CN112222204A - 一种发动机非调质连杆用钢的轧制方法和锻件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机非调质连杆用钢的轧制方法和锻件的制造方法。连铸坯通过二火成材，其中一火采用高温扩散加热工艺，控制总加热时间240～360min，其中高温段加热时间不少于100min的加热方式来对材料中的偏析元素进行充分扩散，第二火轧制时采用控轧控冷工艺，其锻件的制法包括下料、感应加热、和控制冷却，感应加热温度为1200～1230℃，控制风冷线上冷却速度3～4.5℃/S，控制锻造毛坯下风冷线温度580～620℃等条件的限定有效细化了连杆的晶粒度，提高了材料的强度、韧性和塑性，防止了异常组织产生，并防止表面划伤等缺陷产生，降低铁素体比例，获得了良好的经济效益和环境效益。

Description

一种发动机非调质连杆用钢的轧制方法和锻件的制造方法

技术领域

本发明涉及发动机非调质连杆生产技术领域，尤其涉及一种发动机非调质连杆及用钢的制造方法和其锻件的制造方法。具体的说是一种发动机非调质连杆用钢的控轧控冷工艺及其锻件的控制加热、控制冷却工艺。

背景技术

发动机是汽车的一个最重要部件，而连杆又是发动机内部的一个关键零件，是发动机用来传递动力的关键组件之一，它的工作环境不仅承受着高温、高压，还一直承受着燃料燃烧产生的气体施加在连杆上的交变载荷，同时燃料燃烧产生冲击力通过活塞传递给连杆，连杆把活塞的直线往复运动转化为曲轴的旋转运动，通过曲轴向外输出功率。由连杆的工作过程可以看到，连杆受力极为复杂，不仅要承受拉力、压力、摩擦力以及惯性力等，还要承担振动、弯矩和扭矩等交变载荷。

传统的发动机连杆使用40Cr、42CrMo等合金结构钢，需要经过热处理并采用切断技术，不仅加工工艺复杂，尺寸精度差，而且热处理能耗高，环境污染严重，为了降低能耗，保护环境，提高生产效率，从而降低生产成本，提高企业经济效益，非调质连杆得到了广泛运用，与调质钢材料相比，非调质连杆减少了调质热处理工艺过程，同时采用胀断技术代替了切断技术，装配精度更高，发动机性能更稳定，最先发展的非调质钢为C70S6等高碳钢，但是随着汽车轻量化及发动机使用寿命的要求不断提高，近年来36MnVS4、46MnVS6等更高强度等级的非调质胀断连杆用钢得到了快速发展。

46MnVS6虽然综合性能优于C70S6高碳非调质钢，但是其易偏析元素多(如C、P、S、Mn等)，在随后的轧制与锻造过程易出现组织不均的质量问题，最终影响连杆的胀断性能，因此制造难度更大，随着深入研究，46MnVS6轧制工艺生产的超声探伤合格率、低倍组织难以进一步改善，所以如何改善上述性能的同时还需保证连杆坯组织均匀，表面脱碳及表面缺陷也能得到了有效控制的综合性能，这也成为行业的一大难点，此外，目前生产46MnVS6组织中的铁素体目前较好的情况下也仅能达到10-15％，难以进一步降低，如何得到一种46MnVS6生产工艺，不仅能解决上述问题，还能将铁素体比例控制在很低比例下，这是本申请所要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使非调质胀断连杆用钢46MnVS6组织均匀的高温扩散二火成材工艺、晶粒细化的控轧控冷工艺，同时提供了一种其锻件连杆毛坯的锻造加热及冷却的工艺，最终得到的连杆毛坯其组织均匀，且无异常组织出现，表面脱碳及表面缺陷得到了有效控制、连杆的最终使用性能：胀断性能与疲劳寿命得到大幅度提高。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种发动机非调质连杆用钢的轧制工艺，其特征在于该工艺包括加热炉加热、开坯轧制、中间坯精整、中间坯加热、二火轧制、冷却、无损探伤，轧制步骤如下：

