CN105369124A - 适合性能差异化控制的高强度非调质钢及锻件制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种适合性能差异化控制的高强度非调质钢及锻件制造方法，属于合金钢技术领域。该钢的具体化学成分重量％为：C0.35～0.50％,Si0.50～0.80％,Mn0.90～1.30％,P≤0.035％,S0.04～0.08％,Cr0.10～0.30％,V0.20～0.40％，Nb0.01～0.10％,Ti0.03～0.15％，Al≤0.030％，N0.008～0.020％，RE0.005～0.04％，余为Fe和其它不可避免的杂质；V、Nb、Ti含量满足强化关系式：0.90％≤3V(％)+2Ti(％)+Nb(％)≤1.20％。主要适用于制作抗拉强度950MPa级以上的连杆等锻件。与现有技术相比，不仅性能可进行差异化调控，而且强度高，疲劳性能优良，经过锻造后，可用来制作高性能连杆等锻件，具有优异的综合性能。

Description

适合性能差异化控制的高强度非调质钢及锻件制造方法
技术领域
本发明属于合金钢技术领域，特别是提供了一种适合性能差异化控制的高强度非调质钢及锻件制造方法，具有性能可调控、高强度和优异疲劳性能，适用于制作抗拉强度950MPa级以上的高性能连杆等锻件。
背景技术
在实际应用中，一个锻件中不同部位性能要求不同的情况较多。例如，对于连杆的大头和小头部位，需要进行较多的切削加工，要求强度和硬度不能超过一定值，以满足切削等加工性的要求；而工字筋部位加工量很少，且尺寸小，为连杆薄弱部位，则要求该部位的强度、硬度和韧性尽可能高，以获得优异的疲劳性能等服役性能，从而保证连杆的使用安全性、轻量化及能够承受更高的设计应力。然而，受材料设计及加工能力的限制，连杆等零件选材通常以首先保证危险截面的使用性能为基础，锻件所有部位的性能尽可能均一化。该方法在一定程度上保证了零件在使用过程中的安全性和稳定性，但却因强度和硬度过高会导致连杆大头和小头的切削加工难题，从而极大地限制了连杆强度水平的进一步提高。尽管进一步提高钢中的硫含量有助于改善切削加工性，但过高硫含量会带来冶炼、夹杂物控制、韧性恶化等一系列难题。因此，目前的连杆技术存在高强度化与低加工性的矛盾，其强度水平基本控制在900MPa级以下，无法满足发动机进一步减量化、高性能化和使用安全性的需求。此外，现有技术非调质钢的微合金化元素含量低，尽管采用差异化控制冷却技术可获得一定程度的性能调控，但其调控幅度有限，难以满足更高性能连杆等锻件的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合性能差异化控制的高强度非调质钢及锻件制造方法，性能可差异化调控的、具有高强度和优异疲劳性能，可用来制作抗拉强度950MPa级以上的高性能连杆。
本发明钢的具体化学成分(重量％)如下：C0.35～0.50％,Si0.50～0.80％,Mn0.90～1.30％,P≤0.035％,S0.04～0.08％,Cr0.10～0.30％,V0.20～0.40％，Nb0.01～0.10％,Ti0.03～0.15％，Al≤0.030％，N0.008～0.020％，RE0.005～0.04％，余为Fe和其它不可避免的杂质；此外，V、Nb、Ti含量还需满足强化参数关系式：0.90％≤3V(％)+2Ti(％)+Nb(％)≤1.20％。
本发明所仍以应用范围最广、应用量占主导地位的铁素体+珠光体型非调质钢为基础。然而，对于传统的铁素体+珠光体组织，由于软相铁素体的硬度偏低，如其含量过高则无法保证获得高的强度水平；通过提高高硬度的珠光体相的含量(如提高钢中碳含量和增加锻后冷却速度)尽管可获得高的强度水平，但珠光体组织的韧性和切削性差。对此，本发明通过优化钢材的化学成分，并在锻造及锻后冷却过程中采取措施控制微合金化元素碳氮化物M(C,N)的析出程度及铁素体相的硬度、含量和尺寸等，从而实现性能的差异化调控，具有技术措施包括：(1)优化钢中微合金化元素V、Nb、Ti含量，其中V含量从传统非调质钢的≤0.15％提高到≥0.20％，且0.90％≤3V(％)+2Ti(％)+Nb(％)≤1.20％，从而有利于在锻造及锻后冷却过程中通过控制微合金元素碳氮化物相M(C,N)的析出强化效果而实现性能的差异化调控。(2)提高钢中N元素含量，以促进微合金元素碳氮化物的析出；(3)增加钢中Si元素含量，使铁素体相进一步固溶强化；(4)优化锻造及锻后冷却工艺，即将终锻温度控制在1050～950℃，锻后进行差异化控制冷却(强化部位的冷速为100～150℃/min，而其它部位的冷速40～90℃/min)到550～500℃落入料箱堆冷(缓冷)到室温。
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0.50％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的作用。对此，Si元素含量需在0.50％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1.30％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0.90～1.30％。
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。所以控制P的含量在0.035％以下。
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0.04～0.08％。
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0.10～0.30％。
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外，还可明显提高钢的疲劳性能。V含量小于0.20％难以起到上述作用，但含量超过0.40％则作用饱和，且增加钢的成本。因此控制其含量在0.20～0.40％。
