脹斷連桿用中碳非調(diào)質(zhì)KNF33MAM鋼的成分與組織

鄧向陽,林 俊,謝 有,李仕超

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，常州 213011)

C70S6類高碳鋼是制造發(fā)動(dòng)機(jī)脹斷連桿常用的非調(diào)質(zhì)鋼，但其強(qiáng)度較低，不適合用于制造高強(qiáng)度、高爆發(fā)壓力的大功率發(fā)動(dòng)機(jī)連桿。C70S6類高碳鋼組織中高硬度的片層狀滲碳體較多，鋼材的切削加工性能較差，限制了汽車輕量化的發(fā)展。因此，各國相繼開發(fā)了新型的脹斷連桿用非調(diào)質(zhì)鋼，主要目標(biāo)是降低碳元素含量，增加微合金化元素含量，以細(xì)小鐵素體+珠光體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粗大片層珠光體+極少鐵素體[1]。日本自2004年陸續(xù)開發(fā)了相關(guān)鋼種，如熱鍛非調(diào)質(zhì)鋼KNF系列，其中高強(qiáng)度型KNF33M鋼、KNF35M鋼的化學(xué)成分類似于國內(nèi)的36MnVS4鋼[2]。

筆者取日本A廠連桿用非調(diào)質(zhì)鋼圓棒，材料為KNF33MAM鋼，直徑為36 mm，對其化學(xué)成分、低倍組織、顯微組織、非金屬夾雜物等方面進(jìn)行分析，結(jié)果可為加快國內(nèi)汽車脹斷連桿用高等級非調(diào)質(zhì)鋼的研發(fā)進(jìn)度提供理論依據(jù)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

利用直讀光譜儀對KNF33MAM鋼進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。試樣中的微合金化元素釩可以提高材料的強(qiáng)度；鋼中含有一定量的氧元素，生成氧化物夾雜可成為硫化物的核心，從而有利于生成短桿紡錘體狀的硫化物，提高材料的切削性能；鋼中的磷元素有利于提高材料的脹斷性能、屈強(qiáng)比和疲勞強(qiáng)度。目前國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)36MnVS4鋼時(shí)，也會(huì)向其中加入一定量的磷元素[3]。

表1 KNF33MAM鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.2 低倍組織檢驗(yàn)

對KNF33MAM鋼和國內(nèi)同類材料進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示，可見KNF33MAM鋼組織比較致密，未見明顯的枝晶形貌或中心偏析等低倍缺陷；國內(nèi)同類材料可見較為明顯的中心偏析、疏松等低倍缺陷。

圖1 KNF33MAM鋼和國內(nèi)同類材料的低倍檢驗(yàn)結(jié)果

KNF33MAM鋼截面處碳、硫元素的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及分布情況如圖2所示，可見KNF33MAM鋼截面處橫向與縱向的元素分布相差較大，特別是1/2半徑處有較大的成分偏析。

1.3 金相檢驗(yàn)

KNF33MAM鋼的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知：KNF33MAM鋼的組織為鐵素體+珠光體，鐵素體含量較高，且沿晶分布不明顯；晶粒度等級為8級，晶粒較細(xì)；表層無明顯脫碳；鐵素體呈帶狀，1/2半徑及心部的帶狀組織評級為1.5級。鐵素體含量較高以及晶粒較細(xì)，會(huì)使材料的脹斷性能變差，因此需要添加磷元素對材料進(jìn)行改善[4]。

1.4 非金屬夾雜物分析

對KNF33MAM鋼和國內(nèi)同類材料組織中的夾雜物進(jìn)行評級，結(jié)果如表2所示，可見KNF33MAM鋼中非金屬夾雜物級別較低，數(shù)量較少，材料純凈度較高。

