CN105154774A - 一种易切削中碳非调质裂解连杆用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易切削中碳非调质裂解连杆用钢，其微观组织为铁素体+珠光体。所述易切削中碳非调质裂解连杆用钢的化学元素质量百分比含量为：C？0.2～0.55％，Si？0.35～1.00％，Mn？0.5～1.70％，S？0.01～0.09％，P？0.03～0.15％，Cr？0.05～0.50％，V？0.05～0.45％，N？0.005～0.030％，余量为Fe及其它不可避免的杂质。本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢具有较高的强度。另外，本发明所述的钢材料还具备优良的切削加工性能和良好的脆性裂解性能，适合于连杆加工工艺。

Description

一种易切削中碳非调质裂解连杆用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢材料及其制造方法，尤其涉及一种非调质钢及其制造方法。

背景技术

微合金非调质钢(以下简称非调质钢)是一种将轧制或锻造与热处理步骤结合为一体，能够省去调质处理的节能型结构材料。与传统的调质钢相比较，微合金非调质钢是一种技术含量高、带动力强、影响面大的钢种，也是目前国际上正处于快速发展阶段的前沿热点材料。发动机连杆最初一般采用经过调质处理等热处理后的中碳钢或中碳合金钢。随着汽车工业和材料技术的发展，采用微合金化生产的非调质钢被广泛地应用于发动机连杆。

非调质钢通过析出强化来提高钢材的强度、硬度等力学性能，得到与调质钢材经调质后相仿的力学性能，同时省去了淬火、回火等热处理工艺，具有绿色、环保、经济、高效等显著优点。同时，传统的发动机连杆的加工工艺复杂，精度要求非常高，加工精度对发动机的可靠性和平稳性影响很大。90年代初发展起来的裂解连杆工艺很好地解决了此问题。裂解连杆工艺的基本原理是在连杆大头孔的剖分面上加工V形凹槽，采用专用的裂解装置对大头孔施加一个撑开的力,使连杆的大头部位裂开。由于在预先加工的V形凹槽处形成应力集中，因而可以在V形槽处准确断裂，其断口是比较典型的脆性断口，且基本不发生颈缩现象。断裂后，连杆结合面不需要进行任何加工，便可以使得连杆体和连杆盖处于最优装配状态，良好定位，无需采用传统连杆的定位螺栓、定位销、齿形等定位方式，大大地降低了生产制造成本。为此，裂解连杆成为了发动机制造企业的主要连杆制造工艺。

然而，独特的裂解连杆技术对钢材料的要求较高，需要钢材料在保证综合力学性能的基础上，要求材料在裂解工艺过程中不能产生较大的塑性变形，以利于裂解断口呈现合适的脆性断裂特征，这样可以保证经裂解后的连杆具有优良的装配性能，同时保证连杆的大头孔具有良好的圆度。目前，国内外比较成熟的裂解连杆用钢是含碳量较高的SAE1080钢或C70S6钢。C70S6钢的含碳量较高，脆性解理较好，裂解工艺断口较好，能够保证连杆大头孔裂解后具有很好的装备精度。但是C70S6钢的屈服强度比较高，钢材的塑性稳定性较差，钢材的疲劳寿命较低，同时较多的高强硬度的片状渗碳体会导致其切削性能变差。为了解决这些问题，国际上学术界和工业界开展了很多改善传统裂解连杆用钢性能的研究。目前国内使用的裂解连杆用钢基本都是含碳量较高的C70S6钢，但是对中碳非调质裂解连杆用钢的研究和应用都相对较少。在汽车工业快速蓬勃发展的当今，汽车发动机生产厂商对中碳非调质裂解连杆用钢的需求量逐步增加，市场潜力巨大，具有良好的发展和工业应用前景。

公开号为CN1955498A，公开日为2007年5月2日，名称为“用于连杆的非调质钢及由其制成的连杆”的中国专利文献公开了一种非调质钢，其各元素成分(wt.％)为：C：0.3％～0.8％，Si：0.1％～2.0％，Mn：0.01％～0.15％，Cr≤1.0％，V≤0.4％，Al≤0.05％，N：0.005～0.03％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。此非调质钢的E值不大于150，该E值由下式获得E＝2804-1549×CEQ-8862×P-23.4×H，其中，H为该非调质钢制成的连杆的洛氏硬度值，P为该连杆中磷的含量(％)，CEQ为碳当量值。该发明采用Cr、V等强化元素来提高钢种的强度，同时，在降低C含量的情况下提高Mn含量，使得钢种具有满足要求的力学性能。

