用于链条和链条组件的合金钢的用途以及链节或链条组件

摘要

本发明涉及一种合金钢作为主要在采矿方面应用的链条和链条组件的制造材料的用途，其含有：0.17～0.25重量％的C,0.8～1.4重量％的Mn，0.4～1.5重量％的Cr，0.3～1.0重量％的Mo，0.9～1.3重量％的Ni，0.1～0.5重量％的W，0.015～0.05重量％的Al,最多1.5重量％的Si，最多0.25重量％的Cu，最多0.015重量％的P，最多0.015重量％的S，总含量为0.005～0.1重量％的至少一种选自Ta、Nb、V、Hf、Zr和Ti的元素，以及余量的铁连同不可避免的杂质。

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于在采矿方面应用的链条(ketten)和链条组件(kettenbauteile)的合金钢的用途，以及由这种合金钢所制造的链节(kettenglied)。 

技术背景

在采矿业，特别是地下采矿业中会将钢链投入不同的用途中。例如在运输装置、挖刨设备和类似装置中会使用钢链。这些链条必须能承载特别高的静态和动态负荷。此外，由于使用环境中时而会有的腐蚀性的氛围，它们必须具有良好的耐腐蚀性。除了这些由于链条的操作和使用而产生的要求之外，还存在由制造这样的节连链或平环链的制造方法而产生的对钢材的要求。因此，由这样的钢材所制造的节连链(Gliederketten)必须不仅要满足上述应用的特定要求，还必须是可塑的(从而能由链节通过锻造或弯曲加工来制造)、可调质处理的并且该合金钢必须满足对良好的焊接性能的要求。 

符合这样的要求的钢材由DE 43 37 148 C1而已知。用这些钢材制造的链条可满足在采矿方面的应用中的高应力。 

特别是对于采矿方面的应用来说，总是需要性能卓越的链条。当借助这种链条能运载高负载时，这种节连链的性能是更有出色的。原则上，通过优化链节的几何形状以减少形成链节所需的材料，通过使用具有较高拉伸强度的材料和/或通过提高链节的钢丝直径(Drahtdurchmesser)可实现性能的提高。 

由DE 103 48 491 C1已知有一种节连链，其中对至少竖直环节进行了与其几何形状相关的优化以提高链条的性能。根据首次由这种现有技术所公开的链节的几何形状，轴颈(Schenkel)区域内的横截面积相对于弧形区域内的横截面积减少了15～45％。其结果是节省了不少的材料，并且不必承受在断裂强度方面的缺点。因此，在使用为具有相同标称直径的标准节连链而提供的驱动装置的情况下，利用这样的节连链可负载更高的吨位。然而，针对通 过改变链节的几何结构以提高链条性能而作出的努力是有限的。对用于制造此类链条的合金钢的合适的优化来说也是如此。应用于采矿的链条由合金钢制造，其中使用作为典型材料的符合DIN17115标准的1.6758型的铬镍钼(CrNiMo)钢材。这种钢材具有高的Cr含量和Ni含量，其中Cr含量为0.4～0.6重量％以及Ni含量为0.9～1.1重量％。 

相对于这样的钢材，由DE 43 37 148 C1所公开的钢材已实现了性能的改进。但是当该钢材符合上述要求时，其在钢强度方面的进一步提高也是有限的。在这种情况下，节连链性能的进一步提高只能靠增大形成链节所用材料的直径来实现。在这一方面，使用弧形区域的中心区域来确定和指定作为链节标称直径的钢丝直径都与，不论该链节是由钢丝弯曲而成的链节还是由锻造而成的链节无关。但是通过增大链节的直径，也就是通过用于调节硬度的热处理工艺来提高性能也是有限的。这样的调质过程包括半成品的淬火硬化和随后的回火。淬火过程中将链节加热至奥氏体化温度然后迅速冷却(骤冷)。进行这样的热处理，以便在工件(本文中指链节)内部形成马氏体结构。只有在链节于其整个横截面上具有马氏体结构并由此具有足够的硬度时，这样的链节才符合负载要求。然后，由该钢材提供的钢卷才能被优化利用。但只有当冷却进行得足够快时，才能通过冷却来产生马氏体组织。因为通过从这样的链节中吸取热量进行的冷却只能够在外壳表面上进行，所以冷却过程会随着至链节外部的壳表面的距离的增加而变长。这导致在链节直径较大的情况下，对于在横截面的核心区域的冷却，由于在那里冷却变得更慢或被延迟，不再能够保证奥氏体组织完全转变成马氏体组织，并且会形成其他的，特别是较软的组织，例如贝氏体结构。其他组织的较低的硬度该链节在已不存在马氏体结构的横截面上具有显著较低的负载能力。这样的金相结构中的不均匀性是不能通过随后的回火得到校正。其结果是，由于这种原因，这种链节的负荷能力远低于所预期的该链节的负载。材料和加工技术对于快速散热的冷却过程的优化来说是有限的。这一方面是由于标称直径较大的链节具有相对较大的待冷却的质量，以及另一方面由于所使用的材料的热传导能力，热量通过这种材料必须由内向外传递穿过这种链节，即从核心区域移向形成冷却面的链节外壳表面。 

