CN112575251A - 一种汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢及其曲轴的制造方法 - Google Patents

一种汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢及其曲轴的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢及其曲轴的制造方法，所述曲轴的制造方法为：首先通过轧制加热、开轧、穿水冷却、终轧，最终将非调质曲轴用钢轧制成为90～100mm的棒材，所述轧制加热温度为1200～1250℃，开轧温度为1100～1130℃，终轧温度为950～1000℃；然后将棒材为坯料，经过下料、锻造感应加热、辊锻、一次控冷、锻造成型、切边和二次控冷，即得到所述中碳非调质曲轴。本发明制备的曲轴有效控制了中碳非调质曲轴的铁素体含量，细化了其晶粒，提高了材料的韧、塑性，提高了非调质曲轴的综合力学性能。

Description

一种汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢及其曲轴的制造方法
技术领域
本发明属于金属锻造技术领域，具体涉及一种汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢及其曲轴的制造方法。
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，但其强度有余而韧塑性不足的缺点限制了其应用于高端汽车发动机。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢及其曲轴的制造方法，解决了现有的发动机曲轴强度有余而韧塑性不足的问题。本发明采用中碳非调质钢作为曲轴原材，并通过控锻控冷工艺，在满足曲轴强度要求的条件下，提高了其韧性和塑性，从而提高中碳非调质曲轴的综合力学性能。
技术方案：本发明一种汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢，所述钢各成分及其质量百分比含量为：C：0.35～0.40％，Si：0.40～0.50％，Mn：1.35～1.50％，S：0.030～0.060％，Ni：≤0.05％，P：≤0.020％，Cr：0.10～0.15％，Mo：0.01～0.03％，Cu：≤0.06％，Al：0.010～0.020％，V：≤0.01％，Ti：≤0.010％，N：100～200ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明还包括一种采用汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢制造曲轴的方法，包括以下步骤：通过轧制加热、开轧、穿水冷却、终轧，最终将非调质曲轴用钢轧制成为90～100mm的棒材，所述轧制加热温度为1200～1250℃，开轧温度为1100～1130℃，终轧温度为950～1000℃。采用适宜的轧制加热温度，可以使材料中的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、细小的颗粒状第二相的形式从基体中析出，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。
进一步，所述棒材加热至1150℃，保温15min后，棒材的奥氏体晶粒度细于4.5级。目的是为了确保曲轴在经过后续锻造工序后，具有较细的晶粒度。
进一步，以上述权利要求3的棒材为坯料，经过下料、锻造感应加热、辊锻、一次控冷、锻造成型、切边和二次控冷，即得到所述中碳非调质曲轴。
进一步，所述锻造感应加热的温度为1170～1200℃，辊锻温度为1150～1170℃，辊锻后进行一次控冷，再进行后续的锻造成型，锻造成型温度为950～1000℃。采用适宜的加热温度，可以使轧制后材料中析出的微合金第二相能够充分地固溶于奥氏体中，从而达到弥散强化的目的；采用较低的锻造成型温度，有利于基体中的第二相弥散、细小的析出，阻碍再结晶晶粒长大，同时较低的温度也不利于再结晶晶粒的静态长大。