公开号为CN101892424A，公开日为2010年11月24日，名称为“一种胀断连杆用中碳非调质钢”的中国专利文献公开了一种中碳非调质钢，其化学元素质量百分含量(wt.％)为：C：0.35％～0.55％，Si：0.40％～0.80％，Mn：0.80％～1.50％，P：0.04％～0.15％，S：0.03％～0.10％，Cr：0.10％～0.50％，V：0.05％～0.25％，B：0.0005％～0.006％，Ti：0.01％～0.10％，Al：0.005～0.05％，N：0.005％～0.020％，Re：0.005％～0.04％，其余为铁及不可避免的杂质。同时，C、P、B含量还需满足脆性参数关系式：0.60≤C(％)+3P(％)+50B(％)≤1.0；金相组织为：铁素体+珠光体。该专利文献综合添加了Mn、Cr、V等元素进行微合金强化，使得钢种具有很好的综合力学性能。但是该专利文献中的钢种严格限制了B元素为0.0005～0.006％，从而大大地增加了钢种的冶炼难度。

公告号为CN102108472A，公开日为2011年6月29日，名称为“用于汽车发动机裂解连杆的高碳微合金圆钢及其生产方法”的中国专利文献公开了一种高碳微合金圆钢，其化学元素质量百分含量(wt.％)为：C：0.60～0.80％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.30～0.90％，P：0.020～0.060％，S：0.050～0.080％，N：0.015～0.0300％，还含有微合金元素V、Nb、Ti、B的一种或几种，余量为Fe及不可避免的杂质。该专利文献所公开的钢材料中不含Cr合金元素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种易切削中碳非调质裂解连杆用钢，该钢材料具有较高的屈服强度和抗拉强度。另外，本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢还具备优良的切削加工性能和良好的脆性裂解性能，适合于连杆加工工艺。此外，本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢具有稳定的塑性和较好的疲劳性能。

为了实现上述目的，本发明提出了一种易切削中碳非调质裂解连杆用钢，其微观组织包括铁素体+珠光体，以及第二相粒子VN；该易切削中碳非调质裂解连杆用钢的化学元素质量百分比含量为：

C：0.2～0.55％，

Si：0.35～1.00％,，

Mn：0.5～1.70％，

S：0.01～0.09％，

P：0.03～0.15％，

Cr：0.05～0.50％，

V：0.05～0.45％，

N：0.005～0.030％，

余量为Fe及其他不可避免的杂质。

本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢中的各化学元素的设计原理为：

碳：C是钢的主要强化元素之一。增加C含量，可以增加钢的珠光体含量，提高非调质钢的强度，降低非调质钢的塑性。如果C含量过高，珠光体数量过多，钢的强度会过高，将对于钢的切削性能和疲劳性能会产生不利影响。对于本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢中的C含量需要控制在0.2～0.55％范围之间。

硅：Si在钢中具有很强的固溶强化作用，能够显著地提高钢的强度，同时降低钢的塑性和韧性。Si能够促进元素P、S的晶界偏聚，使得晶界适当脆化，有利于钢材的脆性裂解。然而，若Si含量过高，则会恶化钢材的热成形性，影响钢材锻成连杆毛坯件的表面质量。为此，需要将本发明的易切削中碳非调质裂解连杆用钢中的Si含量设定为0.35～1.00％。

锰：Mn能够提高非调质钢的强度，改善非调质钢的韧性。Mn可以增加V在奥氏体中的溶解度，从而影响V的析出量和析出物尺寸。Mn含量的增加会降低钢的相变温度，使得钢的珠光体团细小，减少珠光体片间距，由此来提高钢的韧性。但是，钢的珠光体含量的增加会降低钢的韧性。此外，Mn还会和S形成MnS夹杂，提高钢的切削性能，在撑断时起到缺口效应，使得钢的裂解性能提高。不过，当Mn含量过高时，容易导致钢材在热锻工艺后于组织中出现贝氏体组织，恶化钢的综合性能。综合考虑各项因素，将Mn含量控制为0.5～1.70％。

硫：S是易切削元素。当钢中具有较高含量的Mn时，容易在钢中形成MnS夹杂物，能使钢中不易变形的氧化物夹杂被硫化物包裹而提升钢的切削加工性能。同时，MnS还增加了铁素体的形核核心，从而细化铁素体和珠光体组织。由于本发明的连杆用钢需要具备优良的切削性能，因此，本发明的技术方案中需要含有硫，但是考虑到硫化物夹杂对于钢的综合性能会产生不利影响，钢中的硫含量又不能太高。综合考量钢的切削加工性能和力学性能，需要将本发明的易切削中碳非调质裂解连杆用钢中的硫含量设计为0.01～0.09％。