在JP 2008 266721中描述了一种通过加压淬火制造的高强度的组件。该组件是机动车车身的结构组件。经受加压淬火的薄板仅具有约1.4mm的很 小的厚度。用于制造该薄板所使用的合金钢具有以下按重量百分比计的成分：0.1～0.55％C、0.1～3％Mn、21％Si、20.03％S，20.1％P、20.01％F和余量为铁。 

由于上面所讨论的现有技术的背景，希望能得到特别针对采矿应用的链条或链条组件，它们在工件直径较大的情况下始终能具有马氏体结构。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种方案，通过它可以不顾上面所指出的限制，制造出具有较高性能的节连链(Gliederketten)及其零件。 

本发明所述的技术问题通过一种将合金钢作为用于制造主要是采矿应用上的链条和链条组件的材料的用途所解决，所述合金钢具有： 

0.17～0.25重量％的C, 

0.8～1.4重量％的Mn， 

0.4～1.5重量％的Cr， 

0.3～1.0重量％的Mo， 

0.9～1.3重量％的Ni， 

0.1～0.5重量％的W， 

0.015～0.05重量％的Al, 

最多1.5重量％的Si， 

最多0.25重量％的Cu， 

最多0.015重量％的P， 

最多0.015重量％的S， 

总含量为0.005～0.1重量％的至少一种选自元素组Ta、Nb、V、Hf、Zr和Ti的元素，以及余量的铁连同不可避免的杂质。。 

本发明所使用的合金钢比常规的合金钢，并且出乎意料地也比由DE4337 148 C1而公开的合金钢对冷却和淬火更不敏感。据猜测，对淬火的不敏感性和由此而改善的淬透性是因为该合金在其合金成分的组合物中的特别设定以及特别应为元素钨和至少一种选自元素钽、铌、钒、铪、锆和钛的元素的组合。同时，这种合金钢不仅符合对形式、可处理性和可焊接性能的要求，还更是满足了在采矿应用中承载静态和动态高负荷的要求。通过这种合金成分与其特定含量的特别组合造成了，在淬火过程中相变特性经过较长的 时间才向贝氏体组织移动。这就导致了，当冷却时间持续地更长一些时(这对于直径较大的链节中的核心区域来说是经常出现的情况)，所希望的马氏体结构仍保持不变。使用上述特定的合金钢可制造具有显著超过52mm，特别是超过58mm的标称直径的链节，并且在使用常用的冷却方法的情况下该链节在其整个横截面上具有马氏体组织。因此，不需要采取其他的，特别是更为复杂的冷却方法来实现所希望的淬透性。在冷却过程之后，以常规的方式为了调整所需的其他属性对半成品进行回火。 

出人意料的是，所要求保护的合金钢事实上比常规的合金钢对冷却更加不敏感。其原因在于，在使用所要保护的合金组合物的情况下，在本发明之前所进行的热力学模拟未显示出这种向贝氏体的延迟相变。在这一方面，使用所要保护的合金的热力学模拟与并行实施的使用先前已知的合金钢的热力学模拟没有差异。 

当合金钢具有上述的合金成分，所述合金成分具有以下较窄范围的含量时，可以实现对上述淬透性的进一步改进： 

0.19～0.23重量％的C, 

0.9～1.1重量％的Mn， 

0.7～1.0重量％的Cr， 

0.6～0.9重量％的Mo， 

1.0～1.25重量％的Ni， 

0.15～0.35重量％的W， 

0.015～0.05重量％的Al, 

最多0.3重量％的Si， 

最多0.15重量％的Cu， 

最多0.015重量％的P， 

最多0.015重量％的S， 

总含量为0.02～0.08重量％的至少一种选自元素组Ta、Nb、V、Hf、Zr和Ti的元素，以及余量的铁连同不可避免的杂质。 

虽然原则上具有上述含量的至少一种选自Ta、Nb、V、Hf、Zr和Ti的元素参与了该合金的构成，但是优选选择元素Ta和/或Nb作为选自其中的合金元素。参与构成合金的选自该元素组的元素的总含量不超过0.1重量％，若不然则可能会造成对于一个和多个、对材料和由其制成的产品所提出的其 他要求的不利影响。 

