CN110343954B

CN110343954B - 一种汽车发动机连杆用钢及其制造方法

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Publication number: CN110343954B
Application number: CN201910617477.7A
Authority: CN
Inventors: 刘年富; 左文瑞; 钟芳华; 周成宏
Original assignee: Baosteel Special Steel Shaoguan Co Ltd
Current assignee: Baowu JFE Special Steel Co Ltd
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: CN110343954A

Abstract

本发明提供了一种汽车发动机连杆用钢及其制造方法，所述连杆用钢的组分按重量百分比是：C：0.32%‑0.40%，Si：0.40%‑0.70%，Mn：0.80%‑0.95%，S:0.025%‑0.040%，P:0.030%‑0.045%，Cr：0.10%‑0.25%，Mo≤0.10%，Nb：0.08%‑0.20%，Ti:0.015%‑0.035%，Ni≤0.10%，N：0.012‑0.020%,O≤15×10^‑6，余下为Fe和不可避免的杂质；所述制造方法包括转炉冶炼‑炉外精炼‑连铸‑铸坯缓冷‑加热轧制。所述连杆用钢及其制造方法，能保证其抗拉强度大于1000MPa且屈服强度大于700 MPa，硫化物夹杂控制在3.0级以内，所述连杆钢还具备加工性能良好、涨断性能好、寿命长的特点。

Description

一种汽车发动机连杆用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于冶金制造技术领域，涉及一种连杆用钢的设计及其制造方法，具体的说是汽车发动机连杆用的一种非调质钢的制造生产。

背景技术

随着汽车制造的进步，汽车曲轴、连杆等零件对非调质钢材料的要求也不断提高，要求材料具有良好的加工工艺性能、高强度高韧性等。非调质钢主要依靠Nb、Ti、V等微量元素的加入结合后续锻造控冷工艺将零件的强度控制在一个合适的范围。

1994年04期的《汽车工艺与材料》的名为“35MnVS易切非调质钢”的文献，钢的主要成分控制为：0.33％～0.40％C，0.30％～0.60％Si，1.00％～1.40％Mn，≤0.039％P，0.035～0.075％S，0.06％～0.12％V。屈服强度实际控制在464-729.8MPa，抗拉强度控制在732-922MPa。可见，采用V细晶强化，很难稳定控制在屈服强度≥700MPa，抗拉强度在≥900MPa。

名为“36MnVS4涨锻连杆用钢冶炼工艺”的专利，其成分主要控制为：0.36％～0.38％C，0.65％～0.72％Si，0.98％～1.05％Mn，0.020-0.030％P，0.068～0.083％S，0.26％～0.28％V，0.015-0.020N，Cev控制在1.18-1.27。采用转炉-LF-VD-铸锭3.0t的生产工艺，轧制的圆钢硫化物夹杂物控制在2-2.5级，但专利未提及强度控制情况。

GB/T 15712非调质机械结构钢标准中，38MnV的主要成分控制为：0.34％～0.41％C，≤0.60％Si，1.20％～1.60％Mn，≤0.035％P，0.035～0.075％S，≤0.30％Cr，0.08％～0.15％V。该产品也主要是通过添加一定含量的Mn及微量的V，采取固溶强化、弥散强化等方式提高钢的强度。该产品的屈服强度要求≥620MPa，抗拉强度≥800MPa。标准要求的抗拉强度较低。

综上所述，目前主要采用V细化的成分设计，目前的非调质涨断连杆用钢的抗拉强度很难稳定控制在950MPa以上，而且由于添加了大量的硫元素，会形成级别较高的硫化物类夹杂物，虽然能在一定程度上改善加工性能，但是硫化物会成为裂纹源，降低连杆的使用寿命。在当前钢铁行业同质化竞争激烈的情况下，如何更好提高产品质量满足客户的要求将极大提升企业的竞争力。