磷：P在钢液凝固时会形成微观偏析，随后在高温加热时偏聚在晶界，使得钢的脆性显著增大。不同于现有技术中尽可能地降低钢中P的含量，本发明的技术方案而是采用增加钢种中的P元素的设计思路，来脆化钢材的晶界强度，并使得P元素固溶于a-Fe中，以此来降低钢材的塑性，极大地提高钢材的裂解性能。同时，P元素也能在一定程度上改善钢的切削性能。综合考虑各方面因素，将P元素控制在0.03～0.15％范围之间。

铬：Cr也是固溶强化元素，其可以提高钢材的强度。但是，如果Cr含量过高，会增加钢材的切削难度。在非调质钢含有铁素体和珠光体的前提下，仍需要钢具备较高的强度，因此在本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢需要控制Cr在0.05～0.50％范围之间。

钒：V能够在钢中形成碳化物和氮化物，可以形成弥散的析出物，提高强度。V的使用可以显著提高钢的强度，同时也能提高钢的裂解性能。如果V加入的过多，会导致钢的切削性能下降，并提高钢的成本。鉴于此，需要将本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢中的V含量设定为0.05～0.45％。

氮：N在钢中与V、Nb、Ti、Al会形成氮化物。N的添加可以增加V、Nb、Ti的析出量，加强沉淀强化和细化晶粒作用。因此，本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢中的N含量为0.005～0.030％。

本发明的技术方案的主要设计思路在于：降低传统高碳裂解连杆用钢的碳含量，以复相的铁素体+珠光体组织代替较单一的珠光体组织，同时以微合金化方式来提高钢材强度所要达到的连杆用钢的综合力学性能。然而，传统的铁素体+珠光体组织中，铁素体的韧性和塑性较好，缺口根部的铁素体区域容易发生延性断裂，胀断性能很差，为此需要通过上述合金元素的复合添加所产生的效果来降低铁素体相的韧性，并提高铁素体相的硬度，同时适当脆化原奥氏体晶界，使得本发明的钢在具备较高强度的情况下还兼具有优良的裂解断裂性能。

钛：Ti在钢中会形成碳化物和氮化物。Ti的碳化物和氮化物属于同一晶型，点阵常数接近，可以相互固溶。另外，Ti与C所形成的碳化物会影响钢中铁素体和珠光体的相对含量。综合考量上述各项因素，需要将Ti含量控制得不超过0.06％。

本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢抗拉强度≥850MPa，屈服强度≥550MPa，延伸率≤25％，室温下的冲击功≤30J。

本发明的另一目的在于提供一种易切削中碳非调质裂解连杆用钢的制造方法，采用该方法制得的钢材具备较高的强度和较好的脆性裂解性能。同时，该钢材具有优良的切削加工性能，适用于连杆的加工工艺。

基于上述发明目的，本发明还提供了一种易切削中碳非调质裂解连杆用钢的制造方法，其依次包括步骤：

1)冶炼；

2)连铸；

3)加热：包括预热段加热，第一加热段加热，第二段加热段加热和均热段均热；

4)热轧；

5)冷却。

进一步地，在上述步骤(2)中，控制中间包的过热度为15～40℃。

进一步地，在上述步骤(3)中，预热段的加热温度为750～850℃，第一加热段的加热温度为960～1060℃，第二加热段的加热温度为1050～1200℃，均热段的均热温度为1050～1200℃，均热时间为50～90min。

在上述加热步骤中，采用的是分段式步进加热方式。

进一步地，在上述步骤(4)中，开轧温度980～1050℃，终轧温度为820～900℃。

更进一步地，在上述步骤(5)中，终冷温度为300～450℃。

本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢的制造方法通过控制低温浇铸-高温加热-高温轧制-高温终轧，以使得钢中的微观组织包括铁素体(F)+珠光体(P)。另外，通过成分优化结合控温控轧，并提高终轧温度，以增加第二相粒子VN在奥氏体阶段的析出量和析出行为，令其在钉扎热变形时位错增殖和晶界移动，并细化奥氏体晶粒，使得晶粒度达到7.0-9.0级。

本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢具备优良的切削加工性能和良好的脆性裂解性能，尤其适合于连杆的生产制造。