进一步，所述辊锻采用横向辊将坯料压成中部为圆杆、两端近似球形的哑铃状预锻件；所述锻造成型是将哑铃状预锻件进行横向模锻，锻造成型后得到的曲轴锻造件，曲轴锻造件的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；而晶粒细化促使晶界总面积的增大，有利于钢材析出更多的先共析铁素体。
进一步，所述一次控冷方式为：将辊锻后得到的预锻件分散放置于冷速为4.2℃/s的冷却线上进行冷却，使其温度冷却至950～1000℃后再进行后续的锻造成型。
进一步，所述切边工序的温度为900～950℃。
进一步，所述二次控冷方式为：将切边工序得到的切边工件在850℃以上分散放置于冷却线上，并在冷却线上加保温罩，使其在罩有保温罩的冷却线上冷却至550～600℃，冷却速度为0.35℃/s；然后放置在料箱中冷却至室温，即得到所述中碳非调质曲轴。采用合适的进保温罩温度的主要目的是：使发动机曲轴以较慢的冷却速度冷却至Ac3～Ac1，确保先共析铁素体充分的析出，以保证发动机曲轴良好的韧塑性。
进一步，所述中碳非调质曲轴其组织为珠光体+铁素体，曲轴的连杆轴颈部晶粒度为5～5.5级，抗拉强度大于750MPa，铁素体含量为15％～18％。
本发明有益效果在于：本发明制备的曲轴，在达到了汽车用曲轴强度要求的同时，还有效地增加了曲轴的铁素体含量，提高了材料的强度和韧、塑性，从而有效提高了曲轴的综合力学性能，解决了传统非调质钢曲轴在锻造后韧塑性不足的问题；而且简化了生产工艺，获得良好的经济效益、社会效益和环境效益。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述：
实施例1
将含有化学元素C：0.38％；Si：0.43％；Mn：1.38％；S：0.060％；Ni：0.02％；P：0.010％；Cr：0.10％；Mo：0.01％；Cu：0.056％；V：0.008％；Al：0.010％；Ti：0.010％；N：147ppm，余量为Fe和杂质的非调质钢加热至1250℃；通过开轧、穿水冷却、终轧工序对非调质钢进行轧制，开轧温度为1100℃，终轧温度为1000℃，经轧制处理后将非调质曲轴用钢轧制成直径为98mm的棒材，将上述棒材加热至1150℃，保温15min后，使棒材的奥氏体晶粒度细于4.5级；然后再以棒材为坯料，经过下料、锻造感应加热、辊锻、一次控冷、锻造成型、切边和二次控冷，其中锻造感应加热的温度为1200℃，通过辊锻和锻造成型工序对轧制后所得棒材进行锻造，辊锻(预锻)温度为1150℃，辊锻采用横向辊将坯料压成中部为圆杆、两端近似球形的哑铃状预锻件；辊锻后将得到的预锻件分散放置于冷速为4.2℃/s的冷却线上进行冷却，使其温度冷却至1000℃后再进行后续的锻造成型，锻造成型(终锻)温度为1000℃，锻造成型是将哑铃状预锻件进行横向模锻，锻造成型后得到的曲轴锻造件，曲轴锻造件的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校直，切边工序的温度为950℃，校直完成后进入二次控冷工序，将切边工序得到的切边工件在850℃以上(此处切边工件需先通过协调鼓风机的风量、外界环境温度等，借助红外线测温仪，保证切边工件以4.2℃/s的冷却速度冷至850℃以上)分散放置于以一定速度前进的冷却线上，并在冷却线上加保温罩，使其在罩有保温罩的冷却线上冷却至600℃，冷却速度为0.35℃/s；然后放置在料箱中冷却至室温，即得到所述中碳非调质曲轴。
实施例2
将含有化学元素C：0.39％；Si：0.45％；Mn：1.40％；S：0.030％；Ni：0.03％；P：0.014％；Cr：0.14％；Mo：0.03％；Cu：0.036％；V：0.01％；Al：0.012％；Ti：0.005％；N：136ppm，余量为Fe和杂质的非调质钢加热至1230℃；通过开轧、穿水冷却、终轧工序对非调质钢进行轧制，开轧温度为1120℃，终轧温度为980℃，经轧制处理后将非调质曲轴用钢轧制成直径为98mm的棒材，将上述棒材加热至1150℃，保温15min后，使棒材的奥氏体晶粒度细于4.5级；然后再以棒材为坯料，经过下料、锻造感应加热、辊锻、一次控冷、锻造成型、切边和二次控冷，其中锻造感应加热的温度为1180℃，通过辊锻和锻造成型工序对轧制后所得棒材进行锻造，辊锻(预锻)温度为1160℃，辊锻采用横向辊将坯料压成中部为圆杆、两端近似球形的哑铃状预锻件；辊锻后将得到的预锻件分散放置于冷速为4.2℃/s的冷却线上进行冷却，使其温度冷却至980℃后再进行后续的锻造成型，锻造成型(终锻)温