CN114058943A - 一种微合金钢及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢制作技术领域，具体为一种微合金钢及其制作方法。该微合金钢，化学元素的质量百分比为：C：0.56～0.64％、Si：0.20～0.30％、Mn：0.50～0.70％、P：≤0.030％、S：0.035～0.055％、Al：0.002～0.015％、Cr：0.15～0.30％、Zr：0.03～0.05％、Re：0.025～0.045％、V：0.26～0.34％、N：0.0260～0.0340％，其余量为铁和不可避免的杂质。本发明钢屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1120MPa，延伸率≥10％，屈强比≥0.78，硫化物长宽比≤8的高强度、易裂解和易切削加工的微合金钢满足汽车轻量化及蓬勃发展的连杆裂解工艺要求。
Description
技术领域
本发明涉及钢制作技术领域，具体为一种微合金钢及其制作方法。
背景技术
连杆作为汽车发动机的重要零部件，在工作过程中承受着很高的周期性 冲击力、惯性力和弯曲力。连杆材料的品质和制造工艺直接影响到发动机的 性能和可靠性，这就要求连杆应具有高的强度、韧性和耐疲劳性能，以及很 高的重量精度。连杆裂解加工技术作为一项制造新工艺，于二十世纪九十年 代在汽车工业发达国家发展起来，并逐渐应用于大规模生产领域，以新颖的 构思从根本上改变了传统连杆加工方法。和传统的连杆加工技术相比，发动 机连杆裂解加工技术具有传统连杆加工方法无可比拟的优越性，其加工工序少、节约精加工设备、节材节能、生产成本低。
满足裂解工艺的连杆材料应当具备：(1)较高的强度：高强度有利于发 动机连杆重量的减轻和疲劳性能的提高，同时可以减少调质工艺，节约成本 和能耗；(2)塑性变形小：高的塑性变形易使连杆在裂解加工过程中头、盖 产生变形，影响连杆装配精度，也对降低发动机噪音不利；(3)合适的脆性： 脆性过高对连杆的疲劳寿命有一定的影响，而脆性过低易使裂解连杆的裂解 断面出现塑性状况，不利于连杆装配过程中断面的啮合；(4)切削加工性能 好：较好的切削加工性能有利于提高刀具寿命，改善连杆表面质量，节约加 工成本。
目前用于连杆胀断加工的材料主要有C70S6锻钢。C70S6锻钢是20世 纪70年代德国开发的胀断连杆材料,当时有19种发动机连杆采用,到目前 为止有60多种不同的发动机采用。C70S6锻钢是一种高碳、低锰钢，具有优 良的裂解性能，但经大量的生产实际发现，C70S6的可加工性能较差，刀具 磨损较快。
中国专利文献CN 101892424 B公开了一种胀断连杆用非调质钢，其化学 成分重量％为：C0.35～0.55％，Si0.40～0.80％，Mn0.80～1.50％，P0.04～0.15％， S0.03～0.10％，Cr0.10～0.50％，V0.05～0.25％，B0.0005～0.006％，Ti0.01～ 0.10％，Al0.005～0.05％，N0.005～0.020％，RE0.005～0.04％，其余为Fe和 其它不可避免的杂质。该钢含有较高P、B，易在冶炼和轧制过程中在材料表 面产生裂纹，同时，强度不能满足高功率发动机的需求。
中国专利文献CN 107201483 A公开了一种适用于连杆的高强度非调质钢 材料，元素质量百分比为：C0.42～0.50％，Si0.40～0.70％，Mn0.90～1.20， P≤0.020％，S0.045～0.075，Cr≤0.20％，V0.10～0.20，N0.010～0.020，Ni ≤0.2％，Mo≤0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质。该钢屈强比较低，不能 满足连杆胀断变形量的要求。
中国专利文献CN 106939391 A公开了一种Ca微合金化易切削高强度胀 断连杆用钢及制造方法，该钢的化学成分按质量百分比为：C0.25～0.60％， Si0.10～1.20％，Mn0.40～1.50％，Cr0.05～0.50％，S0.02～0.15％，P0.02～ 0.15％，V0.03～0.55％，Ca0.0005～0.0080，N0.002～0.035％，Al0.002～0.080％， Ti≤0.02％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。该钢中含有较高的S和Ca， 冶炼过程中易形成CaS，在浇注过程中在水口附集，造成水口结瘤，同时，该 钢种屈服强度为550～650MPa，抗拉强度为800～950MPa，不能满足高强度的 需求。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明在于克服传统裂解连杆强度低、裂解性能和切削加工性能不佳的 缺陷，采用微合金化的方法，通过控轧控冷工艺，获得一种高强度、高屈强 比和切削加工性能优良的裂解连杆用钢，满足市场汽车连杆用钢的需求。
(二)技术方案
本发明从提高钢强度、屈强比和切削加工性能机理出发，通过设计微合 金钢的化学成分，加工工艺以获得高强度、高屈强比和切削加工性能优良的 裂解连杆用钢的目的。
为了实现本发明的目的，本发明的具体技术方案包括：
