CN112372253B - 一种发动机非调质曲轴用钢及其锻件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机非调质曲轴用钢，以百分含量计，包含以下化学元素：C：0.37～0.42；Si：0.50～0.65；Mn：1.30～1.50；S：0.045～0.060；Ni：0.120～0.150；P：0.010～0.025；Cr：0.10～0.20；Mo：0.015～0.050；Cu：0.03～0.20；Ni：0.120～0.150；V：0.08～0.13；Al：0.010～0.015；Ti：≤0.010；N：≥150ppm；铝氮比≤1，钛氮比≤0.67。本发明还公开了一种发动机非调质曲轴用钢的锻件的制备方法。本发明增加了曲轴的强度，提高了其韧塑性，达到了提高曲轴的综合力学性能的目的。

Description

一种发动机非调质曲轴用钢及其锻件的制备方法
技术领域
本发明涉及一种发动机非调质曲轴用钢及其锻件的制备方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
发动机的曲轴在工作时受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，因此要求发动机曲轴具有良好的力学性能。目前，非调质发动机曲轴已经广泛应用于汽车发动机中。同时，高端汽车发动机对非调质曲轴的晶粒度、组织铁素体含量、抗拉强度、屈服强度、硬度等综合力学性能具有很高的要求，传统曲轴锻造技术工艺已很难满足以上技术要求。故亟需一种发动机非调质曲轴用钢及其锻件的制备方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种发动机非调质曲轴用钢，配方中控制铝氮比≤1，钛氮比≤0.67，其目的是形成少量的TiN和AlN化合物，并确保有足够多的N参与形成V的化合物，使钢中的V充分起到沉淀强化和细晶强化的最佳效果；另外，足够多的N与V结合后能使钢中的C尽量多的固溶在奥氏体基体中，在相变过程中获得较多的珠光体，可进一步提高强度；由此实现钢中多种化合物的沉淀强化、细晶强化及组织强化的协同作用，提高钢的强韧性。
同时，本发明提供了一种发动机非调质曲轴用钢的锻件的制备方法，该法采用控轧控冷技术将含V、Al、N等元素的中碳微合金非调质钢轧制成棒材后对其进行锻造成形，采用一次大变形锻造成形技术，通过提高材料的锻造变形量来增加其形核率，细化锻后曲轴的晶粒，提高其强度、韧性和塑性；另外，本发明采用控冷工艺对切边后曲轴锻件进行冷却，通过控制曲轴不同温度范围内的冷却速度，来调整曲轴锻件的组织，从而进一步提高曲轴锻件的强度，使其满足高端汽车发动机曲轴的技术要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种发动机非调质曲轴用钢，以百分含量计，包含以下化学元素：C：0.37～0.42％；Si：0.50～0.65％；Mn：1.30～1.50％；S：0.045～0.060％；Ni：0.120～0.150％；P：0.010～0.025％；Cr：0.10～0.20％；Mo：0.015～0.050％；Cu：0.03～0.20％；Ni：0.120～0.150％；V：0.08～0.13％；Al：0.010～0.015％；Ti：≤0.010％；N：≥150ppm；铝氮比≤1，钛氮比≤0.67，余量为Fe。
一种发动机非调质曲轴用钢的锻件的制备方法，包括以下步骤：
S1、将上述化学元素熔炼为发动机非调质曲轴用钢；
S2、将发动机非调质曲轴用钢轧制成为90～100mm的棒材；
轧制工艺包括开轧、穿水冷却和终轧；轧制加热温度为1200～1250℃，开轧温度为1100～1130℃，终轧温度为950～1000℃；
S2轧制后所得棒材再重新加热至1200℃，保温15min后，其奥氏体晶粒度细于4.5级。
轧制是一种对钢材进行塑形变形的工艺，包括开轧、冷却、终轧等工序；一般会对钢材进行多道次的开轧、冷却和终轧。开轧：指钢材加热后开始轧制；开轧温度：是指坯料第一道次轧制时的温度；终轧：钢材完成最后一道次轧制；终轧温度：是指轧制结束时钢材的温度。
S3、将棒材加工为锻件；
