CN114134398A - 一种屈强比为0.70-0.80的胀断连杆钢及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢，该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.35～0.45％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.60～0.80％，Cr：0.10～0.25％，S：0.040～0.070％，P：0.040～0.070％，V：0.20～0.35％，Ca：0.0005～0.0040％，N：0.0080～0.0200％，Al：0.010～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。该钢材经冶炼、连铸、加热、热轧、冷却，组织特征为均匀的铁素体+珠光体，获得的钢材抗拉强度为860～1000MPa，屈强比为0.70～0.80，延伸率≤16％。该钢材具有强度高，屈强比适中且控制窄，且具有良好的切削加工性、良好的胀断性的连杆用钢，生产成本低，满足了发动机轻量化、驾驶舒适性及经济性的设计要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种屈强比为0.70-0.80的胀断连杆钢及制造方法。属于特种钢铁冶炼技术领域。
背景技术
为提高汽车驾驶舒适性及控制生产成本，前者需要提高加工精度而采用胀断技术，后者提高强度实现轻量化，在此基础上高强度胀断连杆已得到广泛应用。目前应用于汽车发动机胀断连杆用钢主要为中高碳非调质钢，例如C70S6、S53CV-FS、46MnVS4、38MnVS5等钢种，钢种类别多，钢材性能不一，各钢种优缺点各异。设计连杆用钢时，材料的屈强比是一个重要的技术指标。若屈强比过高，则连杆发生失效之前无法有效预警，一旦失效往往发生恶性断裂事故。若屈强比过低，在同等强度下，零件易产生屈服变形，从而降低材料装配精度，增大发动机运转噪音，降低驾驶舒适性甚至失效。所以发明一种屈强比窄的高强度胀断连杆具有重大的经济价值及社会价值。
申请号201610396333.X公开的36MnVS4胀断连杆用钢制造方法，所述钢种通过控制P含量在0.020～0.030％提高胀断性能，同时控制残余元素Cr在0.10～0.15％，碳当量控制在1.18～1.27％，以提高材料性能，但是该钢种合金元素偏低，力学性能相对较低，为满足零件设计的性能要求需使用规格更大的材料，不利于发动机轻量化要求。
申请号CN1667129A公开的“一种含硫易切削非调质钢的生产方法”，其生产工艺采用转炉冶炼-挡渣出钢-钢包脱氧合金化-LF钢包精炼-全保护浇注-铸坯控温、控冷，但由于其采用转炉双渣法冶炼，冶炼终点磷含量较低，大幅度增加了能耗，同时精炼过程中采用CaO-SiO2低碱度渣系(SiO2含量达到40.66％)对碱性炉衬钢包浸蚀严重。
上述几份公开的专利均阐述了一种胀断连杆用钢及其制造方法。但均未体现出强度及屈强比控制的相关要求及方法。综上，为了适应驾驶舒适性及经济环保的发动机连杆的生产需要，能够生产出一种高强度、屈强比适中、生产工艺简单、成本低廉的胀断连杆用钢是本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种屈强比为0.70-0.80的胀断连杆钢及制造方法，该钢材具有较高的抗拉强度及适中的屈强比。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢，该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.35～0.45％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.60～0.80％，Cr：0.10～0.25％，S：0.040～0.070％，P：0.040～0.070％，V：0.20～0.35％，Ca：0.0005～0.0040％，N：0.0080～0.0160％，Al：0.010～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
本发明钢材力学性能满足：抗拉强度为860～920MPa，屈强比为0.70～0.80，延伸率≤16％。
本发明所述的屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢，为了实现高强轻量化且尽力避免零件突然断裂的风险，需在提高材料强度的同时控制屈强比。通常为了提高材料的抗拉强度，需要添加C、Mn、Cr等一种或多种合金元素，为了控制生产成本，又需控制诸如V、Ni、Cu等贵重合金的添加量。而不同的元素对材料的屈服和强度的贡献不同，所以设计一组合适的化学成分能保证材料具有较高的强度、屈强比适中又能合理控制成产成本，显得尤为重要。研究发现，发明钢材通过添加少量的P、S、V、Ca等合金元素，且合理设计炼钢及轧钢工艺，完全能符合设计的力学性能。
本发明钢材的各元素设计原理如下：
S：0.040～0.070％。S是易切削元素。与钢中的Mn形成MnS或者含MnS的复合夹杂物，从而提高材料切削加工性能，降低切削成本。连杆胀断时，MnS又能起到切口效应，提高材料的胀断性。但含硫夹杂物通常熔点较低，S含量过高，材料会发生热脆效应及增加脱碳的倾向。本发明中的钢材S是关键元素之一，为充分发挥上述效果，其含量设定范围为0.040～0.070％。
