AC514發(fā)動機(jī)非調(diào)質(zhì)鋼連桿試驗研究

鄧向陽 林俊 李仕超 謝有 朱飛

（中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，常州 213011）

1 前言

發(fā)動機(jī)連桿是發(fā)動機(jī)的重要零件，對材料要求很高，以往發(fā)動機(jī)連桿材料大多用調(diào)質(zhì)鋼制造，目前調(diào)質(zhì)鋼連桿大多被非調(diào)質(zhì)鋼代替，不僅提高了連桿的裝配精度，還省去了一道費(fèi)時、高能耗、高污染的熱處理工序，節(jié)約了能源，提高了生產(chǎn)效率[1]。

用于發(fā)動機(jī)連桿制造的非調(diào)質(zhì)鋼鋼種有中碳MnV、高碳MnV 系列非調(diào)質(zhì)鋼，按抗拉強(qiáng)度區(qū)分750～850 MPa，代表鋼種有35MnV、40MnV；強(qiáng)度為 850～950 MPa 的代表鋼種有 36MnV、38MnV、C70S6、C70S6BY。據(jù)最新統(tǒng)計，在這些鋼種中C70S6 鋼的用量最大，占非調(diào)質(zhì)鋼用量的60%[2]，是目前制造發(fā)動機(jī)脹斷連桿的最主要材料。

本項目以高碳MnV 系非調(diào)質(zhì)鋼為研發(fā)目標(biāo)，首先開發(fā)C70S6 連桿用非調(diào)質(zhì)鋼，應(yīng)用于國內(nèi)某知名汽車發(fā)動機(jī)廠D19(AC514)發(fā)動機(jī)連桿。

2 試驗用鋼的技術(shù)要求

2.1 試驗用鋼牌號及化學(xué)成分

試驗用鋼牌號為C70S6，試驗用鋼牌號及化學(xué)成分如表1 所示，碳當(dāng)量要求0.88%～0.97%。

表1 試驗用鋼牌號及化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

碳當(dāng)量按公式（1）計算。

式中，Ceq 為碳當(dāng)量；C 為 C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Si 為 Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Mn 為 Mn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Cr 為 Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)；V 為 V質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2 試驗用鋼的技術(shù)要求

采用電爐冶煉，經(jīng)LF（精煉爐）精煉和VD（真空處理爐）真空處理。連鑄坯中心疏松≤2.0 級。非金屬夾雜物按表2 要求。熱軋圓鋼規(guī)格為Φ42 mm，以滾磨狀態(tài)交貨，軋材奧氏體晶粒度要求優(yōu)于5 級。鋼材表面要求探傷，表面缺陷深度≤0.3 mm；超聲探傷標(biāo)準(zhǔn)按GB/T 4162—2008《鍛軋鋼棒超聲檢測方法》[3]執(zhí)行，合格級別為 B 級[4]。

表2 非金屬夾雜物要求 級

3 試驗鋼材的冶煉

3.1 試驗用鋼的冶煉成分

試驗用鋼在中天特鋼電爐廠進(jìn)行，采用90 t 電爐冶煉，經(jīng)LF 精煉和VD 真空處理，共冶煉2 爐，爐號為685、686。其中難控元素S 主要通過電爐出鋼過程添加硫鐵，然后LF 過程補(bǔ)喂硫線，控制VD 過程的S 損耗，VD 真空處理后不需要再補(bǔ)加[5]。N 元素的控制，主要是通過LF 爐添加釩氮合金，VD 真空后喂入氮錳線來控制[6]。

試驗用鋼的熔煉化學(xué)成分檢驗結(jié)果如表3 所示。從熔煉成分檢驗結(jié)果看，試驗用鋼的化學(xué)成分和碳當(dāng)量符合內(nèi)控技術(shù)指標(biāo)。同時分析了德國喬治馬林鋼廠和國內(nèi)其它鋼廠C70S6 鋼材的化學(xué)成分和碳當(dāng)量，也列入表3。