加工方法包括下料、感应加热、锻造成形、切边和控制冷却；
感应加热的温度为1220～1250℃；
锻造成形包括始锻和终锻，始锻温度为1200～1220℃，终锻温度为1050～1100℃；
切边的温度为1000～1050℃；
将切边后锻件自Ar3温度以上分散于冷却线上，以1.5～2.5℃/s的冷速进行冷却，冷却至560～620℃进入保温罩缓冷，控制锻件在保温罩内以<0.3℃/s的冷速冷却至350～400℃后，将其在空气中冷却至室温。
所述锻件为曲轴锻件。
所述曲轴锻件为一次性锻造成形而成，锻造成形后曲轴锻件的主轴颈部位变形量为30～40％，曲轴锻件的连杆轴颈部位变形量为50～60％。
所述曲轴锻件的组织为珠光体+铁素体，所述曲轴锻件的连杆轴颈部铁素体含量为5～10％，晶粒度细于5.5级，抗拉强度大于900MPa，屈服强度大于580MPa，屈强比大于0.64，硬度大于280HB。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明采用适宜的轧制加热温度(即轧制加热温度为1200～1250℃，开轧温度为1100～1130℃，终轧温度为950～1000℃)，可保证钢材中TiN等高熔点第二相颗粒不发生溶解，在轧制加热时阻止奥氏体晶粒长大；并且可以使材料中的Al、V等微合金元素能够充分地固溶于奥氏体中，在轧制后冷却时以弥散、细小的颗粒状AlN、V(C，N)等第二相从基体中析出，在后续锻造加热时起到阻碍晶粒长大的作用，以此达到细化晶粒的作用。
2.终轧后所得棒材在经过锻造加热时其晶粒不会发生明显粗大。将终轧后所得棒材加热至1200℃，保温15min后空冷，检验其奥氏体晶粒度；进一步的，奥氏体晶粒度细于4.5级。
3.穿水冷却是指将经过轧制的棒材快速从水中穿过，使棒材快速冷却，其目的主要有以下两个：(1)控制钢材冷却过程中的组织状态，增大过冷度，降低变形奥氏体向铁素体和珠光体的相转变温度，以得到细铁素体和细片状珠光体组织；在不降低钢的韧性前提下进一步提高强度和综合力学性能；(2)在奥氏体未再结晶区终轧后进行快冷，将变形奥氏体中的亚结构等强化机制保持到相变后的组织中，以提高钢材强度和低温韧性。
4.本发明采用的一次性锻造成形工艺，可一次完成曲轴锻件的成形，具有较大的变形量，提高材料动态再结晶时的形核率，起到细化晶粒，增强锻件强度、韧塑性的作用。
5.所述感应加热的温度设为1220～1250℃，采用适宜的加热温度，可以使轧制后材料中析出的AlN、V(C，N)等第二相颗粒能够充分地固溶于奥氏体中，在后续锻造及冷却过程中能够细小、弥散地析出，从而达到细化晶粒及弥散强化的目的。
6.本发明的始锻温度为1200～1220℃；采用较高的始锻温度，可以使材料具有良好的塑性变形能力，降低变形抗力，有利于曲轴的一次性锻造成形；终锻温度为1050～1100℃；该终锻温度略低于AlN的析出温度，可以使析出的AlN在锻造变形及动态再结晶过程中被破碎并弥散分布，以此改变其分布形态，有效防止其在晶界处析出；而弥散、细小分布的AlN可起到阻碍再结晶晶粒长大的作用，同时较低的终锻温度也不利于再结晶晶粒的静态长大。
7.本发明的锻造成形是将经过轧制后的棒状钢材进行横向模锻，将其一次锻造成形后，曲轴主轴颈部位变形量为30～40％，连杆轴颈部位变形量为50～60％；采用足够的变形量可以使曲轴锻造时更易发生完全动态再结晶，并提高再结晶形核率，从而达到细化晶粒的作用。
8.本发明的切边和整形工序的温度为1000～1050℃，以确保锻件具有良好的热加工性能。该温度略高于V(C，N)的析出温度，在切边和整形工序之后，可以保证钢中的V(C，N)在以较快的冷却速度下细小、弥散地析出，进一步阻止奥氏体晶粒在相变前的长大。
9.本发明的控制冷却工序，将切边后工件自Ar3温度以上分散于冷却线上，以1.5～2.5℃/s的冷速快速冷却至冷却Ar1温度。此处在Ar3温度以上采用快冷可以防止奥氏体晶粒长大；在Ar3～Ar1温度之间快冷还可使伪共析珠光体析出，抑制铁素体的析出、细化珠光体片层间距，达到提高曲轴锻件强度的目的。之后再将冷却至560～620℃的曲轴锻件放入保温罩内进行缓冷，控制曲轴锻件在罩内以<0.3℃/s的冷速冷却至350～400℃。最后，将冷却至350～400℃的曲轴锻件在空气中冷却至室温。