度为980℃，锻造成型是将哑铃状预锻件进行横向模锻，锻造成型后得到的曲轴锻造件，曲轴锻造件的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校直，切边工序的温度为930℃，校直完成后进入二次控冷工序，将切边工序得到的切边工件在850℃以上(此处切边工件需先通过协调鼓风机的风量、外界环境温度等，借助红外线测温仪，保证切边工件以4.2℃/s的冷却速度冷至850℃以上)分散放置于以一定速度前进的冷却线上，并在冷却线上加保温罩，使其在罩有保温罩的冷却线上冷却至580℃，冷却速度为0.35℃/s；然后放置在料箱中冷却至室温，即得到所述中碳非调质曲轴。
实施例3
将含有化学元素C：0.35％；Si：0.50％；Mn：1.50％；S：0.036％；Ni：0.02％；P：0.012％；Cr：0.13％；Mo：0.02％；Cu：0.03％；V：0.006％；Al：0.015％；Ti：0.002％；N：147ppm，余量为Fe和杂质的非调质钢加热至1245℃；通过开轧、穿水冷却、终轧工序对非调质钢进行轧制，开轧温度为1125℃，终轧温度为990℃，经轧制处理后将非调质曲轴用钢轧制成直径为95mm的棒材，将上述棒材加热至1150℃，保温15min后，使棒材的奥氏体晶粒度细于4.5级；然后再以棒材为坯料，经过下料、锻造感应加热、辊锻、一次控冷、锻造成型、切边和二次控冷，其中锻造感应加热的温度为1200℃，通过辊锻和锻造成型工序对轧制后所得棒材进行锻造，辊锻(预锻)温度为1165℃，辊锻采用横向辊将坯料压成中部为圆杆、两端近似球形的哑铃状预锻件；辊锻后将得到的预锻件分散放置于冷速为4.2℃/s的冷却线上进行冷却，使其温度冷却至970℃后再进行后续的锻造成型，锻造成型(终锻)温度为970℃，锻造成型是将哑铃状预锻件进行横向模锻，锻造成型后得到的曲轴锻造件，曲轴锻造件的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校直，切边工序的温度为920℃，校直完成后进入二次控冷工序，将切边工序得到的切边工件在850℃以上(此处切边工件需先通过协调鼓风机的风量、外界环境温度等，借助红外线测温仪，保证切边工件以4.2℃/s的冷却速度冷至850℃以上)分散放置于以一定速度前进的冷却线上，并在冷却线上加保温罩，使其在罩有保温罩的冷却线上冷却至550℃，冷却速度为0.35℃/s；然后放置在料箱中冷却至室温，即得到所述中碳非调质曲轴。
实施例4
将含有化学元素C：0.40％；Si：0.40％；Mn：1.35％；S：0.040％；Ni：0.04％；P：0.015％；Cr：0.15％；Mo：0.02％；Cu：0.06％；V：0.005％；Al：0.020％；Ti：0.004％；N：156ppm，余量为Fe和杂质的非调质钢加热至1200℃；通过开轧、穿水冷却、终轧工序对非调质钢进行轧制，开轧温度为1130℃，终轧温度为950℃，经轧制处理后将非调质曲轴用钢轧制成直径为95mm的棒材，将上述棒材加热至1150℃，保温15min后，使棒材的奥氏体晶粒度细于4.5级；然后再以棒材为坯料，经过下料、锻造感应加热、辊锻、一次控冷、锻造成型、切边和二次控冷，其中锻造感应加热的温度为1170℃，通过辊锻和锻造成型工序对轧制后所得棒材进行锻造，辊锻(预锻)温度为1170℃，辊锻采用横向辊将坯料压成中部为圆杆、两端近似球形的哑铃状预锻件；辊锻后将得到的预锻件分散放置于冷速为4.2℃/s的冷却线上进行冷却，使其温度冷却至950℃后再进行后续的锻造成型，锻造成型(终锻)温度为950℃，锻造成型是将哑铃状预锻件进行横向模锻，锻造成型后得到的曲轴锻造件，曲轴锻造件的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校直，切边工序的温度为900℃，校直完成后进入二次控冷工序，将切边工序得到的切边工件在850℃以上(此处切边工件需先通过协调鼓风机的风量、外界环境温度等，借助红外线测温仪，保证切边工件以4.2℃/s的冷却速度冷至850℃以上)分散放置于以一定速度前进的冷却线上，并在冷却线上加保温罩，使其在罩有保温罩的冷却线上冷却至600℃，冷却速度为0.35℃/s；然后放置在料箱中冷却至室温，即得到所述中碳非调质曲轴。