发明内容

为克服上述的问题，本发明提供一种汽车发动机连杆用钢的制造方法，能保证其抗拉强度大于1000MPa且屈服强度大于700 MPa，硫化物夹杂控制在3.0级以内，所述连杆钢还具备加工性能良好、涨断性能好、寿命长的特点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种汽车发动机连杆用钢，其组分及其重量百分比是：C：0.32%-0.40%，Si：0.40%-0.70%，Mn：0.80%-0.95%，S:0.025%-0.040%，P:0.030%-0.045%，Cr：0.10%-0.20%，Mo≤0.10%，Nb：0.08-0.20%，Ti:0.015%-0.035%,Ni≤0.10%，N：0.012-0.020%； O≤15×10^-6，余下为Fe和不可避免的杂质。其具体生产方法包括如下步骤：

第一步：转炉冶炼，严格控制终点钢中游离氧、P含量，杜绝出钢下渣，将钢中游离氧控制在≤400ppm、P≤0.030%。

第二步：炉外精炼，取首个成分样后根据检测的钢水成分将钢中S调整至0.030%-0.038%；根据到站P含量情况，加入50-100Kg的磷铁合金；控制精炼渣碱度在2.0-3.0，确保炉渣流动性良好，同时控制好Ar气压，防止钢水翻滚严重造成卷渣；对钢水进行真空脱气处理，全程使用氩气作为环流气体，在小于0.060kPa真空度以下处理时间≥15min，为确保氮稳定可控，处理全程吹氮气增氮，将氮气流量控制在90±5Nm3/h；真空处理结束后补喂氮铬线增氮，喂入400-500m的氮化铬线；复压后Ca处理，喂入150m的纯钙线，确保硫化物充分改性；同时弱搅拌镇静，软吹氩时间≥30min，保证夹杂物充分上浮；

第三步：连铸，采用≤35℃的过热度、恒拉速、液面自动控制技术、结晶器电磁搅拌技术、凝固末端电磁搅拌技术，为防止硫化物偏聚，结晶器电磁搅拌采取弱搅拌，电磁强度控制在150A±50A/2.5Hz，而末端电磁搅拌采取中高强度搅拌，电磁强度控制在400A±50A/5Hz；二冷水采取强冷却控制。使用包括大包长水口氩封、中包浸入式水口、中包覆盖剂、结晶器保护渣的措施对钢水进行全程氩气保护浇注，防止钢水二次氧化；

第四步：为防止铸坯产生裂纹，连铸坯进行缓冷处理，要求铸坯入坑温度≥650℃，出坑温度≤200℃，缓冷时间＞72h。

第五步：加热轧制，对缓冷处理后的铸坯进行加热，控制预热段加热速率，预热段加热时间控制在60-100min；加热温度为1220±20℃，总加热时间≥220min，控制钢坯在高温段时间50-100min，使钢坯加热均匀且高温段时间不超长，铸坯出炉后采用高压水除鳞保证钢坯表面的氧化铁皮除干净。为充分发挥Nb合金细化晶粒的作用，要求轧制前6个道次的压下率较大，单道次压下率≥14%，同时确保终轧温度≥900℃。

本发明的有益效果是：1、LF造低碱度渣，有效提高钢的洁净度，降低钢中B、D类夹杂物级别；2、RH脱气过程全程使用氮气环流增氮，通过与钢中Nb、Ti反应生成TiN、Ti(C、N)、Nb（C、N），进一步细化晶粒，提高钢的强度；3、采用钙处理改变硫化物形态，控制连铸电磁搅拌工艺及二冷水强度，防止硫化物偏聚，有利于控制硫化物级别及形态，硫化物长宽比≤3.0的比例达到30-36%；4、连铸坯进行缓冷处理，有利于抑制铸坯裂纹；5、加入了一定含量的Nb和Ti,结合高的加热温度1220℃±20℃和大压下轧制工艺，以及较高的终轧温度≥900℃，形成大量的(Ti、Nb)（C、N）析出相钉扎晶界，进一步发挥Nb、Ti合金细化晶粒的作用，确保屈服强度达到700MPa、抗拉强度达到1000MPa以上；为获得良好的涨断性能，在钢中加入较高含量的P元素。采用本发明生产的低中碳连杆用钢具有强度高、强度稳定、硫化物级别低、涨断性能好、表面质量良好的优点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

