脹斷MC11H連桿橫向斷面收縮率低的原因

鄧軍偉,徐俊峰,姜增強(qiáng),王 磊,戴學(xué)忠

(天潤(rùn)工業(yè)技術(shù)股份有限公司，威海 264400)

力學(xué)性能是鋼材最重要的使用性能,對(duì)于汽車(chē)零部件，其橫、縱方向上的力學(xué)性能均需要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。金屬內(nèi)部夾雜物等缺陷的不均勻性以及鍛造后金屬組織的各向異性,會(huì)造成鍛件橫向塑性總是低于其縱向塑性，且部分鍛件橫向塑性實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值。

脹斷MC11H連桿的材料牌號(hào)為C38ModBY，采用直徑為68 mm的圓形鋼棒，經(jīng)輥鍛、預(yù)鍛及終鍛等工序進(jìn)行鍛造成形，其加工工藝流程為下料→感應(yīng)加熱→輥鍛→壓扁→預(yù)鍛→終鍛→切邊→沖孔→控冷→機(jī)加工。在鍛造態(tài)MC11H連桿大頭處截取橫向拉棒試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)其橫向拉棒試樣的斷面收縮率偏低。筆者通過(guò)宏觀觀察、化學(xué)成分分析、斷口分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析等方法，分析了漲斷MC11H連桿橫向斷面收縮率偏低的原因，以期進(jìn)一步改善MC11H連桿的橫向拉伸性能。

1 鍛造態(tài)連桿的拉伸性能

脹斷MC11H連桿在試生產(chǎn)過(guò)程中，原材料縱向和橫向拉伸性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。原材料經(jīng)鍛造成形后，分別在鍛造態(tài)連桿大頭和連桿體處取橫向和縱向拉棒試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取樣位置見(jiàn)圖1所示，其拉抻性能見(jiàn)表1，鍛造態(tài)MC11H連桿橫向的斷面收縮率遠(yuǎn)低于技術(shù)要求，其余拉伸性能均滿足技術(shù)要求。

表1 連桿棒料和鍛造態(tài)MC11H連桿的拉伸性能

圖1 鍛造態(tài)MC11H連桿取樣位置示意

2 理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

根據(jù)GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法》，采用德國(guó)斯派克SPECTROLAB型火花直讀光譜儀對(duì)鍛造態(tài)MC11H連桿進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表2可見(jiàn)，鍛造態(tài)MC11H連桿的化學(xué)成分滿足企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

表2 脹斷MC11H連桿的化學(xué)成分

2.2 宏觀觀察

脹斷MC11H連桿縱向拉伸試樣斷口一般存在明顯的塑性變形區(qū)域，斷口呈杯錐狀,可見(jiàn)明顯剪切唇和放射區(qū)，杯的深淺與斷面收縮率的高低息息相關(guān)[1]。如圖2所示：脹斷MC11H連桿橫向拉伸試樣斷口未見(jiàn)明顯塑性變形區(qū)域，表現(xiàn)為脆性斷裂特征。在斷口約二分之一直徑處的兩側(cè)區(qū)域呈現(xiàn)不同的形貌特征，斷口右邊區(qū)域未見(jiàn)明顯頸縮現(xiàn)象，呈亮灰色結(jié)晶狀形貌；左邊區(qū)域呈凹凸不平、無(wú)金屬光澤且層次起伏的木紋狀平行條帶形貌，木紋狀平行條帶與連桿鍛造流線方向一致，根據(jù)GB/T 1814-1979《鋼材斷口檢驗(yàn)方法》，該形貌斷口被稱(chēng)為層狀斷口。

圖2 脹斷MC11H連桿橫向拉伸試樣斷口的宏觀形貌

龐鈞[2]研究表明木紋狀斷口對(duì)金屬橫向的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度影響很小，對(duì)金屬橫向的塑性影響較大。有研究表明成分偏析或連續(xù)的非金屬夾雜物等缺陷是造成木紋狀斷口的主要因素。

2.3 低倍組織和碳、硫含量檢驗(yàn)

微觀偏析和宏觀偏析均會(huì)造成材料性能上的差異，最終影響工件的使用性能，碳、硫偏析是連鑄坯中最常見(jiàn)的缺陷，可采用低倍組織檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)，也可在材料不同位置處取屑進(jìn)行檢測(cè)。低倍組織檢測(cè)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1979-2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》中的評(píng)級(jí)圖對(duì)組織進(jìn)行評(píng)級(jí)。根據(jù)GB/T 20123-2006 《鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》，采用HX-HW8B型高頻紅外碳硫分析儀進(jìn)行碳、硫含量檢測(cè)。