表3 試驗用鋼和對比鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.2 連鑄坯的低倍形態(tài)及化學(xué)成分偏析

連鑄坯的規(guī)格為220 mm×260 mm 矩形坯。為改善連鑄低倍質(zhì)量，連鑄過程采用慢拉速（0.70 m/min），低過熱度（15～30 ℃），大的電磁攪拌電流（末端攪拌電流為400 A），并采用國際先進(jìn)的脈沖磁致振蕩技術(shù)（PMO），低倍缺陷評級如表4，低倍評級符合技術(shù)要求。

表4 低倍評級情況 級

鑄坯偏析情況委托上海大學(xué)材料學(xué)院進(jìn)行分析，本次檢測采用11 點(diǎn)取樣檢測，從鑄坯中心向鑄坯兩側(cè)每隔3 cm 取1 個檢測點(diǎn)（圖1）。為提高準(zhǔn)確度，在距離中心1.5 cm 處（兩側(cè)）加取2 點(diǎn)，共11點(diǎn)，并采用碳硫分析儀對C、S 成分進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖2、表 5 所示。

圖1 鑄坯偏析取樣示意

圖2 鑄坯偏析結(jié)果

表5 連鑄坯的碳硫偏析指數(shù)(CS儀)

4 試驗鋼材的軋制

4.1 試驗用鋼的軋制

試驗用鋼在中天特鋼小棒線生產(chǎn)，該生產(chǎn)線配備德國KOCKS 機(jī)組，可以保證軋材的尺寸精度和表面質(zhì)量。

試驗鋼用爐批號為686 的鋼坯，首次軋制6支，軋制規(guī)格為Φ42 mm，成材為4.13 t。

為減輕材料偏析，均勻材料組織，此次生產(chǎn)C70S6 采用高溫擴(kuò)散加熱工藝，過鋼節(jié)奏參考軸承鋼軋制工藝，現(xiàn)場設(shè)定軋制節(jié)拍為120 s/支，軋制鋼坯在爐時間為5 h，在加熱Ⅰ段及均熱段高溫區(qū)共經(jīng)過3 h，加熱溫度控制在工藝上限為1 200～1 250 ℃。

開軋溫度較高，鋼坯在除鱗水后溫度在1 130 ℃左右，當(dāng)鋼坯經(jīng)過第一架軋機(jī)時，鋼坯后半部溫度在1 110 ℃左右，剪切溫度在410～505 ℃。

為提高表面質(zhì)量，并防止出現(xiàn)心部貝氏體、馬氏體等異常組織，軋制采用控軋控冷工藝。

考慮滾磨工序，尺寸控制在Φ42.2～Φ42.6 mm 范圍之內(nèi)，滾磨按單邊0.2 mm 進(jìn)行，滾磨后實際尺寸約Φ41.8～Φ42.2 mm，滿足客戶的尺寸精度要求。

4.2 硫化物的形態(tài)及能譜分析

試驗用鋼與國內(nèi)知名鋼廠材料進(jìn)行硫化物形貌對比（圖3、圖4），從圖片對比情況來看，試驗鋼材與國內(nèi)先進(jìn)鋼廠等材料無明顯差異。

圖3 試驗鋼軋材硫化物形態(tài)

圖4 對比鋼軋材硫化物形貌（500×）

對試驗鋼硫化物進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果如圖5、表6 所示，能譜分析結(jié)果顯示，硫化物相結(jié)構(gòu)為硫化錳。

表6 硫化物成分組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖5 硫化物能譜分析

為提高材料的切削加工性能，一般需要提高紡錘體狀硫化物比例，而紡錘體狀硫化物主要組成為：里層為氧化物核心，外層包裹硫化錳，因此下步還需要進(jìn)一步對硫化物進(jìn)行改質(zhì)變性處理，以便提高紡錘體狀硫化物的比例[7]。