表2 KNF33MAM鋼和國內(nèi)同類材料組織中夾雜物的評級結(jié)果 級

1.4.1 氧化物

KNF33MAM鋼中氧化物主要為SiO2-CaO-Al2O3-MnO系，一部分單獨(dú)存在，另一部分與硫化物共同存在。單獨(dú)存在的復(fù)合型氧化物多呈長條狀，少數(shù)顆粒尺寸(直徑，下同)達(dá)到50 μm以上，大部分顆粒尺寸小于1 μm，主要成分為SiO2。根據(jù)單獨(dú)存在的復(fù)合型氧化物的數(shù)量以及尺寸分布，統(tǒng)計(jì)氧化物的平均成分為SiO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.20%)-CaO(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.17%)-Al2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.85%)-MnO(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.78%)。將成分歸一化，繪于Al2O3-SiO2-CaO及MnO-SiO2-CaO三元相圖中，結(jié)果如圖4所示，用氣泡的大小表示MnO的含量，圖中紅線為1 500 ℃時(shí)的液相區(qū)，可見Al2O3含量與MnO含量呈現(xiàn)相反趨勢，且MnO含量低的氧化物多處于低熔點(diǎn)區(qū)域。說明在降溫過程中，夾雜物的化學(xué)成分發(fā)生了變化。因此，鋼中存在的氧化物可細(xì)分為3類：① MnO含量低的SiO2-CaO-Al2O3夾雜，處于相圖低熔點(diǎn)區(qū)域，軋后呈長條形貌；② Al2O3含量低或無Al2O3的SiO2-MnO類夾雜；③ 尺寸約為1 μm的SiO2類夾雜。

圖4 KNF33MAM鋼中單獨(dú)存在的氧化物成分分布情況

1.4.2 硫化物

KNF33MAM鋼縱截面1/2半徑處硫化物的微觀形貌如圖5所示，可見硫化物分布比較均勻，且長度與寬度之比較小，呈現(xiàn)短桿狀。

圖5 KNF33MAM鋼縱截面1/2半徑處硫化物的微觀形貌

除單獨(dú)存在的硫化物外，部分硫化物與氧化物復(fù)合存在，復(fù)合硫化物的典型微觀形貌如圖6所示，其中淺色區(qū)域?yàn)镸nS。復(fù)合硫化物按形貌可分為兩類：第一類為析出形態(tài)，氧化物多為Ca-Si-Al-O系，Mn元素含量較低，與單獨(dú)存在的長條狀氧化物成分相近[見圖6a)～6d)]，可能是降溫過程中MnS從液態(tài)氧化物中析出所得；第二類硫化物中包裹著明顯的氧化物核心，大部分核心尺寸小于1 μm[見圖6e)～6h)]。

圖6 復(fù)合硫化物的典型微觀形貌

利用FACTSAGE軟件對復(fù)合硫化物的生成行為進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算溫度區(qū)間為1 000～1500 ℃，凝固溫度區(qū)間在1 420～1 490 ℃。復(fù)合硫化物化學(xué)成分隨溫度的變化情況如圖7所示，可見凝固前鋼液中夾雜物為液態(tài)SiO2-Al2O3-CaO-MnO系，與單獨(dú)存在的氧化物成分相近，隨著溫度降低，液態(tài)夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)殁}鋁硅酸鹽，其中的Mn原子與殘留的S原子結(jié)合生成MnS，從而形成第一類復(fù)合硫化物；第二類復(fù)合硫化物，以鋼中存在的SiO2-MnO系夾雜物為核心，隨著溫度降低，該類夾雜物向SiO2方向轉(zhuǎn)變。

圖7 復(fù)合硫化物化學(xué)成分隨溫度的變化情況

2 綜合分析

由上述分析結(jié)果可知：KNF33MAM鋼截面橫向與縱向的碳、硫元素含量分布差別較大，特別是1/2半徑處碳、硫元素的成分偏析較大；KNF33MAM鋼截面處的低倍組織未見明顯枝晶形態(tài)，致密度較好；KNF33MAM鋼的顯微組織為鐵素體+珠光體，未見明顯鐵素體沿晶分布，帶狀組織為1.5級，表面未見明顯脫碳。鐵素體含量較高、晶粒較細(xì)，有利于提高材料的塑性和韌性，但會(huì)降低材料的脹斷性能，因此，向材料中添加磷元素，可以改善材料的脹斷性能。氧化物夾雜多為SiO2-CaO-Al2O3-MnO復(fù)合型，呈細(xì)長條狀，尺寸較小，只有少量夾雜物的尺寸達(dá)到50 μm以上；硫化物分布均勻，部分硫化物以含有少量MnO的SiO2-CaO-Al2O3-MnO或含有大量Si元素的SiO2-MnO為核心復(fù)合存在，有利于形成紡錘體狀硫化物，提高材料的切削性能。

3 結(jié)語

國外脹斷連桿用高等級非調(diào)質(zhì)鋼的低倍組織質(zhì)量、鋼水純凈度等方面表現(xiàn)較好，值得國內(nèi)借鑒學(xué)習(xí)，但是該材料在成分偏析等方面存在一定問題，這也是國內(nèi)在材料開發(fā)生產(chǎn)過程中需要避免和解決的問題。