Ti：Ti优先与钢中N结合生成TiN而抑制晶粒粗化，有利于获得细小的组织；在控冷过程中析出细小的TiC可起析出强化的作用。因而控制其含量在0.03～0.15％。
Nb：Nb元素的作用与Ti类似，其阻止形变奥氏体回复、再结晶的作用较Ti强烈。Nb与V复合加入有利于获得良好的强韧性配合。因而控制其含量在0.01～0.10％。
Al：与Ti元素一样，优先与钢中N结合而生成AlN，有利于细化晶粒。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在非调质钢中的作用主要是加强析出强化的效果和细化晶粒，为此N含量需在0.008％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0.008～0.020％。
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析出强化和细晶强化效果，通过大量研究分析发现，V、Ti、Nb三个元素还需进行合适的复合添加，即其含量还需满足强化参数Δ关系式：0.90％≤3V(％)+2Ti(％)+Nb(％)≤1.20％。当Δ值小于0.90％时，尽管单个V、Ti、Nb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析出强化效果；当Δ值大于1.20％时，则作用饱和，且恶化钢的热加工性。现有技术非调质钢的微合金化元素含量低，强度水平和疲劳性能均较低，尽管采用差异化控制冷却技术可获得一定程度的组织性能调控，但其调控程度有限，难以满足高性能连杆的需求。
本发明适合性能差异化控制的高强度非调质钢锻件的制造方法如下：
为了在锻件中实现性能的差异化控制，需优化锻造及锻后冷却工艺，即将终锻温度控制在1050～950℃，锻后进行差异化控制冷却(如强化连杆工字筋部位的冷速为100～150℃/min(强化冷却))：强化部位的冷速为100～150℃/min，其它非强化部位的冷速40～90℃/min，到550～500℃落入料箱堆冷到室温。
较低的终锻温度及工字筋部位较快的冷速可获得大量细小弥散的M(C,N)相，并获得细小的微观组织，达到最大程度的强化(析出强化+细晶强化)；而对于要求保证机械加工性的连杆的大、小头部(非定制强化部位)，则采用较慢冷却速度，此时析出的微合金化元素的碳氮化物和组织均比较粗大，其析出强化和细晶强化的效果便明显较小。因此，利用锻件不同部位碳氮化物析出状态的差异，便可使连杆的工字筋杆部与大、小头部的强度产生一定差异，从而解决了高强度化与低加工性的矛盾。
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。本发明钢棒材通过控制锻造和控制冷却(强化冷却、缓慢冷却)成连杆毛坯，即完全满足连杆同时具有高强度化和良好加工性的要求。
本发明与现有技术相比，本发明钢具有性能可差异化调控、高强度和优异疲劳性能，适用于制作抗拉强度950MPa级以上的高性能连杆。
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6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D1～D6#为本发明钢，炉号E1～E4#为对比钢，F1、F2为工业生产的现有钢。钢水浇铸成锭，并经锻造和控制冷却制成棒材。从棒材上取样加工成标准室温拉伸试样(l0＝5d0，d0＝5mm)、旋转弯曲疲劳试样(标距段直径5.97mm，长度30mm)。
试样在室温下进行拉伸、疲劳试验。所得结果列入了表2。
从表2可以看出，本发明钢的强化参数在0.90％～1.20％之间，强化冷却后的抗拉强度均在950MPa以上，具有十分优异的疲劳性能(疲劳极限大于550MPa)；本发明钢在缓慢冷却后的抗拉强度均在800～900MPa之间，从而保证具有良好的切削加工性能，同时仍具有较好的强度特别是疲劳性能(疲劳极限大于400MPa)。对比钢和现有钢的强化参数在0.90％以下，在强化冷却后的抗拉强度均在900MPa以下，缓慢冷却后的抗拉强度在800MPa以下，且疲劳性能较差，无法满足高性能连杆的要求。这表明，本发明钢通过差异化锻后冷却能够实现性能的调控，同时可获得优异的疲劳性能，即能够兼顾重要连杆对强度、疲劳性能及切削加工性的要求。
采用该发明钢(强化参数1.02％)进行了连杆锻件的制造。对连杆的杆部(工字筋)进行了强化冷却，而对连杆大头和小头进行缓冷冷却。实测连杆杆部的硬度300～315HV5(约合抗拉强度990～1030MPa)，连杆大头和小头的硬度255～275HV5(约合抗拉强度840～900MPa)。连杆杆部高的硬度水平保证了连杆能够承受高的服役应力；大头和小头部位较低的硬度又保证良好的切削加工性，保证获得优异的加工精度。
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、塑性及疲劳性能比较

Claims (2)

1.适合性能差异化控制的高强度非调质钢，其特征在于，体化学成分重量％为：C0.35～0.50％,Si0.50～0.80％,Mn0.90～1.30％,P≤0.035％,S0.04～0.08％,Cr0.10～0.30％,V0.20～0.40％，Nb0.01～0.10％,Ti0.03～0.15％，Al≤0.030％，N0.008～0.020％，RE0.005～0.04％，余为Fe和其它不可避免的杂质；此外，V、Nb、Ti含量还需满足强化参数关系式：0.90％≤3V(％)+2Ti(％)+Nb(％)≤1.20％。
2.一种权利要求1所述的适合性能差异化控制的高强度非调质钢锻件的制造方法，其特征在于，将终锻温度控制在1050～950℃，锻后进行差异化控制冷却：强化部位的冷速为100～150℃/min，其它非强化部位的冷速40～90℃/min，到550～500℃落入料箱堆冷到室温。
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