CN101892424A

CN101892424A - 一种胀断连杆用中碳非调质钢

Info

Publication number: CN101892424A
Application number: CN 201010248516
Authority: CN
Inventors: 惠卫军; 张英建; 陈思联; 董瀚; 包耀宗; 时捷; 王毛球; 曹文全; 徐乐
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2030-08-09
Also published as: CN101892424B

Abstract

一种胀断连杆用中碳非调质钢，属于合金钢领域。化学成分重量％为：C0.35～0.55％，Si 0.40～0.80％，Mn 0.80～1.50％，P 0.04～0.15％，S 0.03～0.10％，Cr 0.10-0.50％，V 0.05～0.25％，B 0.0005～0.006％，Ti 0.01～0.10％，Al 0.005～0.05％，N 0.005～0.020％，RE 0.005～0.04％，余为Fe和其它不可避免的杂质，同时，C、P、B含量还需满足脆性参数关系式：0.60≤C(％)+3P(％)+50B(％)≤1.0；金相组织为：铁素体+珠光体。适用于制作抗拉强度900MPa级以上的胀断连杆。优点在于，与现有技术相比，该钢不仅塑性低，而且胀断性能和疲劳性能优良，经过锻造和加工后，可用来制作胀断连杆，具有良好的经济性。

Description

一种胀断连杆用中碳非调质钢

技术领域

本发明属于合金钢领域，特别是提供了一种胀断连杆用中碳非调质钢，具有低塑性和优异胀断(亦称裂解)性能及疲劳性能的中碳非调质钢，主要适用于制作抗拉强度900MPa级以上的胀断(亦称裂解)连杆。

背景技术

传统的汽车发动机连杆的机械加工工艺复杂，精度要求高，往往因为加工精度问题而影响发动机的可靠性。近年来开发的胀断连杆技术则解决了此问题。该工艺是在连杆大头的适当位置设计并预制缺口(裂纹槽)，形成应力集中，再施加垂直于预定断裂面的载荷进行引裂。当满足发生脆性断裂的条件时，在几乎不发生塑性变形的情况下，在缺口处规则断裂，实现连杆体与连杆盖的无屑断裂剖分。由于断裂面呈犬牙交错的自然状态，具有极高的定位与配合精度，无需再进行接合面的加工，同时简化了连杆螺栓孔的结构设计和整体加工工艺，具有加工工序少、节省精加工设备、节材节能、产品质量高、生产成本低等一系列优点。

胀断连杆用材料及其微观组织不仅影响连杆产品的性能和切削性，而且决定可裂解性和断面质量，对胀断工艺起决定性作用。胀断工艺要求连杆锻件在胀断过程中大头孔不能产生明显的塑性变形，以满足后续加工后大头孔圆度误差的要求。因此，对连杆材料的要求是，在保证连杆综合性能的指标的前提下，限制连杆的韧性指标，使其断口呈现脆性断裂特征，以便具有良好的啮合性。传统采用的胀断连杆用钢为在0.70％碳钢基础上开发的高碳钢SAE1070或C70S6[曹正等.汽车工艺与材料，2000，(12)：24-27]，其组织为珠光体加少量断续的铁素体，尽管容易脆性裂解，但其仍有明显的缺点：屈强比偏低，疲劳性能偏低。此外，较多的硬相渗碳体使得切削加工性较差。对此，开展了改善胀断连杆用钢屈强比和疲劳性能的研究。文献[電気製鋼(日文)，2000，71(1)：81-87]介绍了一种中碳胀断连杆用非调质钢，具有良好的胀断性，但由于添加有高达0.25％的微合金化元素V，提高了钢的成本，从而削弱了该钢的经济性；过高的Si含量(2％)亦使锻件的表面质量变差，影响零件的疲劳性能；此外，为了改善切削加工性，钢中添加0.1％左右的有害元素Pb，不利于环保，这些均限制了该钢的应用。文献[熱処理(日文)，2007，47(6)：343-349]同样介绍了一种中碳胀断连杆用非调质钢，由于碳含量偏低(0.28％)，因而添加的主要起析出强化作用的微合金化元素含量过高(0.17％V+0.17％V)，使得该钢的经济性较差。日本专利[JP2003-027178]提出的一种具有良好切削性和胀断性的中碳非调质钢，可用来制造胀断连杆，但钢中S含量过高(0.15-0.30％)，使得该钢的冶炼特别是连铸难度大，钢材热加工性较差，从而限制了该钢的大批量工业生产应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种胀断连杆用中碳非调质钢，具有低塑性和优异胀断性能及疲劳性能，同时制造成本低，可用来制作抗拉强度800MPa级以上的胀断连杆。