本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢的塑性稳定性好且疲劳性能佳。

本发明可以实现各种规格裂解连杆用中碳非调质钢的生产，通过改善撑断连杆用中碳非调质钢组织和晶粒度，使钢材组织和成分均匀，提高撑断连杆用中碳非调质钢撑断性能。

附图说明

图1为实施例1中的易切削中碳非调质裂解连杆用钢的微观组织图。

具体实施方式

下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例A1-A5

按照下列步骤制造本发明实施例A1-A5中的易切削中碳非调质裂解连杆用钢：

1)冶炼：电炉冶炼后进行炉外精炼，再经过真空脱气处理，控制各化学元素的质量百分比如表1所示；

2)连铸：连铸成方坯，控制中间包的过热度为15～40℃；

3)加热：采用步进式加热炉进行加热，加热过程包括预热段加热，第一加热段加热，第二段加热段加热和均热段均热，其中，预热段的加热温度为750～850℃，第一加热段的加热温度为960～1060℃，第二加热段的加热温度为1050～1200℃，均热段的均热温度为1050～1200℃，均热时间为50～90min；

4)热轧：开轧温度为980～1050℃，终轧温度为820～900℃，在奥氏体区内轧制，控制轧下量为70～95％；

5)冷却：终冷温度为终冷温度为300～450℃。

上述各实施例中的易切削中碳非调质裂解连杆用钢的制造方法的具体工艺参数如表2所示。

需要说明的是，在上述连铸步骤中，需要控制浇注速度以防止钢锭的成分偏析。中间包内的钢液经过连铸结晶器，可以通过电磁搅拌，以合理的拉速连铸成不同坯型尺寸的连铸坯料。

表1.(wt.％，余量为Fe以及除了Ti元素之外的其他不可避免的杂质)

序号	C	Si	Mn	S	P	Cr	V	N	Ti	晶粒度(级)
											A1	0.38	0.64	0.94	0.059	0.12	0.26	0.12	0.005	0.021	8.0
A2	0.40	0.70	0.99	0.072	0.031	0.23	0.26	0.016	0.018	9.0
											A3	0.39	0.67	1.00	0.068	0.063	0.28	0.17	0.005	0.015	8.0
A4	0.38	0.68	0.97	0.076	0.036	0.25	0.25	0.008	0.016	9.0
											A5	0.44	0.63	1.04	0.065	0.032	0.065	0.16	0.010	0.023	8.0

表2列出了本案实施例A1-A5的易切削中碳非调质裂解连杆用钢的制造方法的具体工艺参数。

表2.

对于实施例A1-A5的易切削中碳非调质裂解连杆用钢进行相关测试，测得的屈服强度、抗拉强度、延伸率和冲击功列于表3中。

表3.

从表3中可以看出，实施例A1-A5的易切削中碳非调质裂解连杆用钢的屈服强度≥590MPa且抗拉强度≥885MPa，说明实施例的连杆用钢具有较高的强度。另外，实施例A1-A5的易切削中碳非调质裂解连杆用钢的延伸率≤20％且室温下的冲击功≤25AKv，说明实施例的连杆用钢的塑性和韧性均不高，由此表明实施例A1-A5具有优良的切削性能和良好的裂解性能。

图1显示了实施例1的易切削中碳非调质裂解连杆用钢的微观组织。从图1可以看出，该连杆用钢的微观组织包括铁素体+珠光体以及第二相粒子VN。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种易切削中碳非调质裂解连杆用钢，其特征在于，其微观组织包括铁素体+珠光体，以及第二相粒子VN；所述易切削中碳非调质裂解连杆用钢的化学元素质量百分比含量为：

C0.2～0.55％,Si0.35～1.00％,Mn0.5～1.70％，S0.01～0.09％，P0.03～0.15％，Cr0.05～0.50％，V0.05～0.45％，N0.005～0.030％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢，其特征在于，其晶粒度为7-9级。

3.如权利要求1所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢，其特征在于，所述不可避免的杂质中的Ti≤0.060％。

4.如权利要求1所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢，其特征在于，其抗拉强度≥850MPa，屈服强度≥550MPa，延伸率≤25％，室温下的冲击功≤30J。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢的制造方法，其依次包括步骤：

(1)冶炼；

(2)连铸；

(3)加热：包括预热段加热，第一加热段加热，第二段加热段加热和均热段均热；

(4)热轧；

(5)冷却。

6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，控制中间包的过热度为15～40℃。

7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，预热段的加热温度为750～850℃，，第一加热段的加热温度为960～1060℃，第二加热段的加热温度为1050～1200℃，均热段的均热温度为1050～1200℃，均热时间为50～90min。

8.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，开轧温度980～1050℃，终轧温度为820～900℃。

9.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，所述终冷温度为300～450℃。