对实现由所述合金钢制成的半成品(例如为采矿应用所提供的链节)的特殊的淬透性来说特别重要的是，元素钨(W)与所涉及的选自元素Ta、Nb、V、Hf、Zr和Ti中的一个或多个元素间的相互作用。若合金元素钨以及一个或多个其他的选自元素Ta、Nb、V、Hf、Zr和Ti的微合金元素彼此符合下列公式，则在符合其他的对合金钢的可制造性和可加工性或对由其制成的半成品和产品所提出的要求的情况下，会有与由所述合金钢所制成的产品的淬透性相关的特别好的结果： 

$\mathrm{\Sigma k}·\frac{c_{\mathrm{MA}}}{c_W}·\frac{m_{\mathrm{Ta}}}{m_{\mathrm{MA}}}=E$

其中， 

k为一个或多个微合金元素的系数：对于Ta、Nb、Hf和Zr，k＝1；对于V和Ti，k＝0.3： 

C_MA为一个或多个微合金元素的含量，以重量％计； 

C_W为钨的含量，以重量％计； 

m_Ta为钽的原子量(以u为单位，Ta＝180.95u) 

m_MA为一个或多个微合金元素的原子量(以u为单位)， 

并且结果E在0.06～0.9之间。在该整个范围内已经能达到非常好的淬透性结果。当上述公式的结果E在0.08～0.5之间时，能达到进一步改进的结果。由此在上述关系中涉及到钽当量。优选选择上述微合金元素组的钽和铌作为参与合金构成的主要微合金元素。 

硅在该合金中的参与是非关键性的。不仅是在Si含量不超过1.5重量％时，还是在其含量仅低于0.3重量％时，本发明都具有优势。优选硅在合金中的含量在0.08至0.2重量％区间内。 

附图说明

图1是示出在所试验的样品的端面上进行端淬试验(Jominy test)所得的结果的图表。 

图2是示出对样品VL-1、VL-2和LS-3所进行的热力学模拟的结果的图表。 

图3是本发明的合金LS-3和LS-4的抗拉强度与对照合金VL-1和VL-2 的抗拉强度在关于回火温度上的比较图。 

图4是描述各个合金的韧性的图表。 

图5是将本发明的合金LS-3的耐腐蚀性与由对照合金VL-1和VL-2制成的样品件的耐腐蚀性比较所得的柱状图 

具体实施方式

下文将对实施例及其实验进行更详细的描述，即将其与上述现有技术中的根据DE43 37 148 C1以及1.6758型的合金钢作比较。 

下面再次给出了两种本发明的实验合金LS-3和LS-4的化学组成： 

两种本发明的合金样品LS-3和LS-4的构成基本相同。通过微合金元素的组成来决定性地区分这两种合金。在合金LS-3中钽形成了决定性的微合金元素，而在LS-4中铌是决定性的微合金元素。 

由这些合金钢制成具有25mm直径和100mm长度的圆柱形钢样品。对这些样品进行Jominy试验，由此将其加热至奥氏体化温度，并且按照试验规定冷却其端部。因此，这种实验也被称为端淬试验。按照DIN EN ISO642来执行该试验。在对样品件的纵向延伸部分进行磨平之后，以样品的淬火端侧为出发点在研磨的表面上以一定的间隔，按照洛氏(HRC)标准对下面的柱形套管部分进行表面硬度的测量。 

除本发明的这些合金钢样品之外，还以相同的方式试验了对照样品。与本发明的钢所制造的样品件的尺寸相同的第一对照样品(以下为：对照合金 VL-1)由符合DIN17115的具有材料编号1.6758的链条钢组成。另一个对照样品(以下为：对照合金VL-2)由从DE43 37 148 C1已知的合金钢制成，并且也以相同的方式对它们进行试验。对照合金VL-1和VL-2的组成列于下表： 

图1的图表示出了在所试验的样品的端面上进行端淬试验(Jominy test)所得的结果。按照端淬试验，图1示出在样品件上测得的硬度数据，其中在淬火过程之后没有进行回火。 

