46MnVS5材料連桿應(yīng)用研究

萬文華 鄧向陽

（中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，常州 213011）

1 前言

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿材料為40Cr、42CrMo 等合金結(jié)構(gòu)鋼，使用前需要經(jīng)過淬火+回火的熱處理工序，熱處理過程能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重；此外，該類鋼加工工藝復(fù)雜，尺寸精度差[1-2]。為了降低能耗，提高生產(chǎn)效率，從而降低生產(chǎn)成本，無需熱處理工序的非調(diào)質(zhì)鋼材料得到了廣泛運(yùn)用。與調(diào)質(zhì)鋼材料相比，非調(diào)質(zhì)鋼材料加工連桿省去了熱處理工序并采用脹斷技術(shù)，綠色環(huán)保、低成本，且尺寸精度高。

當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的脹斷連桿用非調(diào)質(zhì)鋼為C70S6 高碳類鋼，近來為了滿足高強(qiáng)度、高爆發(fā)力的大功率發(fā)動(dòng)機(jī)連桿要求，更高強(qiáng)度、更高疲勞性能等級(jí)的非調(diào)質(zhì)鋼材料也得到了快速發(fā)展，如46MnVS5 等。46MnVS5 材料雖然綜合性能優(yōu)于C70S6，但是生產(chǎn)制造難度加大，主要是隨著其合金含量的增多（如V、Mn 等）奧氏體穩(wěn)定性增加，在隨后的軋制與鍛造過程易出現(xiàn)異常組織，最終會(huì)影響連桿的脹斷及使用性能，因此迫切需要解決這一難點(diǎn)問題。

2 用戶對(duì)性能指標(biāo)的相關(guān)要求

為滿足汽車不斷輕量化的需求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿等運(yùn)動(dòng)件的強(qiáng)度、塑性等性能指標(biāo)提出了越來越高的要求，46MnVS5 脹斷連桿用非調(diào)質(zhì)鋼材料的具體要求見表1。

表1 材料相關(guān)性能指標(biāo)要求

3 脹斷連桿用高強(qiáng)度非調(diào)質(zhì)鋼46MnVS5應(yīng)用研究

3.1 成分設(shè)計(jì)

為滿足脹斷連桿材料高強(qiáng)度的要求，將46Mn?VS5 的化學(xué)元素成分進(jìn)行研究，Mn 和Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在中上限，起到固溶強(qiáng)化的作用；C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)也控制在中上限以提高材料的強(qiáng)度與脆斷性能；添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的V、Nb、N 元素，使得V、Nb 與C、N 結(jié)合的化合物具有沉淀強(qiáng)化的作用，并能明顯細(xì)化材料的晶粒度[3]。具體化學(xué)成分見表2。

表2 46MnVS5鋼化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3.2 冷卻曲線的測(cè)定

為制定合理的軋制、鍛造及冷卻等工藝參數(shù)，對(duì)46MnVS5 的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（Continuous Cooling Transformation，CCT）曲線進(jìn)行測(cè)定，采用的儀器為DIL805L 熱膨脹儀，加熱方式為真空高頻感應(yīng)加熱，將試樣以5 ℃/s 加熱到900 ℃，保溫10 min 后分別以0.3 ℃/s、0.5 ℃/s、0.7 ℃/s、1.0 ℃/s、2.0 ℃/s、3.5℃/s、5.0 ℃/s、10.0 ℃/s、20.0 ℃/s、40.0 ℃/s、60.0 ℃/s 的速率降溫至室溫，得到45MnVS5 鋼的熱膨脹數(shù)據(jù)。根據(jù)熱膨脹原始數(shù)據(jù)中長度變化轉(zhuǎn)折處的溫度，將不同冷卻速度下的相變溫度連接起來得到46MnVS5 鋼的靜態(tài)CCT 曲線如圖1 所示。

圖1 46MnVS5連續(xù)冷卻曲線

圖2 不同冷卻速率下金相組織

結(jié)合圖2 所示的腐蝕金相，從46MnVS5 鋼的靜態(tài)CCT 曲線來看，可以得到以下結(jié)論。

a.在冷卻速度0.3～60 ℃/s 的溫度范圍，鋼依次發(fā)生了鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體的組織轉(zhuǎn)變。

b.冷卻速度小于0.5 ℃/s 時(shí)，試樣的室溫組織為鐵素體和珠光體。鋼從高溫狀態(tài)冷卻時(shí)，先共析鐵素體優(yōu)先沿奧氏體晶界析出，同時(shí)碳向周圍擴(kuò)散，冷卻速度越高，碳擴(kuò)散速度越慢，鐵素體珠光體分布狀態(tài)也更加均勻。