10.本发明采用上述发动机非调质曲轴用钢及其锻件的制备方法制造的曲轴，所得曲轴锻件的组织为珠光体+少量铁素体，其连杆轴颈部铁素体含量为5～10％，晶粒度细于5.5级，抗拉强度大于900MPa，屈服强度大于580MPa，屈强比大于0.64，硬度大于280HB，具有良好的组织均匀性和较高的力学性。
综上所述，本发明采用含V、Al、N等元素的中碳微合金非调质钢棒材，对其进行一次大变形量锻造成形和控制冷却，将其锻造而成汽车发动机用曲轴，简化工序，节约生产成本，在细化其晶粒尺寸和珠光体片层间距的同时，控制其铁素体含量，增加曲轴锻件的强度、韧塑性，提高其综合力学性能。
本发明制备的曲轴锻件，能够通过控锻控冷工艺，采用一次性锻造成形技术，有效地细化了曲轴的晶粒度，简化生产工序，节约生产成本，增加了曲轴的强度，提高了其韧塑性，达到了提高曲轴的综合力学性能的目的；获得良好的经济效益、社会效益和环境效益。
附图说明
图1为本发明轧制后棒材经1200℃保温15min再空冷后的微观组织图(平均晶粒度4.5级)；
图2为本发明锻造所得曲轴锻件的微观组织图(平均晶粒度5.5级)；
图3为本发明锻造所得曲轴锻件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图以及实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种发动机非调质曲轴用钢，以百分含量计，含有化学元素C：0.38；Si：0.57；Mn：1.45；S：0.055；Ni：0.135；P：0.022；Cr：0.15；Mo：0.046；Cu：0.15；Ni：0.137；V：0.09；Al：0.012；Ti：0.010；N：177ppm，余量为Fe和杂质。其中，铝氮比＝0.68，钛氮比＝0.56。
一种发动机非调质曲轴用钢的锻件的制备方法，包括以下步骤：
S1、将上述化学元素熔炼为发动机非调质曲轴用钢；
S2、将发动机非调质曲轴用钢加热至1250℃；通过开轧、穿水冷却、终轧工序对材料进行轧制，开轧温度1130℃，终轧温度为1000℃，经轧制处理后所得棒材的直径为90～100mm；
S3、将上述终轧后所得棒材感应加热至1250℃；通过锻造成形工序对轧制后所得棒材进行锻造，始锻温度为1220℃，终锻温度为1100℃，锻造成形后曲轴主轴颈部位变形量为30～40％，连杆轴颈部位变形量为50～60％；锻造完成后进行切边和整形，工件切边后温度约为1050℃，将工件分散于冷速为2.28℃/s的冷却线上进行冷却，冷却至620℃进入保温罩缓冷，控制曲轴锻件在罩内以0.30℃/s的冷速冷却至400℃后，将其在空气中冷却至室温。
实施例2：
一种发动机非调质曲轴用钢，以百分含量计，含有化学元素C：0.38；Si：0.60；Mn：1.46；S：0.045；Ni：0.147；P：0.022；Cr：0.14；Mo：0.032；Cu：0.17；Ni：0.144；V：0.08；Al：0.010；Ti：0.010；N：166ppm，余量为Fe和杂质。其中，铝氮比＝0.60，钛氮比＝0.60。
一种发动机非调质曲轴用钢的锻件的制备方法，包括以下步骤：
S1、将上述化学元素熔炼为发动机非调质曲轴用钢；
S2、将发动机非调质曲轴用钢加热至1230℃；通过开轧、穿水冷却、终轧工序对材料进行轧制，开轧温度1110℃，终轧温度为980℃，经轧制处理后所得棒材的直径为90～100mm；
S3、将上述终轧后所得棒材感应加热至1230℃；通过锻造成形工序对轧制后所得棒材进行锻造，始锻温度为1200℃，终锻温度为1080℃，锻造成形后曲轴主轴颈部位变形量为30～40％，连杆轴颈部位变形量为50～60％；锻造完成后进行切边和整形，工件切边后温度约为1030℃，将工件分散于冷速为1.95℃/s的冷却线上进行冷却，冷却至590℃进入保温罩缓冷，控制曲轴锻件在罩内以0.28℃/s的冷速冷却至380℃后，将其在空气中冷却至室温。
实施例3：
一种发动机非调质曲轴用钢，以百分含量计，含有化学元素C：0.39；Si：0.65；Mn：1.38；S：0.056；Ni：0.136；P：0.022；Cr：0.15；Mo：0.025；Cu：0.18；Ni：0.137；V：0.08；Al：0.010；Ti：0.008；N：170ppm，余量为Fe和杂质。其中，铝氮比＝0.59，钛氮比＝0.47。