上述实施例1～4制得到的曲轴，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。曲轴其组织为珠光体+铁素体，曲轴的连杆轴颈部晶粒度为5～5.5级，铁素体含量为15％～18％，后端凸缘部位抗拉强度大于750MPa，屈服强度大于450MPa，屈强比大于0.60，硬度大于230HB，具有良好的组织均匀性和较高的力学性。

Claims (10)

1.一种汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢，其特征在于，所述钢各成分及其质量百分比含量为：C：0.35～0.40％，Si：0.40～0.50％，Mn：1.35～1.50％，S：0.030～0.060％，Ni：≤0.05％，P：≤0.020％，Cr：0.10～0.15％，Mo：0.01～0.03％，Cu：≤0.06％，Al：0.010～0.020％，V：≤0.01％，Ti：≤0.010％，N：100～200ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种采用权利要求1所述的汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢制造曲轴的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过轧制加热、开轧、穿水冷却、终轧，最终将非调质曲轴用钢轧制成为90～100mm的棒材，所述轧制加热温度为1200～1250℃，开轧温度为1100～1130℃，终轧温度为950～1000℃。
3.根据权利要求2所述的汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢制造曲轴的方法，其特征在于：所述棒材加热至1150℃，保温15min后，棒材的奥氏体晶粒度细于4.5级。
4.根据权利要求3所述的汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢制造曲轴的方法，其特征在于：以上述权利要求3的棒材为坯料，经过下料、锻造感应加热、辊锻、一次控冷、锻造成型、切边和二次控冷，即得到所述中碳非调质曲轴。
5.根据权利要求4所述的汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢制造曲轴的方法，其特征在于：所述锻造感应加热的温度为1170～1200℃，辊锻温度为1150～1170℃，辊锻后进行一次控冷，再进行后续的锻造成型，锻造成型温度为950～1000℃。
6.根据权利要求5所述的汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢制造曲轴的方法，其特征在于：所述辊锻采用横向辊将坯料压成中部为圆杆、两端近似球形的哑铃状预锻件；所述锻造成型是将哑铃状预锻件进行横向模锻，锻造成型后得到的曲轴锻造件，曲轴锻造件的主轴颈部位变形量为30～40％，连杆轴颈部位变形量为50～60％。
7.根据权利要求5所述的汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢制造曲轴的方法，其特征在于，所述一次控冷方式为：将辊锻后得到的预锻件分散放置于冷速为4.2℃/s的冷却线上进行冷却，使其温度冷却至950～1000℃后再进行后续的锻造成型。
8.根据权利要求5所述的汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢制造曲轴的方法，其特征在于：所述切边工序的温度为900～950℃。
9.根据权利要求5所述的汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢制造曲轴的方法，其特征在于，所述二次控冷方式为：将切边工序得到的切边工件在850℃以上分散放置于冷却线上，并在冷却线上加保温罩，使其在罩有保温罩的冷却线上冷却至550～600℃，冷却速度为0.35℃/s；然后放置在料箱中冷却至室温，即得到所述中碳非调质曲轴。
10.根据权利要求5所述的汽车发动机的中碳非调质曲轴用钢制造曲轴的方法，其特征在于：所述中碳非调质曲轴其组织为珠光体+铁素体，曲轴的连杆轴颈部晶粒度为5～5.5级，抗拉强度大于750MPa，铁素体含量为15％～18％。
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