P：0.040～0.070％。本发明的钢材添加一定量的P主要有两大目的，第一，P可以提高钢材的强度，是一种廉价、近乎零成本的元素，且对稳定控制材料屈强比非常有利。第二，P元素增加钢材脆性，有利于连杆后续的胀断加工。P亦为本发明钢材的关键元素，为充分发挥上述效果，本发明钢材P含量设定范围为0.040～0.070％。
Ca：0.0005～0.0040％。本发明钢材添加一定量的Ca，意在综合调和钢材的切削加工性、胀断性能，又不明显影响钢材的疲劳性能。经试验表明，在该钢种添加Ca，能够综合改变钢材中夹杂物的组份、尺寸、形貌，有利于提高钢材切削性能。同时，Ca的添入可脆化钢材的晶界强度，提高钢材的胀断性能。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材Ca含量设定范围为0.0005～0.0040％。
为了满足材料设计强度及屈强比等综合性能，又添入如下主要合金元素。
C：0.35～0.45％。C是用于确保强度又利于提高胀断性的有效又经济的元素。本发明钢种为一种高硫高磷中碳含钒非调质钢。C含量设定范围为0.35～0.45％。
Si：0.20～0.35％。Si在炼钢时作为脱氧元素，同时Si在钢中有很强的固溶强化作用，能够显著地提高铁素体强度，提高屈强比，本发明钢材需稳定控制屈强比，所以硅含量也是关键元素之一，需控制在合理范围内。Si含量设定范围为0.20～0.35％。
Mn：0.60～80％。Mn作为脱氧元素，通过固溶强化提高钢材的强度，添加一定量的Mn对确保材料的力学性能非常重要。此外Mn将钢中的S等结合形成硫化物系夹杂物，在胀断时发挥切口效应，提高胀断性。另一方面Mn易偏析，对钢的过热敏感，Mn含量过高，易生成贝氏体，切削性及胀断性均会降低。本发明中的钢材Mn含量范围设定为0.60～80％。
Cr：0.10～0.25％。Cr元素增加淬透性，可细化珠光体的片层间距，有利于提高细片状珠光体形成比例及显微组织均匀性，有效提高材料强度及疲劳等性能。本发明钢材Cr含量设定范围为0.10～0.25％。
V：0.20～0.35％。V在钢中形成碳化物及氮化物，在钢中起弥散强化作用，V一定程度上提高材料胀断性能。V含量增加，会降低材料切削性能，且增加生产成本。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材V含量设定范围为0.20～0.35％。
为了细化钢材组织，本发明可以添加以下一种或多种N、Al、Ti、Nb细化晶粒元素。
本发明所得钢材金相组织为铁素体+珠光体。
本发明的另一目的在于提供上述一种屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢的制造方法，主要包括如下具体流程：
冶炼、连铸、坯料加热、热轧、冷却，
采用铁水和废钢作为原材料，铁水与废钢的重量比约为5，冶炼符合钢材化学成分的钢水。炼钢采用高性能特种渣料，控制钢材各类夹杂物数量及形态，同时去除有害夹杂，特别是外来大颗粒夹杂物；钢包保持一定时间的夹杂物去除过程，保证外来大颗粒夹杂物的去除。冶炼前期快速升温脱碳，并控制较高的氧化终点温度，温度在1640～1700之间，适当提高终点磷含量为0.040～0.050％，以减少后续磷铁加入量降低生产成本；出钢采用留钢留渣操作，出钢1/4后向钢包中加入特种石灰等造渣剂，控制钢水的氧化性，使进入后续LF精炼炉中氧含量≤80ppm；LF精炼时，加入特种合成渣；送电8～12分钟后喂入铝线1.2m/t，再采用铝粒、碳化硅、碳粉等脱氧材料进行联合扩散脱氧，脱氧时间为20～30min，LF结束前补加磷铁及喂入硫线。使硫磷含量符合要求。之后钢水经真空脱气后进行连续浇铸。连铸时采用大包-长水口-中间包-结晶器-二冷-矫直-切割-缓冷工艺。长水口及中间包采用氩气密封保护，结晶器采用电磁搅拌，连铸采用矩形坯，夹杂物数量得到有效控制。连铸采用末端电磁搅拌、轻压下等先进装备工序，控制材料晶界偏析，轻压下总压下量为5％。同时，为了保证铸坯内部质量，浇注时过热度控制在15～30℃，实现中低过热度控制。
在步进式加热炉中将坯料加热，预热段温度控制在780～820℃，第一加热段温度控制在980～1040℃，第二加热段温度控制在1070～1120℃，均热段温度控制在1140～1180℃，为坯料充分均匀受热，总加热时间240min及以上。其中预热段需≥90min，避免坯料热敏感阶段快速升温，降低坯料加热时产生的热应力及组织应力，避免高硫高磷钢产生内部裂纹，该加热工艺为关键工艺之一。
高压水除鳞后进行单相区轧制：开轧温度为1000～1060℃。因为钢材中添加了较高含量的S、P等元素，钢材表面裂纹敏感性强，所以开轧前先经火焰清理，利用高压氧气流“熔削”坯料表层金属，“熔削”深度为1～3mm，去除坯料表面裂纹、凹坑、脱碳等表面缺陷，确保轧材表面质量；然后采用20架二辊轧机+5架三辊轧机轧制，单道次最大压下量控制在18～25mm之间；轧制时采用控冷，出中轧后进行一次穿水强冷，以减轻精轧后的穿水强度，精轧后穿水强度过大，钢材没有充足的回温时间，易导致组织不均匀，穿水后钢材表面温度控制在800～850℃，以降低奥氏体稳定性，促进相变进行。此后钢材再进行5机架三辊精轧，精轧后再进行二次穿水冷却，此时适当控制冷却强度，穿水强度过大易导致组织不均匀。同时控制终轧温度，温度过低，材料内位错等缺陷密集，增加材料硬度，温度过高，则奥氏体更加稳定，不利于奥氏体的珠光体转变，控制终轧温度在830～860℃，该温度下奥氏体相变驱动力大，利于奥氏体的珠光体转变，得到的珠光体片层间距大，利于控制轧材硬度。