在連桿棒料截取橫截面試樣，經(jīng)酸性溶液浸蝕后進(jìn)行低倍組織檢測(cè)，見(jiàn)圖3。低倍組織檢測(cè)后，將試樣打磨、拋光后，在試樣心部、1/2半徑以及邊緣三個(gè)偏析嚴(yán)重位置處，用6 mm的鉆頭分別鉆1，3，3 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取屑(取屑位置見(jiàn)圖4)，用紅外碳硫儀進(jìn)行碳、硫含量檢測(cè)，通過(guò)偏析指數(shù)(碳、硫含量實(shí)測(cè)值與碳、硫熔煉值的比值)表征連桿棒料橫截面不同位置處的偏析程度，結(jié)果見(jiàn)表3，表3中的熔煉值來(lái)源于鋼廠提供的檢測(cè)報(bào)告。

圖3 連桿棒料橫截面低倍組織的宏觀形貌

圖4 連桿棒料橫截面的取屑位置示意

低倍組織的技術(shù)要求為一般疏松不大于2級(jí),中心疏松不大于2級(jí),錠型偏析不大于2級(jí)。連桿棒料橫截面的低倍組織檢測(cè)結(jié)果為一般疏松1級(jí)，中心疏松1級(jí)，錠型偏析、一般斑點(diǎn)狀偏析和邊緣斑點(diǎn)狀偏析都為0級(jí)，均符合技術(shù)要求。

碳偏析指數(shù)的技術(shù)要求為不大于 1.1 ，硫偏析指數(shù)的技術(shù)要求為不大于1.15 。由表3可見(jiàn)：連桿棒料橫截面1/2半徑處碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.383%，平均偏析指數(shù)約為 1.04 ；1/2半徑處硫的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.036%，平均偏析指數(shù)約為1.05；邊緣區(qū)域碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.363%，平均偏析指數(shù)約為0.98；邊緣區(qū)域硫的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.034%，平均偏析指數(shù)約為1.00。連桿棒料橫向斷面的碳、硫偏析程度較小，符合技術(shù)要求。連桿棒料橫截面不同位置處的碳、硫含量從高到依次為心部、1/2半徑處、邊緣區(qū)域。綜上所述，連桿棒料橫截面的低倍組織和碳、硫偏析指數(shù)均符合技術(shù)要求。

表3 連桿棒料橫截面不同位置處碳、硫的偏析指數(shù)

2.4 夾雜物檢驗(yàn)

分別從連桿棒料橫截面心部、1/2半徑以及邊緣偏析嚴(yán)重位置處取樣，根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，采用GX 71型奧林巴斯金相顯微鏡進(jìn)行觀察檢測(cè)。由圖5可見(jiàn)，與連桿棒料橫截面1/2半徑和邊緣處相比，其心部夾雜物最多，夾雜物主要為硫化物，呈長(zhǎng)條狀且沿軋制方向伸展。心部硫化物評(píng)級(jí)為粗系2級(jí)，1/2半徑處硫化物評(píng)級(jí)為粗系1.5級(jí)，邊緣處硫化物評(píng)級(jí)為粗1級(jí)。

圖5 連桿棒料橫截面不同位置處夾雜物的微觀形貌

由圖6可見(jiàn)：鍛造態(tài)MC11H連桿橫向拉伸試樣斷口夾雜物分布不均勻，結(jié)晶狀斷口區(qū)域均勻分布著少量淺灰色細(xì)系夾雜物，木紋狀平行條帶區(qū)域夾雜物較密集；進(jìn)一步放大觀察，可見(jiàn)木紋狀平行條帶區(qū)域分布著大量短條狀?yuàn)A雜物，夾雜物沿鍛造流線方向伸展。

圖6 鍛造態(tài)MC11H連桿橫向拉伸試樣斷口夾雜物的微觀形貌

2.5 掃描電鏡及能譜分析

采用蔡司Sigma500型掃描電鏡(SEM)對(duì)鍛造態(tài)MC11H連桿橫向拉伸斷口的木紋狀斷口區(qū)域進(jìn)行觀察，采用JED-2200型能譜儀(EDS)對(duì)木紋狀斷口處的夾雜物成分進(jìn)行分析。如圖7a)、b)所示，木紋狀斷口區(qū)域可見(jiàn)許多平行的溝槽，溝槽擴(kuò)展方向與鍛造流線方向一致,溝槽內(nèi)均存在條狀?yuàn)A雜物，溝槽兩側(cè)可見(jiàn)細(xì)小的韌窩。如圖7c)所示，木紋狀斷口區(qū)域夾雜物主要為MnS。

圖7 鍛造態(tài)MC11H連桿橫向拉伸試樣斷口中木紋狀斷口區(qū)域SEM形貌及夾雜物EDS分析結(jié)果

3 分析與討論

一般情況下，材料的斷面收縮率隨碳含量的升高而下降。為提高材料塑性,生產(chǎn)中一般都將材料中的碳元素含量控制在技術(shù)要求的下限值。磷元素含量偏高也會(huì)降低材料的塑性，適量錳元素能有效提高材料的強(qiáng)度，且對(duì)材料的斷面收縮率幾乎無(wú)影響。一定含量的硫元素對(duì)后續(xù)連桿的漲斷加工有利,但硫含量過(guò)高會(huì)使材料的塑性降低，所以硫含量也應(yīng)控制在技術(shù)要求的下限值。

