C70S6非調(diào)質(zhì)鋼脹斷連桿的制造工藝及其實(shí)物質(zhì)量

鄧向陽, 謝 有, 李仕超

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司, 常州 213011)

連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)五大核心零部件之一，其長期工作于高溫環(huán)境，且加工制造過程復(fù)雜，因此對連桿材料的強(qiáng)韌性和切削性能提出了非常高的要求。傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿使用的是經(jīng)過調(diào)質(zhì)后的40Cr,42CrMo等合金結(jié)構(gòu)鋼制造，目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿多采用易切削非調(diào)質(zhì)鋼制造。非調(diào)質(zhì)鋼是在鋼中加入釩、鈦、鈮等微合金化元素，而這些元素在軋制、鍛造加熱后的冷卻過程中，將以細(xì)小的碳化物和氮化物形式在先析出的鐵素體和珠光體中析出[1]，起到沉淀強(qiáng)化的作用。使用非調(diào)質(zhì)鋼制造的連桿可以避免因調(diào)質(zhì)熱處理帶來的連桿變形及淬火開裂問題，提高產(chǎn)品的質(zhì)量合格率，最關(guān)鍵的是可以免去高能耗、高污染的熱處理工序，提高生產(chǎn)效率[2]，有利于節(jié)能減排和綠色環(huán)保。此外，使用非調(diào)質(zhì)鋼后，可以用脹斷技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)質(zhì)鋼連桿的平切技術(shù)，從而提高連桿的裝配精度，延長連桿的使用壽命，汽車脹斷連桿用非調(diào)質(zhì)鋼主要分為中碳MnVS和高碳MnVS系列，按連桿強(qiáng)度等級區(qū)分有：750 MPa～850 MPa系列(35MnVS，38MnVS，40MnVS等)；850 MPa～1 000 MPa系列(C70S6，70MnVS)；不小于1 050 MPa(36MnVS4，46MnVS5)。最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：目前國內(nèi)非調(diào)質(zhì)鋼脹斷連桿占連桿總量的70%以上，且這一數(shù)據(jù)還在逐年遞增，而C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的使用量又占到連桿非調(diào)質(zhì)鋼用量的70%，是目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿制造的主導(dǎo)鋼鐵材料[3]。

筆者對C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線進(jìn)行了合理測定，并采用力學(xué)性能測試、金相檢驗(yàn)、疲勞性能測試等方法對C70S6非調(diào)質(zhì)鋼脹斷連桿的品質(zhì)進(jìn)行了分析。

1 C70S6非調(diào)質(zhì)鋼連桿材料的力學(xué)性能

要使發(fā)動(dòng)機(jī)連桿在高溫環(huán)境下高速、長時(shí)間、穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，對連桿材料的力學(xué)性能有很高的要求[4]，C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能如表1所示。

表1 C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能

2 靜態(tài)CCT曲線測定試驗(yàn)

物體因溫度增加而發(fā)生的體積膨脹現(xiàn)象叫“熱膨脹”，物體膨脹大小用線(體)膨脹系數(shù)表示，線(體)膨脹系數(shù)是溫度升高1 K時(shí)物體的長度(體積)的相對增加量。熱膨脹法是通過測量金屬材料熱循環(huán)過程中線性應(yīng)變與時(shí)間和溫度的關(guān)系，來研究鋼鐵材料固態(tài)相變的一種實(shí)用的分析方法。由于鋼的高溫組織和其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物具有不同的比熱容，所以鋼在加熱或冷卻時(shí)，除了熱膨脹、冷收縮引起的體積變化之外，還有因相變引起的體積變化，導(dǎo)致正常膨脹曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以得出鋼中各相之間相互轉(zhuǎn)化的溫度和所需時(shí)間。

筆者以C70S6圓鋼為試驗(yàn)材料，用膨脹法測定其CCT曲線，由此直觀描述在一定冷卻速率下的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)，以及在不同冷卻速率下所經(jīng)歷的各種轉(zhuǎn)變和相應(yīng)的組織。