(1)加热炉加热：采用280*320断面连铸坯，最终轧制圆钢尺寸为Φ35～42mm，从而控制轧制压缩比≥70；

连铸坯采用高温扩散加热，其加热工艺参数为：加热二段炉温控制1180～1230℃，加热一段炉温控制950～1100℃，均热段炉温1180～1230℃，控制预热段加热温度≤850℃，控制总加热时间240～360min，其中高温段加热时间即加热二段+均热段总加热时间不少于100min的加热方式，以便对C、P、S、Mn等易偏析元素进行充分均匀化扩散，从而保证材料性能的一致性；这里的高温扩散加热的具体工艺参数是根据钢种特性及性能要求而选择的，超过上述限定的范围，会导致不利的影响。

(2)采用高压水除鳞，除鳞压力不低于18MPa，以便充分去除铸坯长时间高温加热后产生的氧化铁皮；

(3)开坯轧制：控制开轧温度1080～1150℃，终轧温度1000～1080℃，控制锯切温度不低于550℃，得到160*160mm断面轧坯，轧后对轧坯进行避风堆冷；

(4)轧坯精整：为控制轧材最终的脱碳层深度与表面质量，对轧坯进行剥皮处理，要求单边剥皮深度1.2～1.8mm；

(5)第二火加热：160*160断面轧坯采用低温加热工艺，其参数为：控制加热二段炉温930～1030℃，加热一段炉温1100～1170℃，均热段炉温1100～1170℃，预热段加热温度800～900℃，控制总加热时间130～220min，第二火轧制采用短时间加热方式；工艺参数是根据钢种特性及性能要求，在该条件的限定下才能达到控制圆钢表面脱碳层深度并提高表面质量的作用。

(6)第二火轧制：采用控轧控冷工艺，具体工艺为：控制开轧温度1030～1100℃，控制终轧温度840～900℃，控制上冷床温度820～880℃，轧后对轧材进行避风堆冷；提高了轧材表面质量并得到细晶粒组织的作用。

(7)轧材无损探伤检测：对轧材进行探伤，其中内伤按照“GB/T 4162标准锻轧钢棒超声波检验方法”进行检测，并要求符合A级质量等级，表伤按照“GB/T 32547圆钢漏磁检测方法”检测，并符合0.2mm精度要求。

对上述轧制后得到发动机非调质连杆用钢制造锻件的方法，包括下料、感应加热、锻造、控制冷却，步骤如下：

(1)下料后圆钢采用感应加热方式，加热温度1200～1230℃，此温度既能保证V、Nb等强化元素能够充分固溶析出，起到沉淀强化的作用，从而提高材料的强度，又可以防止加热温度过高造成晶粒粗大，影响材料的使用性能；

(2)加热后进行锻造，控制终锻温度900～950℃，锻造成连杆毛坯；

(3)控制冷却：锻造结束后进行冷却，在风冷线上进行冷却，通过调节风冷速度3～4.5℃/S，控制下风冷线温度580～620℃，然后将毛坯放入料框中进行避风堆冷，控制冷却速度≤1.5℃/S，通过合适的冷却得到优良的细片状珠光体加铁素体组织，防止出现贝氏体及马氏体非平衡状态的异常组织，并控制铁素体比例≤10％。

本发明的有益效果是：

传统生产46MnVS6钢均采用一火成材工艺，而目前存在的二火材的冶炼工艺难以适用于46MnVS6钢成分的生产，且往往二火加热会带来脱碳超标的风险，而本发明通过各工艺步骤参数的选择，不仅解决该问题，还能提高46MnVS6钢成分组织的均匀性，在稳定强度的同时，提高胀断性能。最终采用本发明制造而成的非调质连杆锻件，表面质量优良，表面脱碳层得到有效控制，在达到了连杆相关技术要求的同时，有效细化了连杆的晶粒度，并得到了优良的显微组织，提高了材料的强度、韧性，提高了连杆的综合力学性能，从而使得胀断性能与连杆疲劳寿命得到了极大的提高。本发明做了如下努力工作：

①、该非调质钢采用280*320断面轧制成Φ35～42mm规格圆钢，控制圆钢压缩比不小于70；此外采用二火成材工艺，开坯轧制时采用高温加热工艺，并确保高温段加热时间，从而使得材料中的C、Mn、P、S等易偏析元素得到扩散，材料成分得到均匀，防止带状组织超标，同时也防止因成分偏析造成的局部成分过高，然后在随后的轧制、锻造的冷却过程出现非平衡态组织。