本发明微合金钢，其化学元素的质量百分比为：C：0.56～0.64％、Si： 0.20～0.30％、Mn：0.50～0.70％、P：≤0.030％、S：0.035～0.055％、Al： 0.002～0.015％、Cr：0.15～0.30％、Zr：0.03～0.05％、Re：0.025～0.045％、 V：0.26～0.34％、N：0.0260～0.0340％，其余量为铁和不可避免的夹杂。
本发明合金钢的制作方法，步骤如下：
(1)按照微合金钢成分要求计算所需废钢原料、脱氧剂以及各种合金的 重量并称重取料，然后装入真空感应炉中(钒氮合金除外)进行感应加热并 进行抽真空，使真空感应炉真空室的真空度保持在0.05～0.1Pa，当真空感应 炉中微合金钢温度达到1550～1580℃时，停止感应加热继续抽真空8～15min， 然后打开真空室，根据前述计算的钒氮合金加入量加入钒氮合金，继续感应 加热3～5min后完成微合金钢的冶炼，最后浇注成钢锭；
(2)将浇注的微合金钢锭放入加热炉中进行加热，加热升温速度为10～ 14℃/min，加热到700～850℃后，升温速度提升为15～20℃/min，加热到 1150～1200℃后进行保温，保温时间60～100min，确保钢锭内外温度均匀， 温差≤20℃。将温度均匀的钢锭进行表面氧化铁皮除鳞，然后轧制为圆钢， 开轧温度为1080～1150℃，终轧温度800～850℃，轧后进入缓冷坑缓冷，缓 冷时间48h。
经过上述方案可以获得屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1120MPa，延伸率 ≥10％，屈强比≥0.78，硫化物长宽比≤8的高强度、易裂解和易切削加工的 微合金钢。
本发明中主要元素和工艺的作用及机理：
C：钢中的碳含量是影响最终组织的主要因素，过低的碳，钢中的珠光体 组织比例较少，铁素体组织比例较多，不能满足钢的高强度需求；但钢中过 高的碳含量会恶化钢的切削加工性能，因此，碳含量设计为0.56～0.64％， 可以保证珠光体组织比例≥85％。
Si：Si在钢中不形成碳化物，能固溶于铁素体中显著提高钢的强度和硬 度，但过高的Si会恶化钢的韧性和热成型性能，降低疲劳性能；因此，设计 的钢中Si含量为0.20～0.30％。
Mn：Mn在钢中主要以固溶的形式存在，具有较强的固溶强化作用，能有 效地提高钢的强度。同时，钢中的Mn与S形成MnS能改善钢的切削加工性能； 但过高的Mn易促进钢中贝氏体的形成，因此，钢中Mn含量为0.50～0.70％。
P：P能溶于铁素体取代铁原子形成置换固溶体，提高钢的强度；同时，P 能降低钢的塑性和韧性，提高钢的脆性。因此，设计钢中P含量为≤0.030％。
S：在钢中添加S元素，使钢中形成MnS夹杂物，在切削加工时，使切削 容易断开，改善工件光洁度；同时，铁素体除在原奥氏体晶界析出外，也以 MnS为核心析出，由于增加了铁素体形成的核心而增加了铁素体的块数，从而 细化了铁素体-珠光体组织，因此设计的S含量为0.035～0.055％。
Cr：Cr是中等碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的Cr强烈提高钢的淬 透性；Cr溶入铁素体中，产生固溶强化，能提高铁素体的强度和硬度。因此， 设计的Cr含量为0.15～-0.30％。
V、N：N与V有很强的亲和力，可以形成极稳定的间隙相。氮化物和碳化 物可以互相溶解，形成碳氮化物，氮化物之间也可以互相溶解，形成复合氮 化物，这些化合物常以细小质点存在，产生弥散强化效果，提高钢的屈服强 度，从而提高钢的屈强比，增加裂解性能。因此，设计的N含量为0.0260～ 0.0340％，V含量为0.26～0.34％。
Zr：Zr是一种强脱氧元素，微合金钢中添加适量的Zr，降低Al含量， 既能降低钢中氧含量，又能降低钢中Al2O3类夹杂物，提高连杆的疲劳性能； 同时，由于氧化锆具有高温不溶特性，能弥散分布于奥氏体中，在加热过程 中，这些弥散分布的锆的氧化物能在奥氏体中起钉扎作用，抑制奥氏体晶粒 长大。因此，设计的Zr含量为0.03～0.05％。
Al：Al作为一种强脱氧元素，能有效降低微合金钢中氧含量，但钢中大 量的Al脱氧产物易形成Al2O3类脆性夹杂物，不利于连杆的疲劳寿命。因此 设计Al含量为0.002-0.015％。
Re：Re一方面易偏聚在奥氏体晶界，降低奥氏体晶界能，降低铁素体形 核率，抑制先共析铁素体的形成；另一方面易改变钢中硫化物的形貌，促使 硫化物呈短棒状形貌，提高微合金钢的切削加工性能。因此，设计的Re含量 为0.03～0.05％。
满足裂解工艺的连杆材料具备高强度的同时，还应具备良好的裂解性能 和切削加工性能。通过向微合金钢中添加大量的V和N，在钢中固溶的V、N 在控轧和控冷过程中，一部分以纳米级的VN析出相析出，能显著提高微合金 钢的屈服强度，提高屈强比，增加裂解性能，另一部分在晶界以Fe4N析出， 增加微合金钢的脆性，提高裂解性能。
(三)有益效果
本发明与现有技术相比，经过微合金化成分和控轧控冷工艺设计，可以 获得屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1120MPa，延伸率≥10％，屈强比≥0.78， 硫化物长宽比≤8的高强度、易裂解和易切削加工的微合金钢满足汽车轻量化 及蓬勃发展的连杆裂解工艺要求。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部 的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性 劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明微合金钢，其化学元素的质量百分比为：C：0.56～0.64％、Si： 0.20～0.30％、Mn：0.50～0.70％、P：≤0.030％、S：0.035～0.055％、Al： 0.002～0.015％、Cr：0.15～0.30％、Zr：0.03～0.05％、Re：0.025～0.045％、 V：0.26～0.34％、N：0.0260～0.0340％，其余量为铁和不可避免的夹杂。