2.1 試驗(yàn)方案

采用GLEEBLE 3800型熱模擬試驗(yàn)機(jī)開展CCT曲線測定試驗(yàn)，在試驗(yàn)前，需知道C70S6材料的奧氏體化溫度，因此用DIL805L型熱膨脹儀準(zhǔn)確測定材料的相變點(diǎn)，該儀器使用真空高頻感應(yīng)加熱，溫度控制為室溫至1 200 ℃。最大加熱速率為100 ℃/s，最大冷卻速率為10 000 ℃/s，溫度控制精度為±1 ℃，冷卻氣體為氮?dú)狻?C70S6鋼相變點(diǎn)測定試驗(yàn)方案如圖1所示，將制備的2個(gè)試樣在加熱爐內(nèi)迅速加熱升溫至600 ℃，隨后再以200 ℃/h的升溫速率加熱至900 ℃，并隨爐保溫5 min，最后取出試樣并快速冷卻至室溫(20 ℃)。C70S6鋼相變點(diǎn)的測定結(jié)果如圖2所示，圖2中Ac1為加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度，Ac3為加熱時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終點(diǎn)溫度，Ar1為冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度，Ar3為冷卻時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變的開始溫度，由圖2可知：C70S6鋼的Ac1為731 ℃，Ac3為750 ℃。最終選定C70S6鋼奧氏體化的加熱溫度為900 ℃。

圖1 C70S6鋼相變點(diǎn)測定試驗(yàn)方案

圖2 C70S6鋼相變點(diǎn)的測定結(jié)果

C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的靜態(tài)CCT曲線測定試驗(yàn)方案如圖3所示，取一組9個(gè)試樣，每個(gè)規(guī)格(直徑×長度)均為8 mm×10 mm，每個(gè)試樣對應(yīng)1個(gè)冷卻速率，將所取試樣以10 ℃/s的升溫速率加熱至900 ℃，并保溫 5 min，使材料能夠充分奧氏體化，接下來再以0.3，1，3，5，10，20，30，40，50 ℃/s等9種不同的冷卻速率將材料冷卻至室溫，并測定材料的靜態(tài)CCT曲線[5]。

圖3 C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的靜態(tài)CCT曲線測定試驗(yàn)方案

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的靜態(tài)CCT曲線如圖4所示，圖中A,F,P,M分別為奧氏體、鐵素體、珠光體、馬氏體。從右往左的冷卻速率依次為0.3，1，3，5，10，20，30，40，50 ℃/s。

圖4 C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的靜態(tài)CCT曲線

測定C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的碳含量為0.70%，其CCT曲線與共析鋼轉(zhuǎn)變曲線相近，在轉(zhuǎn)變過程中只產(chǎn)生了珠光體與馬氏體，而無貝氏體轉(zhuǎn)變。經(jīng)過充分奧氏體化的C70S6非調(diào)質(zhì)鋼在不同的冷卻速率下連續(xù)冷卻時(shí)，主要發(fā)生的相變?yōu)閵W氏體向珠光體轉(zhuǎn)變(A→P)。

2.3 顯微組織變化

試樣經(jīng)過砂紙打磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液侵蝕5～10 s，直至表面變灰為止，將其沖洗吹干后在光學(xué)顯微鏡下觀察。金相檢驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)變結(jié)束后的顯微組織主要為珠光體加少量鐵素體。隨著冷卻速率的增加，鐵素體析出得到抑制，網(wǎng)狀逐步消除，珠光體團(tuán)逐步細(xì)化，從經(jīng)過3 ℃/s的速率連續(xù)冷卻后的顯微組織可以明顯看出，冷卻速率慢的原奧氏體晶粒在冷卻過程中長大。隨著冷卻速率的繼續(xù)增加，鐵素體消失，馬氏體出現(xiàn)且占比逐步增加?？梢酝ㄟ^細(xì)化原奧氏體、實(shí)際鐵素體和珠光體晶粒來消除網(wǎng)狀，細(xì)化珠光體片層，從而改善材料的強(qiáng)塑性。不同冷卻速率下C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的顯微組織變化如圖5所示。

圖5 不同冷卻速率下C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的顯微組織變化

3 制造工藝

結(jié)合上述對C70S6非調(diào)質(zhì)鋼CCT曲線的測定，可以分析軋制與鍛造工藝，以獲得技術(shù)條件要求的C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的顯微組織和力學(xué)性能，防止出現(xiàn)馬氏體等異常組織。

3.1 軋制工藝

鑄坯加熱過程采用的是高溫?cái)U(kuò)散加熱工藝，目的是：提高加熱二段及均熱段加熱溫度；延長這2個(gè)高溫段的加熱保溫時(shí)間；為防止高溫長時(shí)間加熱帶來的材料表面脫碳，適當(dāng)降低加熱爐內(nèi)的空燃比。高溫長時(shí)間加熱時(shí)，對碳、磷、硫等易偏析元素進(jìn)行充分?jǐn)U散，可減輕材料偏析，均勻材料組織，防止材料帶狀組織超標(biāo)和心部出現(xiàn)馬氏體等異常組織。

圓鋼軋制過程采用控軋控冷工藝，可實(shí)現(xiàn)低溫終軋；控制軋后穿水冷卻速率為5～10 ℃/s，獲得細(xì)晶組織，并有效防止異常組織出現(xiàn)。