②、开坯轧制后对160*160断面轧坯进行剥皮处理，同时第二火轧制时采用较低温并缩短加热时间的模式加热，均可以防止脱碳层超标。

③、第二火轧制采用控轧控冷方式，可以有效防止表面擦伤缺陷出现，同时可以细化晶粒，得到强度与塑性优良的组织。

④、锻造选用合适的加热温度，既可以使碳化钒、碳氮化钒、碳化铌等碳化物能够充分固溶析出，起到沉淀强化的作用，从而提高材料的强度，又可以防止因加热温度过高造成晶粒粗大。

⑤、锻后选用合适的冷却速度，既可以防止马氏体、贝氏体非平衡态异常组织出现，又可以抑制先共析铁素体析出，得到了优良的细片状珠光体组织。

通过上述协同努力，不仅防止了表面缺陷的出现，同时控制了脱碳层深度、得到了细片状珠光体加铁素体的优良组织，且铁素体比例不超过10％，提高了材料的强韧性力学性能与胀断使用性能。

具体实施方式

实施例中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。下述仅为本发明的较好实施方式，并不用以限制本发明。

实施例

以发动机非调质连杆用钢46MnVS6圆钢(Φ38.0mm)(wt.％:C0.44～0.47％，Si0.52～0.62％，Mn 1.20～1.28％，S 0.045～0.060％，V 0.14～0.16％，Nb 0.022～0.038％，Cr 0.18～0.26％，Ni 0.11～0.15％，N 0.012～0.021％)的生产为例说明：

轧钢及锻造工艺流程：加热炉加热—开坯轧制—中间坯精整—中间坯加热—第二火轧制—冷却—无损探伤—下料—感应加热—锻造—控制冷却。

1、开坯加热；

断面为280*320mm连铸方坯在空煤气双蓄热式加热炉内加热，其加热温度控制为：加热二段炉温1180～1230℃；加热一段炉温950～1050℃；均热段1190～1220℃，控制预热段加热温度≤850℃(实施例优选780～840℃)，控制总加热时间240～360min，其中高温段加热时间即加热二段加均热段总加热时间100～120min的加热方式。

2、开坯轧制；

开坯轧制：控制开轧温度1080～1150℃，终轧温度1000～1080℃，控制锯切温度不低于550℃(实施例优选560～620℃)。

3、二火轧制加热：

剥皮处理后的160*160断面轧坯，其加热温度控制为：加热二段炉温930～1030℃；加热一段炉温1100～1170℃；均热段炉温1100～1170℃，预热段加热温度800～900℃，控制总加热时间140～180min，二火轧制采用短时间加热方式。

4、二火轧制

采用控轧控冷工艺，实施工艺为：开轧温度1030～1080℃，终轧温度840～890℃，控制上冷床温度820～870℃，得到Φ38mm规格圆钢，轧后避风堆冷，待冷至室温后对圆钢进行探伤检测。

5、连杆毛坯锻造

下料后圆钢采用感应加热方式，加热温度1200～1230℃，加热后进行锻造，控制终锻温度900～950℃，锻造结束后对连杆毛坯在风冷线上进行吹风冷却，并调节风冷速度3～4.5℃/S，控制下风冷线温度580～620℃，然后将毛坯放入料框中进行避风堆冷，控制堆冷的冷却速度≤1.5℃/S(优选0.50～1.4℃/S)。

采用以上工艺制备五个批次圆钢并对应加工成五个批次的连杆毛坯，具体不同的条件见表1，其它工艺参数均相同。

表1

对比例1

对比例1与实施例1相比，区别在于：开坯轧制时加热扩散工艺不同，其中均热段炉温度为1130～1150℃，控制总加热时间为200min，其中高温段加热时间即加热二段加均热段总加热时间为80～90min的加热方式，其它操作同实施例1。