連桿棒料橫截面的硫化物為長(zhǎng)條狀，鍛造態(tài)MC11H連桿橫向拉伸斷口中硫化物呈短條狀斷續(xù)分布，是在連桿鍛造過(guò)程形成的。MC11H連桿是通過(guò)鍛造和切邊沖孔工藝加工而成的，圖8是MC11H連桿鍛造成形工藝流程示意。

圖8 MC11H連桿鍛造成形工藝流程示意

由圖8可見(jiàn)，在輥鍛過(guò)程中，鍛件直徑不斷減小，大部分金屬都沿鍛件的軸線方向流動(dòng)[3]，鍛件棒料心部夾雜物等沿軸向被拉長(zhǎng)，直至斷開(kāi)，從而形成細(xì)條狀斷續(xù)的夾雜物形貌特征[4]。預(yù)鍛前對(duì)鍛件進(jìn)行壓扁，目的是改善終鍛成型時(shí)金屬的流動(dòng)條件，提高金屬的充型能力,該工序只對(duì)鍛件進(jìn)行較小深度的壓下，因此變形程度很小。預(yù)鍛工序目的是使連桿大頭和小頭端成形，為預(yù)防鍛件出現(xiàn)折疊傷，桿身設(shè)計(jì)為矩形截面，待終鍛時(shí)進(jìn)行最終成型。壓扁后鍛件大頭端的橫截面面積與最終成型的連桿大頭的面積相差較大，需要對(duì)鍛料長(zhǎng)度方向上的金屬進(jìn)行再分配。另外，預(yù)鍛開(kāi)始時(shí)，鍛件金屬隨著上模的下壓而向下流動(dòng)，當(dāng)上下模盲孔凸臺(tái)與鍛件完全接觸后，與下模接觸的鍛件金屬幾乎不流動(dòng)，此時(shí)在上、下模盲孔凸臺(tái)的擠壓下，鍛件大頭和小頭端金屬?gòu)腻懠行妮S沿寬度方向向四周流動(dòng)，鍛件寬度增加，連桿整體輪廓基本成形，出現(xiàn)飛邊[5]。所以，預(yù)鍛工序中金屬的流動(dòng)主要有鍛件大頭和小頭端金屬?gòu)腻懠行妮S沿寬度方向向四周邊緣流動(dòng)和鍛件大頭端金屬沿鍛件長(zhǎng)度方向流動(dòng)[6]。在終鍛工序中，需要再次對(duì)鍛件進(jìn)行鍛打，使型腔充型充分，鍛件大頭端變形程度不大[7]。

綜上所述，預(yù)鍛工序鍛件大頭、小頭端心部和橫截面1/2半徑處的金屬沿鍛件寬度方向向四周邊緣流動(dòng)，一方面，導(dǎo)致鍛件大頭端夾雜物等缺陷大量聚集或局部堆積。另一方面，在擠壓剪切力作用下，夾雜物呈短條狀斷續(xù)分布。同時(shí)，鍛件大頭端金屬沿鍛件長(zhǎng)度方向流動(dòng)，使夾雜物延展方向與鍛造流線方向一致。

MC11H連桿材料為C38ModBY鋼，其硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(約為0.034%)。經(jīng)軋制變形后，夾雜物等缺陷主要分布在棒料心部，在鍛造過(guò)程中鍛件心部金屬向四周流動(dòng)，夾雜物等缺陷在鍛件大頭端聚集，從而使鍛件橫向的拉伸性能受到影響。在MC11H連桿橫向拉伸性能試驗(yàn)過(guò)程中，首先開(kāi)始變形的是鐵素體帶，隨后應(yīng)力在垂直于受力方向的夾雜物位置處集中，隨著橫向拉力的增加，缺陷位置處的應(yīng)力超過(guò)材料的許用應(yīng)力，夾雜物與金屬界面處發(fā)生開(kāi)裂，形成微小孔洞，隨著拉伸變形的逐步加劇，孔洞不斷擴(kuò)展、開(kāi)裂形成多條裂紋，斷口出現(xiàn)分層，最終形成木紋狀斷口。

連桿棒料心部含硫量較高，在預(yù)鍛工序模具的作用下，棒料心部金屬主要向鍛件大頭流動(dòng)，造成夾雜物在該處大量聚集，最終在連桿大頭形成斷續(xù)分布的短條狀?yuàn)A雜物，這嚴(yán)重破壞了連桿橫向拉伸性能的連續(xù)性，從而使連桿橫向的斷面收縮率降低[8-9]。

4 結(jié)論及建議

(1)MC11H連桿大頭端橫向的斷面收縮率低是該處密集分布的大量短條狀MnS夾雜物導(dǎo)致的。

(2)在鍛造過(guò)程中，可通過(guò)控制鍛壓初始溫度為1 220～1 250 ℃，以改善材料流動(dòng)性，減少夾雜物聚集。

(3)控制鍛件溫降，上模壓下速度控制在10 mm/s左右。