根据微合金钢成分要求计算所需废钢原料、脱氧剂以及各种合金的重量 并称重取料，然后装入真空感应炉中(钒氮合金除外)进行感应加热并进行 抽真空，使真空感应炉真空室的真空度保持在0.05～0.1Pa，当真空感应炉中 微合金温度达到1550～1580℃时，停止感应加热继续抽真空8～15min，然后 打开真空室，根据前述计算的钒氮合金加入量加入钒氮合金，继续感应加热 3～5min后完成微合金钢的冶炼，最后浇注成钢锭。
将浇注的微合金钢锭放入加热炉中进行加热，加热升温速度为10～14℃ /min，加热到700～850℃后，升温速度提升为15～20℃/min，加热到1150～ 1200℃后进行保温，保温时间60～100min，确保钢锭内外温度均匀，温差≤ 20℃。将温度均匀的钢锭进行表面氧化铁皮除鳞，然后轧制为圆钢，开轧温 度为1080～1150℃，终轧温度800～850℃，轧后进入缓冷坑缓冷，缓冷时间 48h。下表为本发明主要参数实施例。
表1本发明钢实施例与对比钢的化学成分(wt％)
表2本发明钢实施例与对比钢的性能(wt％)
| 序号 | 屈服强度MPa | 抗拉强度MPa | 延伸率％ | 屈强比 | 硫化物长宽比 |
| 实施例1 | 880 | 1120 | 12 | 0.78 | 7 |
| 实施例2 | 900 | 1130 | 11 | 0.80 | 8 |
| 实施例3 | 902 | 1145 | 10 | 0.79 | 6 |
| 实施例4 | 920 | 1150 | 10 | 0.80 | 5 |
| 实施例5 | 987 | 1221 | 10 | 0.81 | 8 |
| 实施例6 | 914 | 1160 | 12 | 0.79 | 5 |
| 实施例7 | 885 | 1127 | 14 | 0.78 | 6 |
| 实施例8 | 915 | 1156 | 12 | 0.79 | 4 |
| 对比例1 | 632 | 940 | 15 | 0.70 | 28 |
| 对比例2 | 550 | 900 | 9 | 0.61 | 25 |
| 对比例3 | 720 | 990 | 17 | 0.73 | 28 |
由表可以看出，实施例制作的钢性能显著优于对比例，显然本发明方法 具有很好的实用性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来 将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示 这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、 “包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系 列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明 确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有 的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。
Claims (2)
1.一种微合金钢，其特征在于，其化学元素的质量百分比为：C：0.56～0.64％、Si：0.20～0.30％、Mn：0.50～0.70％、P：≤0.030％、S：0.035～0.055％、Al：0.002～0.015％、Cr：0.15～0.30％、Zr：0.03～0.05％、Re：0.025～0.045％、V：0.26～0.34％、N：0.0260～0.0340％，其余量为铁和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述微合金钢的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)按照所需废钢原料、脱氧剂以及各种合金的重量并称重取料，然后装入真空感应炉中进行感应加热并进行抽真空，使真空感应炉真空室的真空度保持在0.05～0.1Pa，当真空感应炉中微合金钢温度达到1550～1580℃时，停止感应加热继续抽真空8～15min，然后打开真空室，根据前述计算的合金加入量加入钒氮合金，继续感应加热3～5min后完成微合金钢的冶炼，最后浇注成钢锭；
(2)将浇注的微合金钢锭放入加热炉中进行加热，加热升温速度为10～14℃/min，加热到700～850℃后，升温速度提升为15～20℃/min，加热到1150～1200℃后进行保温，保温时间60～100min，确保钢锭内外温度均匀，温差≤20℃；将温度均匀的钢锭进行表面氧化铁皮除鳞，然后轧制为圆钢，开轧温度为1080～1150℃，终轧温度800～850℃，轧后进入缓冷坑缓冷，缓冷时间48h。
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