4.3 軋材的氣體含量測定

測定了軋材的氣體含量（表7），N 含量平均145×10-6，O 含量平均9×10-6，符合技術(shù)要求。

表7 成品材氣體含量對比 ×10-6

5 熱軋材的表面質(zhì)量和力學(xué)性能

5.1 表面脫碳

檢查了鋼材表面脫碳情況，由于本次軋鋼生產(chǎn)采用高溫擴(kuò)散加熱工藝，因此脫碳層偏深，達(dá)0.30～0.48 mm（圖6）。經(jīng)滾磨處理后脫碳層深度降低到0.09～0.11 mm（圖7），同規(guī)格國內(nèi)B 公司脫碳層深度0.14 mm。

圖6 滾磨前脫碳層組織（100×）

圖7 單邊滾磨0.20 mm后脫碳層組織（100×）

5.2 C70S6試驗材料的鍛造工藝模擬試驗

將試驗材料（Φ42 mm 圓鋼）分別加熱到不同的鍛造溫度（1 180 ℃、1 210 ℃、1 240 ℃、1 300 ℃）保溫30 min，改鍛成Φ25 mm 棒料。終鍛溫度900 ℃左右，改鍛后采用空冷和風(fēng)冷2 種不同的冷卻速度冷卻，測定鋼材的金相組織和力學(xué)性能[8]。同時選擇了德國進(jìn)口鋼材和國內(nèi)某企業(yè)鋼材進(jìn)行對比試驗。

5.2.1 鍛造工藝對鍛件金相組織的影響

從不同鍛造溫度試樣的金相組織來看，隨著鍛造溫度的升高，奧氏體晶粒增大，鐵素體析出量減少。對比風(fēng)冷和空冷2 種冷卻速度的金相組織，相差不大，冷卻速度對金相組織的影響較少[9]。

試驗鋼和德國鋼、國內(nèi)B 公司的C70S6 鋼對比，在1 210 ℃鍛造風(fēng)冷試樣的金相組織，基本相差不大（圖8）。

圖8 不同生產(chǎn)廠1 210 ℃鍛造后風(fēng)冷試樣的金相組織（500×）

5.2.2 鍛造工藝對鋼材力學(xué)性能的影響

圖9 是試驗鋼和對比鋼不同鍛造溫度風(fēng)冷試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果，圖10 是不同鍛造溫度空冷試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果，從試驗結(jié)果看，隨著鍛造溫度的升高，2 種冷卻速度的強(qiáng)度略有升高，韌性略有下降，但相差不大。圖11 是試驗鋼和對比鋼的2 種冷卻（空冷和風(fēng)冷）試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度的對比，基本在同一水平。

圖9 風(fēng)冷——鍛造溫度對力學(xué)性能的影響

圖10 空冷——鍛造溫度對力學(xué)性能的影響

圖11 1 210 ℃鍛打試樣的抗拉強(qiáng)度與布氏硬度

6 發(fā)動機(jī)連桿試制

6.1 連桿的技術(shù)要求及制造工藝

試制發(fā)動機(jī)連桿為國內(nèi)某內(nèi)燃機(jī)廠D19 發(fā)動機(jī)連桿，該連桿材料設(shè)計為C70S6，連桿的硬度要求為260～320 HBS 5/750/15，抗拉強(qiáng)度為950～1 080 MPa。材料規(guī)格為Φ42 mm，下料長度146 mm，坯料質(zhì)量1.57 kg，連桿質(zhì)量1.079～1.125 kg，材料利用率為68.7%。

連桿鍛件的生產(chǎn)工藝如下：下料、感應(yīng)加熱、輥鍛制坯、模鍛成型、切邊、空氣冷卻、強(qiáng)力噴丸、探傷、硬度檢查、質(zhì)量檢查。

連桿的機(jī)械加工工藝如下：粗磨端面、精磨端面、輥鍛制坯、模鍛成型、切邊（從輥鍛制坯開始到完成鍛件切邊，時間為10～12 s）、空氣冷卻、強(qiáng)力噴丸、探傷、硬度檢查、質(zhì)量檢查。