本发明钢的具体化学成分(重量％)如下：C 0.35～0.55％，Si 0.40～0.80％，Mn 0.80～1.50％，P 0.04～0.15％，S 0.03～0.10％，Cr 0.10-0.50％，V 0.05～0.25％，B 0.0005～0.006％，Ti≤0.01％，Al≤0.030％，N 0.005～0.020％，RE 0.005～0.04％，余为Fe和其它不可避免的杂质，同时，C、P、B含量还需满足脆性参数关系式：0.60≤C(％)+3P(％)+50B(％)≤1.0；金相组织为：铁素体+珠光体。

根据上述目的，本发明所采用的技术方案是：以铁素体+珠光体组织代替单一的珠光体组织，从而实现高强度、低塑性和高疲劳性能三者的最佳平衡。对于传统的铁素体+珠光体组织，由于软相铁素体的硬度较低和塑性较好，容易在缺口根部铁素体处产生韧性的韧窝断裂，从而影响胀断性能。对此，采取措施降低铁素体相的塑韧性和提高铁素体相的硬度：(1)与通常尽可能降低钢中杂质元素P含量不同，本发明采用增加钢中杂质元素P含量的思路，以适当降低奥氏体晶界强度(脆化)并使铁素体相固溶强化；(2)与通常尽可能避免BN生成而增加钢的脆性不同，本发明采用钢中添加B并控制Al、Ti元素含量，从而在晶界生成适量的BN，以促进晶界脆化；(3)增加Si元素含量，使铁素体相进一步固溶强化；(4)增加微合金化元素V的含量，控制细小碳氮化物相的析出而强化铁素体相并降低其塑性。

各元素的作用及配比依据如下：

C：C元素是获得连杆锻造后所需强度水平的廉价元素，对此，C含量须在0.35％以上。但如前所述，C含量过高将对钢的疲劳性能、切削加工性能等带来不利的影响。因此，C含量应控制在0.55％以下。

Si：Si元素在钢中通常起脱氧剂作用，其含量通常不超过0.37％。鉴于Si在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形式存在于铁素体中，即具有显著的固溶强化铁素体、降低其塑性的作用。此外，Si还促进促进元素P和S的晶界偏聚，使晶界适当脆化。为了达到此目的，Si元素含量需在0.40％以上，但过高的Si含量将恶化钢的热加工性和锻件表面质量，因而控制其含量不超过0.80％。

Mn：Mn元素除起脱氧剂作用外，还具有显著的固溶强化作用。此外，Mn与S形成MnS夹杂，提高钢的切削加工性。但Mn含量超过1.50％时钢中易生成粗大的贝氏体组织，显著恶化钢的疲劳性能，且偏析严重，增加冶炼难度和成本，因而控制其含量在0.80～1.50％。

P：P元素能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在高温加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大。磷是固溶强化铁素体的元素，与其它合金元素相比，它是提高铁素体强度最高的元素。因此，与通常尽可能降低钢中杂质元素P含量不同，本发明采用增加钢中杂质元素P含量的思路，以降低奥氏体晶界强度(脆化)并使铁素体相固溶强化，降低其塑性，此外还进一步改善钢的切削性。P含量小于0.04％上述作用不理想，但P含量过高将明显恶化钢的热加工性和增加冶炼难度，所以控制P的含量在0.04～0.15％。

S：S与Mn形成细小、分散分布MnS而改善钢的切削加工性。S含量过高将恶化钢的热加工性，因而控制S含量在0.03～0.10％。

Cr：Cr元素为确保获得所需强度的必要元素，但含量过高会恶化钢的切削加工性和增加成本，因而控制其含量在0.10～0.50％。

V：V元素的碳氮化物具有较强的析出强化作用，除可进一步提高软相铁素体的强度，改善钢的胀断性能外，还可明显提高钢的疲劳性能。V含量小于0.05％难以起到上述作用，但含量超过0.25％则作用饱和，且增加钢的成本。因此控制其含量在0.05～0.25％。

B：通常在结构钢中添加微量B以提高其淬透性，此时应尽可能避免BN生成而添加强氮化物形成元素Ti，以获得增加淬透性的有效B含量。本发明采用钢中添加B并控制Al、Ti元素含量，以生成适量的BN而增加钢的脆性和降低塑性，与P元素复合添加而获得良好的胀断性能。为了上述作用，B含量需在0.0005％以上，但B含量超过0.006％时钢易产生热脆，影响热加工性能，且易生成粗大的贝氏体组织而恶化钢的疲劳性能，因此控制其含量在0.0005～0.006％。