3.2 連桿毛坯鍛造及冷卻工藝

連桿毛坯鍛件的工藝流程為[6]：圓鋼下料→感應(yīng)加熱→輥鍛制坯→模鍛成型→切邊→吹風(fēng)冷卻→裝箱堆冷。

(1) 加熱溫度：控制圓鋼鍛造前的加熱溫度為1 170～1 230 ℃，調(diào)節(jié)終鍛溫度為930～980 ℃[7]。

(2) 鍛后冷卻：鍛造后使用輸送帶轉(zhuǎn)運(yùn)連桿毛坯，同時(shí)利用風(fēng)箱在傳輸轉(zhuǎn)運(yùn)過程中進(jìn)行吹風(fēng)冷卻，控制鍛件冷卻速率為5～10 ℃/s，然后將連桿毛坯裝入鐵箱堆冷并避風(fēng)放置，裝箱溫度為：連桿大頭處為(500±20)℃，連桿桿部為(450±20)℃。用鍛后吹風(fēng)均勻強(qiáng)冷的方法控制冷卻速率為5～10 ℃/s，這樣既可以有效地抑制先共析鐵素體組織的析出，得到連桿鍛件顯微組織中的鐵素體占比不大于10%，也可以防止冷卻速率過快產(chǎn)生馬氏體異常組織[8-9]。

4 連桿鍛件實(shí)物的理化檢驗(yàn)

4.1 力學(xué)性能測試

對原材料圓鋼軋制及連桿毛坯鍛造相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化后，C70S6非調(diào)質(zhì)鋼連桿的力學(xué)性能如表2所示。

表2 優(yōu)化工藝參數(shù)后C70S6非調(diào)質(zhì)鋼連桿的力學(xué)性能

4.2 金相檢驗(yàn)

優(yōu)化工藝參數(shù)后，C70S6非調(diào)質(zhì)鋼連桿的鐵素體占比及晶粒度如表3所示，其顯微組織如圖6所示。

表3 優(yōu)化工藝參數(shù)后C70S6非調(diào)質(zhì)鋼連桿的鐵素體占比及晶粒度

圖6 優(yōu)化工藝參數(shù)后C70S6非調(diào)制鋼連桿的顯微組織

連桿的顯微組織為珠光體+少量鐵素體，雖然大、小頭部位的網(wǎng)狀鐵素體析出量高于桿部，但均不超過10%。

4.3 疲勞性能測試

連桿毛坯鍛件經(jīng)過磨削、鏜孔、脹斷等機(jī)械加工后制作成連桿，然后使用升降法在型號(hào)為MTS880的電液伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)上對連桿進(jìn)行拉-壓加載不對稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度測試，疲勞的循環(huán)基數(shù)設(shè)定為1×107次，按連桿大頭處的受力進(jìn)行加載(根據(jù)連桿的工況參數(shù)得到名義工況載荷：連桿大頭處最大拉力為20.67 kN，大頭處最大壓力為-74.84 kN，載荷為±47.76 kN)，加載波形為正弦波，疲勞性能測試數(shù)據(jù)如表4所示，疲勞性能測試升降圖如圖7所示。連桿疲勞測試結(jié)果表明：在連桿小頭油孔處發(fā)生斷裂，經(jīng)過計(jì)算得出連桿在50%存活率下的疲勞極限(載荷)為88.33 kN，標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.18 kN，因此得到連桿在50%存活率下的安全系數(shù)KS50%=1.85。

表4 連桿疲勞性能測試數(shù)據(jù)

圖7 連桿疲勞性能測試升降圖

5 結(jié)語

(1) 利用膨脹法對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)脹斷連桿用C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的CCT曲線進(jìn)行測定，為后續(xù)圓鋼軋制與連桿鍛造工藝參數(shù)的合理設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

(2) 軋制加熱過程采用高溫?cái)U(kuò)散加熱工藝，并延長了高溫加熱時(shí)間，可對易偏析元素進(jìn)行充分?jǐn)U散，減輕材料偏析，從而減輕帶狀組織，尤其防止圓鋼心部出現(xiàn)馬氏體異常組織。

(3) 采用控軋控冷軋制工藝，得到細(xì)晶粒組織。

(4) 鍛造過程要控制冷卻速率為5～10 ℃/s，從而有效抑制鐵素體的析出，細(xì)化組織晶粒，同時(shí)防止出現(xiàn)馬氏體等異常組織。

(5) 力學(xué)性能測試、金相檢驗(yàn)、疲勞性能測試結(jié)果顯示，成品連桿的強(qiáng)韌性、疲勞壽命完全滿足用戶的使用要求。