图示示出根据本发明的构件的第二实施例，和
图3以不同的图示示出根据本发明的构件的第三实施例。
具体实施方式
特别优选地，可以借助于热轧包层由市售的扁钢产品来生产根据本发明的钢材料复合物，尤其为了提供可以结合相反性质的半成品，例如在良好的可切削加工性和/或可剪切性的情况下具有足够的可成形性。为此，由至少两个具有不同性质的层(1、2、3、4)组成的板坯件和/或板坯彼此堆叠，这些层至少局部地沿着其棱边材料配合地、优选借助于焊接彼此连接成预复合物。将该预复合物带到至少1000℃的温度并且在多个步骤中热轧成具有例如2.0至10.0mm的总材料厚度的钢材料复合物。在需要时，可将钢材料复合物尤其借助冷轧进一步较少到更小的总材料厚度。
图1以不同的视图、以立体图和根据截面I-I的剖视图以及以放大的部分剖视图示出了根据本发明的构件(10)的第一实施例。该构件(10)由钢材料复合物形成，该钢材料复合物在上述热轧包层的过程中生产并且具有第一层(1)和第二层(2)，所述第一层和第二层材料配合地相互连接。第一层(1)由可良好切削和/或可剪切的钢构成，且第二层(2)由可良好变形的钢构成。第一层(1)尤其可以由根据EN 10087的易切削钢，例如具有名称11SMn30的钢构成，或者由根据EN 10083的具有至少0.01重量％的硫含量的调质钢构成，例如由具有名称42CrMoS4的钢构成。第二层(2)可由具有断裂伸长率A80>10、尤其断裂伸长率A80>15的钢构成，例如由根据DIN EN 10130具有名称DC的钢、根据DIN EN 10111具有名称DD的钢、根据DIN EN 10346具有名称DX的钢或根据DIN EN 10149-2具有名称S355MC的钢构成。
为了制造构件(10)，提供基本上平坦实施的钢材料复合物，其具有第一层(1)，该第一层具有相对于钢材料复合物的总材料厚度至少25％的材料厚度。通过可良好成形的钢(第二层，2)的按百分比计算较高的份额，可以确保足够的和复杂的成型。将该钢材料复合物借助于合适的和未示出的成型装置冷成形为预成形件，并且该预成形件的表面在一侧通过借助于合适的装置(20)的切削加工而形成其最终形状或形成用于进一步的工艺步骤的进一步的形状。替代地，为了制造预成形件，在需要时也可以对钢材料复合物进行热成形。切削去除将第一层(1)的材料厚度减少到小于机械加工之前第一层的原始材料厚度的一半。机械加工不必完全在第一层(1)的整个表面上进行，而是也可以仅根据需要部分区段地进行。在机械加工后还可以对最终形状或进一步形状进行热处理以改善性质。
在图2中以不同的图示以立体图和根据截面II-II的剖视图以及以放大的部分剖视图示出了根据本发明的构件(10’)的第二实施例。与构件(10)相比，构件(10’)由三层钢材料复合物形成。该钢材料复合物包括一个第二层(2)作为核心层布置在两个覆盖层之间，这两个覆盖层各自由第一层(1、3)形成。
为了制造构件(10’)，提供基本上平坦实施的钢材料复合物，其具有两个第一层(1、3)，这两个第一层各自具有相对于钢材料复合物的总材料厚度至少20％的材料厚度。将钢材料复合物借助于合适的和未示出的成型装置冷成形为预成形件，并且借助于合适的装置(20)在两侧、更确切地说在第一层(1、3)的两个表面上切削加工该预成形件以产生最终形状或进一步的形状。替代地，为了制造预成形件，在需要时也可以对钢材料复合物进行热成形。为了满足整个构件(10’)的精度要求和/或表面要求，在两侧进行切削去除，其中，在机械加工之前，在两侧将材料厚度减少第一层(1，3)的原始材料厚度的约1/4。机械加工不必完全在第一层(1、3)的整个表面上进行，而是也可以仅根据需要部分区段地进行。在机械加工之后还可以对最终形状或进一步的形状进行热处理以改善性质。
在图3中以不同的图示以立体图和根据截面III-III的剖视图以及以放大的部分剖视图示出根据本发明的构件(10”)的第三实施例。该构件(10”)如构件(10’)同样由三层钢材料复合物形成，但是不同的是，第一层(1)作为核心层布置在两个覆盖层之间，这两个覆盖层分别由第二层(2，4)形成。
为了制造构件(10”)，提供基本上平坦实施的钢材料复合物，其具有第一层(1)，该第一层具有相对于钢材料复合物的总材料厚度至少50％的材料厚度。钢材料复合物借助于适合的和未示出的成型装置冷成形为预成形件，并且借助于适合的装置(20)从端面进行机械加工或者切削加工以产生最终形状，其中在端面中将环绕的、槽形的几何形状切削地引入构件(10”)中。替代地，为了制造预成形件，在需要时也可以对钢材料复合物进行热成形。在机械加工之后还可以对最终形状进行热处理以改善性质。
本发明不限于所示的实施例，而是各个特征可以任意地相互组合。特别优选地，根据本发明的构件或可由根据本发明的钢材料复合物制造的构件可以用作车辆或金属结构中的组件，尤其是用作车辆传动系中的组件，优选以旋转对称的构件的形式。

Claims (8)

1.具有至少两个层(1、2、3、4)的钢材料复合物，该钢材料复合物包括至少一个由可切削的和/或可剪切的钢构成的第一层(1、3)和至少一个由可成形的钢构成的第二层(2、4)，所述第二层与第一层(1、3)材料配合地连接。
2.根据权利要求1所述的钢材料复合物，其特征在于，至少一个所述第一层(1，3)除了Fe和由制造引起的不可避免的杂质以外还以重量％计由以下组成：
C：至多0.60％，
Si：至多1.00％，
Mn：至多2.00％，
P：至多0.150％，
S：至多0.50％，
Pb：至多0.50％，
其中∑P+S+Pb≥0.020重量％，
其中所述第一层(1，3)任选地具有以下任选的合金元素中的一个或多个：
任选的Cr：至多3.0％，
任选的Cu：至多0.50％，
任选的Nb：至多0.050％，
任选的Mo：至多1.0％，
任选的N：至多0.020％，
任选的Ti：至多0.020％，
任选的V：至多0.40％，
任选的Ni：至多5.0％，
任选地B：至多0.010％，
任选的Sn：至多0.050％，
任选的H：至多0.0010％，
任选的As：至多0.020％，
任选的Co：至多0.020％，
任选的0：至多0.0050％，
任选的Ca：至多0.0150％，
任选的Al：至多1.0％。
3.根据前述权利要求中任一项所述的钢材料复合物，其特征在于，所述至少一个第二层(2，4)由具有断裂伸长率A80>10、特别是断裂伸长率A80>15的钢构成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的钢材料复合物，其特征在于，所述第一层(1，3)具有相对于钢材料复合物的总材料厚度在5％与70％之间、尤其是在10％与50％之间的材料厚度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的钢材料复合物，其特征在于，所述钢材料复合物借助包层、特别是借助热轧包层制成。
6.用于制造构件(10，10’，10”)的方法，其中提供根据前述权利要求中任一项所述的钢材料复合物，使该钢材料复合物成形为预成形件并且为了产生最终形状或进一步的形状而至少区段地在第一层(1，3)的区域中对所述预成形件进行机械加工。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述最终形状或进一步的形状进行热处理。
8.根据权利要求6至7中任一项所述的构件作为组件在车辆或金属结构中、尤其是在车辆的传动系中的用途。
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