6.2 連桿的試制及檢驗

6.2.1 連桿鍛件試制

首批投入試驗材料2.10 t，生產(chǎn)鍛件1 100 余件，鍛造的加熱溫度1 210 ℃，終鍛溫度960 ℃。從輥鍛制坯開始到鍛件切邊完成時間40 s，生產(chǎn)節(jié)拍10～12 s。鍛后風(fēng)冷，裝箱溫度連桿大頭500 ℃，桿部460 ℃。

6.2.2 連桿鍛件的金相組織

試制連桿鍛件的金相組織為珠光體加少量鐵素體，大小頭部位鐵素體析出量高于桿部，但＜10%（圖12）。表面有輕微的脫碳，深度在0.05～0.08 mm，滿足技術(shù)要求。

圖12 連桿的金相組織

6.2.3 連桿鍛件的硬度

連桿的硬度要求為260～320 HBS 5/750/15，測試了25 件試制連桿鍛件硬度，其硬度范圍在281～296 HBS 5/750/15 之間，試驗連桿的硬度符合產(chǎn)品要求且分布比較均勻。

6.2.4 連桿的強(qiáng)度

采用連桿整體拉伸，測定試驗連桿最小橫截面的抗拉強(qiáng)度，試驗設(shè)備為德國茲韋克（Zwick Roell）Z600 型靜態(tài)電子萬能材料實驗機(jī)，拉伸斷面在連桿桿部，用圖像掃描儀分析計算其斷面面積為292.57 mm2。表8 是連桿整體拉伸斷裂力及計算的連桿桿部強(qiáng)度，符合950～1 080 MPa 的技術(shù)要求。

表8 連桿抗拉強(qiáng)度對比

6.2.5 連桿的切削和裂解試驗

試驗連桿的切削工藝如下：鍛件、探傷、粗磨兩平面、精磨兩平面、鉆小頭孔、鏜小頭孔、粗鏜大頭孔、半精鏜大頭孔、精銑搭子面、鉆擴(kuò)鏜雙孔攻絲、激光開槽、脹斷連桿大頭孔分開面、合裝連桿、精銑兩側(cè)面、精磨兩平面、半精鏜大頭孔、精鏜大小頭孔、珩磨大頭孔、檢驗（連桿綜合測量裝置）、稱重分組（符合圖紙要求，打印質(zhì)量標(biāo)識）、合件清洗、裝箱檢驗貯存[10]。

首批切削、裂解試驗24 件，切削性能良好，脹斷工序正常，裂解面沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷，通過了用戶的疲勞壽命檢測。

7 結(jié)論

a.通過對成分的精確控制、連鑄采用慢拉速、低過熱度、加大電磁攪拌力度、引進(jìn)國際先進(jìn)的PMO 技術(shù)和軋鋼過程采用高溫擴(kuò)散加熱及控軋控冷工藝，原材料的力學(xué)性能、組織均勻性得到了有效控制；

b.通過用戶鍛造工藝模擬對比、檢測對比，中天特鋼C70S6 試驗鋼材各項技術(shù)指標(biāo)滿足汽車發(fā)動機(jī)連桿要求；

c.應(yīng)用于國內(nèi)某知名內(nèi)燃機(jī)廠D19(AC514)發(fā)動機(jī)連桿的試驗表明，中天特鋼C70S6 鋼材工藝適應(yīng)性良好，鍛件性能穩(wěn)定，切削性能良好，裂解工藝也滿足要求。

d.試驗鋼的元素偏析及硫化物形貌還有進(jìn)一步改善的空間，以進(jìn)一步提升材料的質(zhì)量水平。