一种发动机非调质曲轴用钢的锻件的制备方法，包括以下步骤：
S1、将上述化学元素熔炼为发动机非调质曲轴用钢；
如图1所示，S2、将发动机非调质曲轴用钢加热至1220℃；通过开轧、穿水冷却、终轧工序对材料进行轧制，开轧温度1100℃，终轧温度为970℃，经轧制处理后所得棒材的直径为90～100mm；
S3、将上述终轧后所得棒材感应加热至1220℃；通过锻造成形工序对轧制后所得棒材进行锻造，始锻温度为1190℃，终锻温度为1070℃，锻造成形后曲轴主轴颈部位变形量为30～40％，连杆轴颈部位变形量为50～60％；锻造完成后进行切边和整形，工件切边后温度约为1000℃，将工件分散于冷速为1.86℃/s的冷却线上进行冷却，冷却至600℃进入保温罩缓冷，控制曲轴锻件在罩内以0.25℃/s的冷速冷却至370℃后，将其在空气中冷却至室温。
实施例4：
一种发动机非调质曲轴用钢，以百分含量计，含有化学元素C：0.38；Si：0.62；Mn：1.46；S：0.055；Ni：0.145；P：0.020；Cr：0.18；Mo：0.045；Cu：0.16；Ni：0.125；V：0.8；Al：0.011；Ti：0.010；N：170ppm，余量为Fe和杂质。其中，铝氮比＝0.65，钛氮比＝0.59。
一种发动机非调质曲轴用钢的锻件的制备方法，包括以下步骤：
S1、将上述化学元素熔炼为发动机非调质曲轴用钢；
S2、将发动机非调质曲轴用钢加热至1200℃；通过开轧、穿水冷却、终轧工序对材料进行轧制，开轧温度1100℃，终轧温度为950℃，经轧制处理后所得棒材的直径为90～100mm；
S3、将上述终轧后所得棒材感应加热至1220℃；通过锻造成形工序对轧制后所得棒材进行锻造，始锻温度为1200℃，终锻温度为1050℃，锻造成形后曲轴主轴颈部位变形量为30～40％，连杆轴颈部位变形量为50～60％；锻造完成后进行切边和整形，工件切边后温度约为1000℃，将工件分散于冷速为2.10℃/s的冷却线上进行冷却，冷却至600℃进入保温罩缓冷，控制曲轴锻件在罩内以0.23℃/s的冷速冷却至350℃后，将其在空气中冷却至室温。
实施例5：
一种发动机非调质曲轴用钢，以百分含量计，含有化学元素C：0.37；Si：0.50；Mn：1.30；S：0.060；Ni：0.120；P：0.010；Cr：0.10；Mo：0.015；Cu：0.03；Ni：0.120；V：0.13；Al：0.015；Ti：0.010；N：150ppm，余量为Fe和杂质。其中，铝氮比＝1，钛氮比＝0.67。
一种发动机非调质曲轴用钢的锻件的制备方法，包括以下步骤：
S1、将上述化学元素熔炼为发动机非调质曲轴用钢；
S2、将发动机非调质曲轴用钢加热至1230℃；通过开轧、穿水冷却、终轧工序对材料进行轧制，开轧温度1115℃，终轧温度为990℃，经轧制处理后所得棒材的直径为90～100mm；
S3、将上述终轧后所得棒材感应加热至1240℃；通过锻造成形工序对轧制后所得棒材进行锻造，始锻温度为1205℃，终锻温度为1055℃，锻造成形后曲轴主轴颈部位变形量为30～40％，连杆轴颈部位变形量为50～60％；锻造完成后进行切边和整形，工件切边后温度约为1025℃，将工件分散于冷速为1.5℃/s的冷却线上进行冷却，冷却至560℃进入保温罩缓冷，控制曲轴锻件在罩内以0.21℃/s的冷速冷却至365℃后，将其在空气中冷却至室温。
实施例6：
一种发动机非调质曲轴用钢，以百分含量计，含有化学元素C：0.42；Si：0.60；Mn：1.50；S：0.055；Ni：0.150；P：0.025；Cr：0.20；Mo：0.050；Cu：0.20；Ni：0.150；V：0.11；Al：0.013；Ti：0.008；N：160ppm，余量为Fe和杂质。其中，铝氮比＝0.81，钛氮比＝0.5。
一种发动机非调质曲轴用钢的锻件的制备方法，包括以下步骤：
S1、将上述化学元素熔炼为发动机非调质曲轴用钢；
S2、将发动机非调质曲轴用钢加热至1235℃；通过开轧、穿水冷却、终轧工序对材料进行轧制，开轧温度1125℃，终轧温度为975℃，经轧制处理后所得棒材的直径为90～100mm；