c.當(dāng)冷卻速度為1.0～3.5 ℃/s 時(shí)，發(fā)生了珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變，此時(shí)組織為鐵素體、珠光體和貝氏體。隨著冷卻速度的增加，貝氏體含量逐漸增加，鐵素體和珠光體減少。

d.當(dāng)冷卻速度為5.0 ℃/s 時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變消失，此時(shí)組織為鐵素體、貝氏體和馬氏體。

e.冷卻速度繼續(xù)增加時(shí)，馬氏體和貝氏體含量繼續(xù)增加，同時(shí)組織更加細(xì)化。CCT 曲線顯示結(jié)果可知，46MnVS5 鋼的連續(xù)冷卻經(jīng)過了4 個(gè)相變區(qū)，即高溫鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，中溫貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)和低溫馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。

因此為防止冷卻過程出現(xiàn)貝氏體、馬氏體等異常組織，并抑制先共析鐵素體析出，得到細(xì)片狀的珠光體[4-5]，采用0.3～0.5 ℃/s的冷卻速率比較合理。

4 脹斷連桿用非調(diào)質(zhì)鋼及其鍛件生產(chǎn)工藝研究

4.1 生產(chǎn)工藝流程

120 t 轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 爐精煉→RH 真空爐處理→大斷面連鑄機(jī)澆注→初軋機(jī)組開坯→連軋機(jī)組軋制→軋材探傷精整→連桿毛坯鍛造。

4.2 冶煉過程成分的精確控制

為保證46MnVS5 具有均勻的成分和穩(wěn)定的力學(xué)性能，需進(jìn)行化學(xué)成分的精確控制，要求成分盡量按照目標(biāo)值控制。具體措施為穩(wěn)定控制裝入轉(zhuǎn)爐的鐵水和廢鋼質(zhì)量，對(duì)鋼包進(jìn)行稱重，從而對(duì)出鋼量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。LF 爐精煉前期加強(qiáng)造渣與脫氧，降低鋼水氧含量，從而提高M(jìn)n、Si 等易氧化元素的收得率；RH 真空處理過程采用氮?dú)庾鳛樘嵘龤怏w，以防止RH 過程氮元素出現(xiàn)比較大的損失。

4.3 軋制工藝的試驗(yàn)

該非調(diào)質(zhì)鋼采用二火軋制，采用大斷面的連鑄坯，最終軋制圓鋼尺寸為Φ35～Φ42 mm，從而提高軋制壓縮比，提高材料致密性。工藝包括加熱爐加熱、開坯軋制、中間坯精整、中間坯加熱、二火軋制、冷卻、無損探傷，軋制步驟如下。

a.加熱爐加熱。大斷面連鑄坯開坯加熱采用高溫?cái)U(kuò)散加熱工藝，提高加熱溫度并顯著延長加熱時(shí)間尤其是高溫段加熱時(shí)間，以便對(duì)C、P、S、Mn等易偏析元素進(jìn)行充分均勻化擴(kuò)散，從而保證材料性能的一致性。

b.開坯軋制。提高開軋溫度及終軋溫度，控制鋸切溫度，得到160 mm×160 mm 斷面軋坯，軋后對(duì)軋坯進(jìn)行避風(fēng)堆冷。

c.軋坯精整。為控制軋材最終的脫碳層深度并提高材料的表面質(zhì)量，對(duì)軋坯表面進(jìn)行剝皮，并進(jìn)行倒角處理。

d.第二火加熱。160 mm×160 mm 斷面軋坯采用低溫加熱工藝，在目前工藝基礎(chǔ)上適當(dāng)降低加熱溫度并縮短二火加熱時(shí)間，在該條件下才能達(dá)到控制圓鋼表面脫碳層深度的作用。

e.第二火軋制。采用控軋控冷工藝降低開軋溫度及終軋溫度；軋后采用穿水冷卻，降低圓鋼上冷床溫度，通過控軋控冷工藝的有效實(shí)施提高了軋材表面質(zhì)量并得到細(xì)晶粒組織。軋材下線后進(jìn)行避風(fēng)堆冷，以防止出現(xiàn)異常組織。