使用根据本发明的合金钢制造的样品LS-3和LS-4相比于对照样品VL-1和VL-2能非常清楚地显示出，在第一距离淬火端面大约25mm处没有发现显著的硬度下降。但是在试验的样品中，从距离样品被淬火的端面25mm至30mm的区间内能识别出某种程度上硬度的下降。然而，在距离样品被淬火的端面相对较远的地方仍然发现有大于40的洛氏硬度(HRC)。由此可见，由根据本发明的合金LS-3和LS-4制成的样品件在距离被淬火的端面相对较 大的地方仍然具有明显比对照样品VL-1和VL-2更高的硬度。根据本发明的样品件在30mm的距离处仍然具有较高硬度能证明，使用这种合金能够制造出具有60mm的或更大的标称直径的链节，而不必在硬化过程中担心，这种链节的核心区域不再具有马氏体组织。因此，这些合金特别适合用于制造材料直径较大的物体，特别是链节。用根据本发明的合金制造的样品件相对于对照样品VL-2从距离被淬火的端面大约15mm起，以及相对于对照样品VL-1甚至从距离10mm起，在距离样品被淬火的端面的距离处就表现出更大的硬度。 

图2的图表示出了对样品VL-1、VL-2和LS-3所进行的热力学模拟的结果。这些样品的经模拟的时间-温度变化图(ZTU图)显示出几乎相同的冷却行为。特别是在经模拟的根据本发明的样品LS-3和那个对照合金VL-2之间没有差异。这些模拟的结果是令人感兴趣的，因为在模拟的基础上可定期进行合金的开发。据此，预计在实践中本发明的合金不会向图1中所展现的那样，显示出有显著改善的淬透性。有关本发明的样品LS-4的ZTU图与样品LS-3的ZTU图在很大程度上是相同的。 

图3示出本发明的合金LS-3和LS-4的抗拉强度与对照合金VL-1和VL-2的抗拉强度在关于回火温度上的比较图。可以清楚地看出，根据本发明的合金LS-3和LS-4以及对照合金VL-2具有的抗拉强度比由对照合金VL-1制成的样品的抗拉强度更好。这一方面表明，本发明的合金符合对抗拉强度所作出的要求，甚至比为满足特别高的要求而普遍使用的对照合金VL-2更好。 

对于链条，特别是在矿业应用中所需的链条来说，另一个重要的属性是韧性。图4示出了描述各个合金的韧性的图表。能清楚地看出，根据本发明的合金样品LS-3在其韧性方面丝毫不逊色于在矿业应用中备受考验的根据VL-2的合金钢。然而，本发明的合金样品LS-4的与图4中示出的样品LS-3的韧性相对应的韧性并没有在该图中示出。 

令人感兴趣和意想不到的是，根据本发明的合金也展现出特别高的耐腐蚀性。在常规的、其中极端的氢脆起特殊作用的应力腐蚀测试中，对照合金VL-1和VL-2在约20小时或35小时后已经碎裂开来，而由本发明的合金钢LS-3制成的对照样品经受住了试验没有出现断裂。该测试在250小时后终止。测试显示，本发明的合金钢特别适合用于制 造用于矿业应用的链节或其他部件。该合金组成相对于对照样品VL-2的组成的变化表明不必接受任何损失，所述对照样品的钢已经被证明只针对用于制造传输机用的链条的在采矿方面的应用是特别有效的。 

特别对于由钢材所制造的产品在采矿中的应用来说，由于这些产品部分浸在腐蚀性溶液中，所述耐腐蚀性起着不可忽视的作用。图5示出将本发明的合金LS-3的耐腐蚀性与由对照合金VL-1和VL-2制成的样品件的耐腐蚀性比较所得的柱状图。在该图表中，根据本发明的合金LS-4的耐腐蚀性也未被示出。在图的旁边示出了由根据本发明的合金LS-3制成的样品在断裂测试之后的照片。根据NACE TM 0177-2005，使用饱和的H₂S溶液在0.1Mpa的压力下来实施与耐腐蚀性相关的测试。上述实验令人印象深刻地显示出，由根据本发明的合金制成的样品就该属性而言明显优于被认为特别耐受的由对照合金VL-2制成的对照样品。 

在保持满足对例如应用于采矿的运输机链条的要求的情况下，特别的淬火不敏感性使得首次可制造出具有大于58mm的标称直径的链节(kettenglied)，那么这也就能满足应其更厚的标称直径而提出的更高的要求。最后，对于采矿方面的应用来说，并非只是单纯地提高了链节的直径，而且还最佳地利用了横截面积。相应地，使用由这样的链节形成的链条可输送更高的负荷。如今具有60mm或更大的标称直径的链条是可实现的。