对比例2

对比例2与实施例1相比，区别在于：第二火轧制时采用控轧控冷工艺不同，控制终轧温度为930～940℃，控制上冷床温度为900～920℃，其它操作同实施例1。

对比例3

对比例3与实施例1相比，区别在于：终锻温度控制在1150～1180℃，其它操作同实施例。

对比例4

对比例4与实施例1相比，区别在于：控制下风冷线温度为200℃，其它操作同实施例。

(1)本发明实施例生产的五个批次的圆钢和对比例1～4理化性能指标对比如下表2：

表2非调质连杆用钢理化性能指标对比情况

(2)制作的连杆锻件力学性能指标及使用性能对比情况如下表3：

表3非调质连杆力学性能及使用性能指标

结果表明：通过采用二火成材工艺，其中第一道开坯第轧制采用高温长时间加热的模式，第二道轧制时采用控轧控冷工艺，锻造过程采用高温短时间加热模式，并在风冷线上实现控冷，最终实现了发动机非调质连杆及其锻件的成功生产，连杆毛坯的屈服强度达到860MPa以上，抗拉强度1032MPa以上，铁素体比例控制在8％以下，相比于常规工艺生产的铁素体含量得到明显降低，连杆胀断掉渣率控制在0.3％以下，说明钢组织均匀性显著改善，其强度水平及最终使用性能达到了国际先进水平。

Claims (9)

1.一种发动机非调质连杆用钢的轧制方法，其特征在于：该工艺为加热炉加热、开坯轧制、中间坯精整、中间坯加热、二火轧制、冷却、无损探伤，具体轧制步骤如下：

(1)第一火轧制时对连铸坯采用高温扩散加热，加热二段炉温控制1180～1230℃，加热一段炉温控制950～1100℃，均热段炉温1180～1230℃，控制预热段加热温度≤850℃，控制总加热时间240～360min：

(2)采用高压水除鳞；

(3)开坯轧制：控制开轧温度1080～1150℃，终轧温度1000～1080℃，控制锯切温度不低于550℃，得到断面轧坯，轧后对轧坯进行避风堆冷；

(4)轧坯精整：对轧坯进行剥皮处理；

(5)第二火加热：将断面轧坯采用加热工艺参数为：控制加热二段炉温930～1030℃，加热一段炉温1100～1170℃，均热段炉温1100～1170℃，预热段加热温度800～900℃，控制总加热时间130～220min；

(6)第二火轧制，采用控轧控冷工艺：控制开轧温度1030～1100℃，控制终轧温度840～900℃，控制上冷床温度820～880℃，轧后对轧材进行避风堆冷；

(7)轧材无损探伤检测，得到探伤合格的轧材。

2.根据权利要求1所述的发动机非调质连杆用钢的轧制方法，其特征在于：所述步骤(1)高温扩散加热工艺中，加热二段和均热段总加热时间不少于100min。

3.根据权利要求1所述的发动机非调质连杆用钢的轧制方法，其特征在于：所述连铸坯成分为46MnVS6，轧制采用280*320断面连铸坯，最终轧制圆钢尺寸为Φ35～42mm，从而控制轧制压缩比≥70。

4.根据权利要求1所述的发动机非调质连杆用钢的轧制方法，其特征在于：步骤(4)对轧坯进行剥皮处理，要求单边剥皮深度1.2～1.8mm。

5.根据权利要求1所述的发动机非调质连杆用钢的轧制方法，其特征在于：步骤(7)对轧材进行探伤，其中内伤按照A级标准，表伤按照0.2mm精度，得到探伤合格的轧材。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述轧制方法得到发动机非调质连杆用钢制造锻件的方法，其特征在于：锻件的方法为下料、感应加热、锻造、控制冷却，具体步骤为：

(1)下料后圆钢采用感应加热方式；

(2)加热后进行锻造，并控制终锻温度，锻造成连杆毛坯；

(3)控制冷却：锻造结束后进行冷却，在风冷线上进行冷却，通过调节风冷速度3～4.5℃/S，控制下风冷线温度580～620℃，然后将毛坯放入料框中进行避风堆冷，控制冷却速度≤1.5℃/S。

7.根据权利要求6所述的发动机非调质连杆用钢制造锻件的方法，其特征在于：步骤(1)感应加热温度为1200～1230℃。

8.根据权利要求6所述的发动机非调质连杆用钢制造锻件的方法，其特征在于：步骤(2)控制终锻温度900～950℃。

9.根据权利要求6所述的发动机非调质连杆用钢制造锻件的方法，其特征在于：发动机非调质连杆用钢锻件金相组织中铁素体比例≤10％。