Ti：Ti优先与钢中N结合生成TiN而抑制增加钢的脆性的BN的生成。对此，应尽可能降低钢中Ti元素含量，但追求过低的Ti含量会增加冶炼难度，因而控制其含量在0.01％以下。

Al：与Ti元素一样，优先与钢中N结合而生成AlN，从而会抑制BN的生成。对此，应尽可能降低其含量。但考虑到脱氧作用和实际冶炼的难度，控制其含量在0.030％以下。

N：N与B结合生成BN，为此N含量需在0.005％以上，但过量的N易在钢中形成气泡和疏松，所以其含量应控制在0.005～0.020％。

RE：RE具有对非金属夹杂物变性处理的作用，从而进一步改善钢的切削加工性能。RE含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.04％，则由于夹杂物增多，反而恶化钢的性能，因而控制其含量在0.005～0.04％。

此外，为了进一步获得优异的胀断性能，通过大量研究分析发现，C、P、B三个元素还需进行合适的复合添加，即其含量还需满足脆性参数λ关系式：0.60≤C(％)+3P(％)+50B(％)≤1.0。当λ值小于0.60时，尽管单个C、P、B元素的含量可能均在上述最适范围内，仍不能够获得优异的胀断性能；当λ值大于1.0时，则作用饱和，且恶化钢的热加工性。

本发明钢可采用电弧炉或转炉+炉外精炼冶炼，浇铸成钢锭或连铸成坯，然后轧制成棒材等产品。本发明钢棒材通过锻造成连杆毛坯，在随后的胀断过程中连杆大头孔不产生明显的塑性变形，即完全满足连杆胀断工艺的要求。

本发明与现有技术相比，本发明钢具有低塑性、优异胀断性能和疲劳性能，适用于制作抗拉强度800MPa级以上的胀断连杆。

附图说明

图1为胀断变形实验用试样图的主视图。

图2为胀断变形实验用试样图的俯视图。

图3为发明钢的典型铁素体+珠光体金相组织照片。

具体实施方式

根据上述所设计的化学成分范围，在50kg真空感应炉上冶炼了4炉本发明钢和4炉对比钢，其具体化学成分如表1所示。其中炉号1～4#为本发明钢，炉号5～8#为对比钢。钢水浇铸成锭，并经锻造制成棒材和板材。从棒材和板材上取样加工成标准室温拉伸试样(L₀＝5d₀，d₀＝5mm)、夏比冲击试样(10×10×55mm)、旋转弯曲疲劳试样(标距段直径5.97mm，长度30mm)及模拟胀断性能试样(见附图)。

试样在室温下进行拉伸、冲击、疲劳及模拟胀断试验。所得结果列入了表2。

从表2可以看出，本发明钢在锻态的抗拉强度均在900MPa以上，冲击功值均在10J，脆性断面率100％，脆性参数均在0.60与1.0之间，模拟胀断变形量小，同时具有优异的疲劳性能。对比钢D7由于碳含量过低和脆性参数小于0.60，不能够获得100％的脆性断面，胀断性能差；对比钢D8由于Si含量偏低，使得胀断性能较差；对比钢D9由于P含量低使得脆性参数小于0.60，不能够获得100％的脆性断面，胀断性能差；对比钢D10由于V含量过低，使得疲劳性能较差；对比钢D11由于未加B，使得胀断性能较差。采用传统工艺制造连杆的C12钢胀断性能很差，不满足胀断工艺的要求，传统胀断连杆用钢高碳钢C13则尽管胀断性能尚可，但疲劳性能很差。这表明，本发明钢具有优异的胀断性能及疲劳性能，即能够兼顾重要连杆对胀断工艺性及疲劳性能的要求。

表1本发明实施例和对比钢的化学成分比较(重量％)

表2本发明实施例和对比钢的强度、塑性、疲劳性能及胀断性能的比较

注：*模拟胀断变形量为附图

圆孔在胀断前后直径的变化值。

Claims

1.一种胀断连杆用中碳非调质钢，其特征在于，化学成分重量％为：C0.35～0.55％，Si 0.40～0.80％，Mn 0.80～1.50％，P 0.04～0.15％，S 0.03～0.10％，Cr 0.10-0.50％，V 0.05～0.25％，B 0.0005～0.006％，Ti 0.01～0.10％，Al 0.005～0.05％，N 0.005～0.020％，RE 0.005～0.04％，余为Fe和其它不可避免的杂质，同时，C、P、B含量还需满足脆性参数关系式：0.60≤C(％)+3P(％)+50B(％)≤1.0；金相组织为：铁素体+珠光体。