S3、将上述终轧后所得棒材感应加热至1235℃；通过锻造成形工序对轧制后所得棒材进行锻造，始锻温度为1215℃，终锻温度为1070℃，锻造成形后曲轴主轴颈部位变形量为30～40％，连杆轴颈部位变形量为50～60％；锻造完成后进行切边和整形，工件切边后温度约为1035℃，将工件分散于冷速为2.5℃/s的冷却线上进行冷却，冷却至580℃进入保温罩缓冷，控制曲轴锻件在罩内以0.3℃/s的冷速冷却至380℃后，将其在空气中冷却至室温。
如图1所示，上述实施例1～6，S2轧制后所得棒材再重新加热至1200℃，保温15min后，其奥氏体晶粒度细于4.5级。
如图3所示，上述实施例1～6制得的曲轴锻件，是由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡重、前端轴和后端凸缘六个部分组成的一个实心整体。所得曲轴锻件的组织如图2所示，为珠光体+少量铁素体，其连杆轴颈部铁素体含量为5～10％，晶粒度细于5.5级，抗拉强度大于900MPa，屈服强度大于580MPa，屈强比大于0.64，硬度大于280HB，具有良好的组织均匀性和较高的力学性。
本发明中晶粒度的测试方法为：根据GB/T6394-2017《金属平均晶粒度测定法》测定其平均晶粒度，如图1和图2所示，沿原奥氏体晶界析出网状铁素体，通过测量网状铁素体所围成区域的直径来测定经过不同工艺后所得棒材及其曲轴锻件的平均粒径，以测定其晶粒度。
本发明中铁素体含量测试方法为：沿原奥氏体晶界析出的铁素体，采用软件imagepro plus 6.0测出沿原奥氏体晶界析出的铁素体在基体中所占面积，以此法测得铁素体含量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种发动机非调质曲轴用钢的制备方法，其特征在于：发动机非调质曲轴用钢以百分含量计，包含以下化学元素：C：0.37～0.42%；Si：0.50～0.65%；Mn：1.30～1.50%；S：0.045～0.060%；P：0.010～0.025%；Cr：0.10～0.20%；Mo：0.015～0.050%；Cu：0.03～0.20%；Ni：0.120～0.150%；V：0.08～0.13%；Al：0.010~0.015%；Ti：≤0.010%；N：≥150ppm；铝氮比≤1，钛氮比≤0.67，余量为Fe；
发动机非调质曲轴用钢的制备方法包括以下步骤：
S1、将上述化学元素熔炼为发动机非调质曲轴用钢；
S2、将发动机非调质曲轴用钢轧制成为90～100mm的棒材；
轧制工艺包括开轧、穿水冷却和终轧；轧制加热温度为1250℃，开轧温度为1100～1130℃，终轧温度为950～1000℃；
S3、将棒材加工为锻件；
加工方法包括下料、感应加热、锻造成形、切边和控制冷却；
感应加热的温度为1220～1250℃；
锻造成形包括始锻和终锻，始锻温度为1200～1220℃，终锻温度为1050～1100℃；
切边的温度为1000～1050℃；
将切边后锻件自Ar3温度以上分散于冷却线上，以1.5～2.5℃/s的冷速进行冷却，冷却至560～620℃进入保温罩缓冷，控制锻件在保温罩内以<0.3℃/s的冷速冷却至350～400℃后，将其在空气中冷却至室温；
所述锻件为曲轴锻件；
所述曲轴锻件的组织为珠光体+铁素体，所述曲轴锻件的连杆轴颈部铁素体含量为5～10%，晶粒度细于5.5级，抗拉强度大于900MPa，屈服强度大于580MPa，屈强比大于0.64，硬度大于280HB；
所述铁素体为沿原奥氏体晶界析出的网状铁素体。
2.根据权利要求1所述的一种发动机非调质曲轴用钢的锻件的制备方法，其特征在于：S2轧制后所得棒材再重新加热至1200℃，保温15min后，其奥氏体晶粒度细于4.5级。
3.根据权利要求1所述的一种发动机非调质曲轴用钢的锻件的制备方法，其特征在于：所述曲轴锻件为一次性锻造成形而成，锻造成形后曲轴锻件的主轴颈部位变形量为30～40%，曲轴锻件的连杆轴颈部位变形量为50～60%。
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