一种汽车发动机连杆用钢及其制造方法，其组分及重量百分比(Wt%)是：C：0.32%-0.40%，Si：0.40%-0.70%，Mn：0.80%-0.95%，S:0.025%-0.040%，P:0.030%-0.045%，Cr：0.10%-0.20%，Mo≤0.10%，Nb：0.08-0.20%，Ti:0.015%-0.035%,Ni≤0.10%，N：0.012-0.020%； O≤15×10^-6，余下为Fe和不可避免的杂质。

本发明连杆用钢的主要化学成分设计（质量百分比）。

C：0.32-0.40%。C是保证连杆钢使用强度所必需的成分。C含量太低连杆用钢强度不够，且不能保证良好的低的韧性提高涨断性。因此，本发明确定C含量为0.32-0.40％，更优选地，C含量为0.34-0.39%。

Si：0.40%-0.70%。Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，Si含量太低对强度、硬度贡献太低。因此，本发明确定Si含量为0.40-070%，更优选地，Si含量为0.60-0.70%。

Mn：0.80%-0.95%。Mn能溶于铁素体，起到固溶强化的作用，可以部分地替代Cr和Ni等合金元素。因此，本发明确定Mn含量为0.80-0.95％，更优选地，Mn含量为0.85-0.95%。

Cr：0.10-0.20%。Cr在钢中可以增加淬透性，提高表面耐磨性，并改善钢的力学性能。此外，Cr还能使钢的热处理工艺稳定。Cr含量过低，无法保证钢的淬透性，Cr过高，钢的成本增加。因此，本发明确定Cr的含量为0.10-0.20%，更优选地，Cr含量为0.15-0.20%。

P：0.030-0.045%。P在钢中固溶强化和冷作硬化作用,虽然能提高钢的强度和硬度，但偏析严重会增加回火脆性，在冷加工中产生冷脆性，因此一般应严加控制，一般含量不大于0.03%。但是对于连杆用钢，一般要严格控制韧性，在钢中加入一定含量的P，有利于提高连杆加工的涨断性能。因此，本发明确定P的含量为0.030-0.045%，更有选地，P含量为0.030-0.040%。

S：0.025-0.040%。S在钢中一般会降低钢的延展性及韧性，损害钢的抗蚀性，对焊接也有不利影响等，认为是有害的。但是，在钢中加入一定含量的S，形成硫化物，通过控制其硫化物形态，反而有利于提高钢的切削加工性能。因此，本发明S含量为0.025-0.045%，更优选地，S含量为：0.030-0.040%。

N：0.012-0.020%。N在本发明的钢中主要和Ti、Nb作用生成TiN、(Nb、Ti)(C、N)粒子钉扎晶界，为了使iN、(Nb、Ti)(C、N)起到最佳的钉扎效果，避免粒子尺寸过大，从而影响钢材质量，需要严格控制Ti、Nb、N含量。为了生成足量的TiN、(Nb、Ti)(C、N)粒子，本发明将N含量控制在0.0120%以上，同时，氮含量过高，铸坯易形成皮下气泡，影响钢材质量，因此，将氮含量控制在0.0200%以下。更优选地，N含量控制在0.0140-0.0180%。

根据方案的设计，采取转炉冶炼、LF精炼和RH精炼及方坯连铸，将冶炼的几炉钢坯分别加热后轧制成50mm、60mm和65mm规格的圆钢，圆钢采取轧后堆冷的冷却方式冷至室温。取样检测圆钢的化学成分、性能及组织情况，成分检测结果如表1所示，性能及组织情况如表2所示。