4.4 連桿鍛造工藝的試驗(yàn)

a.下料后圓鋼采用感應(yīng)加熱方式，加熱溫度1 200～1 230 ℃，此溫度既能保證V、Nb 等強(qiáng)化元素能夠充分固溶析出，起到沉淀強(qiáng)化的作用，從而提高材料的強(qiáng)度，又可以防止加熱溫度過高造成晶粒粗大，影響材料的使用性能[6-7]；

b.加熱后進(jìn)行鍛造，控制終鍛溫度900～950 ℃，鍛造成連桿毛坯；

c.控制冷卻，鍛造結(jié)束后在風(fēng)冷線上進(jìn)行冷卻，通過調(diào)節(jié)風(fēng)冷卻速度度0.3～0.5 ℃/S，控制下風(fēng)冷線溫度580～620 ℃，然后將毛坯放入料框中進(jìn)行避風(fēng)堆冷，通過合適的冷卻得到優(yōu)良的細(xì)片狀珠光體加鐵素體組織，防止出現(xiàn)貝氏體及馬氏體非平衡狀態(tài)的異常組織，實(shí)際控制鐵素體比例≤20%。

5 試驗(yàn)結(jié)果和分析

通過對(duì)成分的精確控制、軋鋼及鍛造工藝參數(shù)的合理優(yōu)化后，46MnVS5 的檢測(cè)結(jié)果如下。

5.1 原材料力學(xué)等性能檢測(cè)

熱軋圓鋼經(jīng)過1 100 ℃正火后，保溫45 min，再空冷，然后檢測(cè)其力學(xué)性能如下表3 所示。

表3 46MnVS5非調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

5.2 原材料疲勞壽命檢測(cè)

連桿材料46MnVS5 鋼的疲勞試驗(yàn)在液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用拉壓對(duì)稱加載，并將成組法疲勞測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以logN（N為循環(huán)周次）為x軸，試驗(yàn)應(yīng)力為y軸繪制于圖3 中，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)近似擬合出46MnVS5 鋼拉壓交變載荷下的S-N曲線。用升降法求疲勞極限，試驗(yàn)結(jié)果，46MnVS5 鋼材試樣的疲勞極限為530 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 46MnVS5非調(diào)質(zhì)鋼S-N曲線

5.3 連桿鍛件金相組織檢測(cè)

連桿鍛件不同部位的金相組織如圖4 所示。

5.4 連桿產(chǎn)品的疲勞性能試驗(yàn)

本次連桿疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)按某1.4 t 連桿總成在MTS370液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。平均負(fù)荷（靜負(fù)荷）為-11.3 kN，交變負(fù)荷采用4 個(gè)級(jí)別，36 kN、46 kN、56 kN、61 kN，循環(huán)基數(shù)1 000萬次，正弦波加載，見圖5。

采用對(duì)比法評(píng)價(jià)連桿產(chǎn)品的安全系數(shù)。用戶要求在-11.3±36 kN 負(fù)荷下通過1 000 萬次循環(huán)即滿足安全系數(shù)要求。試驗(yàn)結(jié)果，46MnVS5 材料連桿，在-11.3±36 kN 的負(fù)荷下，3 件試樣通過了1 000萬次循環(huán)，滿足用戶要求。

從上述檢測(cè)結(jié)果可以看出非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌性指標(biāo)良好，鍛造后的連桿組織均勻，且無貝氏體馬氏體等異常組織出現(xiàn)，疲勞強(qiáng)度較高。軋材低倍、表面質(zhì)量、尺寸公差、探傷合格率等指標(biāo)均好于技術(shù)條件要求。

圖4 鍛造后連桿組織

圖5 正弦波加載示意

6 結(jié)論

a.通過對(duì)Mn、Si 等固溶強(qiáng)化元素的合理設(shè)計(jì)，添加V、Nb、N 等微量元素利用其沉淀強(qiáng)化作用來提高材料的強(qiáng)韌性，同時(shí)在冶煉過程對(duì)元素成分進(jìn)行精準(zhǔn)控制，來提高材料性能的穩(wěn)定性。

b.采用二火材軋制工藝，并通過軋鋼過程的高溫?cái)U(kuò)散加熱工藝，來減輕C、P、S 元素偏析，達(dá)到均勻組織從而均勻性能的目的。

c.通過CCT 連續(xù)冷卻曲線的測(cè)定，為制定軋制、鍛造后的冷卻工藝提供了依據(jù)，通過采用合理的冷卻速度，既避免了貝氏體、馬氏體非平衡組織的出現(xiàn)，又抑制了先共析鐵素體的析出，得到細(xì)片狀的珠光體組織，從而提高了材料的強(qiáng)韌性。

d.連桿產(chǎn)品的疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果表明，46MnVS5 非調(diào)質(zhì)鋼連桿的疲勞壽命滿足產(chǎn)品要求。