表1 汽车发动机连杆用钢化学成分控制结果（Wt，%）

表2 汽车发动机连杆用钢组织、性能结果

制备的连杆用圆钢的化学成分控制稳定，实际晶粒度好，强度高且稳定，气体含量控制较低，A类夹杂物级别低、硫化物长宽比≤3.0的比例达到30-36%；涨断性能较好，加工的连杆涨断报废比率≤0.3%。

Claims

1.一种汽车发动机连杆用钢的制造方法，其特征在于，该汽车发动机连杆用钢的组分按重量百分比是：

C：0.32％-0.40％，Si：0.40％-0.70％，Mn：0.80％-0.95％，S:0.025％-0.040％，P:0.030％-0.045％，Cr：0.10％-0.25％，Mo≤0.10％，Nb：0.08％-0.20％，Ti:0.015％-0.035％，Ni≤0.10％，N：0.012-0.020％,O≤15×10^-6，余下为Fe和不可避免的杂质；

制造方法包括如下步骤：

第一步：转炉冶炼，严格控制终点钢中游离氧、P含量，杜绝出钢下渣，将钢中游离氧控制在≤400ppm、P≤0.030％；

第二步：炉外精炼，取首个成分样后根据检测的钢水成分将钢中S调整至0.030％-0.038％；根据到站P含量情况，加入50-100Kg的磷铁合金；控制精炼渣碱度在2.0-3.0，确保炉渣流动性良好，同时控制好Ar气压，防止钢水翻滚严重造成卷渣；对钢水进行真空脱气处理，全程使用氩气作为环流气体，在小于0.060kPa真空度以下处理时间≥15min，为确保氮稳定可控，处理全程吹氮气增氮，将氮气流量控制在90±5Nm³/h；真空处理结束后补喂氮铬线增氮，喂入400-500m的氮化铬线；复压后Ca处理，喂入150m的纯钙线，确保硫化物充分改性；同时弱搅拌镇静，软吹氩时间≥30min，保证夹杂物充分上浮；

第三步：连铸，采用≤35℃的过热度、恒拉速、液面自动控制技术、结晶器电磁搅拌技术、凝固末端电磁搅拌技术，为防止硫化物偏聚，结晶器电磁搅拌采取弱搅拌，电磁强度控制在150A±50A/2.5Hz，而末端电磁搅拌采取中高强度搅拌，电磁强度控制在400A±50A/5Hz；二冷水采取强冷却控制；使用包括大包长水口氩封、中包浸入式水口、中包覆盖剂、结晶器保护渣的措施对钢水进行全程氩气保护浇注，防止钢水二次氧化；

第四步：铸坯缓冷:铸坯入坑温度≥650℃，出坑温度≤200℃，缓冷时间＞72h；

第五步：加热轧制，对缓冷处理后的铸坯进行加热，控制预热段加热速率，预热段加热时间控制在60-100min；加热温度为1220±20℃，总加热时间≥220min，控制钢坯在高温段时间50-100min，使钢坯加热均匀且高温段时间不超长，铸坯出炉后采用高压水除鳞保证钢坯表面的氧化铁皮除干净；为充分发挥Nb合金细化晶粒的作用，要求轧制前6个道次的压下率较大，单道次压下率≥14％，同时确保终轧温度≥900℃。

2.一种如权利要求1所述的汽车发动机连杆用钢的制造方法，其特征在于，制造完成的汽车发动机连杆用钢将A类夹杂物控制在≤3.0级，且硫化物长宽比≤3的比列达到30-36％,B类和D类夹杂物≤1.0级。

3.一种如权利要求2所述的汽车发动机连杆用钢的制造方法，其特征在于：制造完成的汽车发动机连杆用钢的组分按重量百分比：Nb：0.12-0.16％，Ti：0.015-0.025％，N：0.014-0.018％，Ti/N≥1、Nb/N≥5，(Ti+Nb)/N：8-12。