轧制结束后，钢材上冷床进行冷却，冷床上安装缓冷罩，平均冷速控制在20～30℃/min，进一步降低材料冷却时的热应力及组织应力。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明所述的屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢的制造方法通过控制冶炼，低温浇铸，加热轧制、加热时缓慢加热，轧制时进行火焰清理并控轧控冷，轧后进保温罩控冷，使钢材获得铁素体+珠光体的金相组织。按上述制造过程生产出的钢材，组织中的S系夹杂物弥散分布，确保钢材具有良好的切削性，P的聚集偏析轻微，则非常有利于连杆的胀断及切削加工。本申请的钢材同时具有强度高、屈强比控制范围窄，有利于汽车轻量化。
附图说明
图1为本发明实施例1中屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢的微观组织图。
图2为本发明实施例1中屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢有利于提高切削性及胀断性的弥散分布的硫化物夹杂。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢及其制造方法作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1
按下面工序制造本发明实施例中屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢：
冶炼：100吨炼钢炉冶炼后进行炉外精炼，钢液再经真空脱气处理，各化学元素质量百分比严格按要求控制。
连铸：连铸成240mm×240mm方坯，控制中间包过热度为15～30℃。为控制P的晶界偏聚，连铸时则采用先进的末端电磁搅拌、连铸轻压下先进装备及工艺，轻压下总压下量为5％。所得连铸坯化学成分百分比见下表1所示：
表1.(wt.％,余量为Fe及其他不可避免的杂质元素)
加热：坯料在步进式加热炉中加热，包括预热段、第一加热段、第二加热段、均热段，其中预热段温度控制在780～820℃，第一加热段温度控制在980～1040℃，第二加热段温度控制在1070～1120℃，均热段温度控制在1140～1180℃，总加热时间240min以上。
热轧：开轧温度为1000～1060℃，终轧温度为830～880℃，单道次最大压下量控制在18～25mm之间。轧制时采用控冷，出中轧后进行一次穿水强冷，钢材表面温度控制在800～850℃，此后钢材再进行5机架三辊精轧，精轧后再进行二次穿水冷却，控制终轧温度在830～860℃。
冷却：热轧后上冷床在保温罩下控冷，平均冷速控制在20～30℃/min。
上述各实施例中的屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢的制造方法具体工艺参数如下表2所示：
表2.(加热、热轧、冷却的具体工艺参数)
对实施例1～3中的屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢进行相关测试，测得的力学性能如下表3所示：
表3
由上表可见，实施例中力学性能满足设计要求，表明连杆具有较高的强度。另外实施例中的屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢延伸率12％，说明实施例中钢材塑性低，非常有利于连杆的胀断加工，获得一种具备高强度、屈强比适中，良好的切削加工性、良好的胀断性胀断连杆用钢。
图1显示了实施例1中的屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢的微观组织。从图1可知，该连杆用钢的微观组织为铁素体+珠光体。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢，其特征在于：该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.35～0.45％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.60～0.80％，Cr：0.10～0.25％，S：0.040～0.070％，P：0.040～0.070％，V：0.20～0.35％，Ca：0.0005～0.0040％，N：0.0080～0.0160％，Al：0.010～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢，其特征在于：其组织为铁素体加珠光体，抗拉强度为860～1000MPa，屈强比为0.70～0.80，延伸率≤16％。
3.一种如权利要求1所述的屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢的制造方法，其特征在于：所述制造方法的步骤包括(1)冶炼→(2)连铸→(3)加热→(4)热轧→(5)冷却。
4.根据权利要求3所述的一种屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢的制造方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、冶炼
冶炼时采用高终点温度控制，提高终点P含量，以尽量减少后期磷铁加入量，降低生产成本；
步骤二、连铸
采用矩形坯浇铸，采用结晶器电磁搅拌及末端电磁搅拌及轻压下技术，轻压下总压下量为5％，以减轻P的晶界偏聚，浇铸过热度控制在15～30℃，以改善铸坯内部质量；
步骤三、加热
在步进式加热炉中将坯料加热，预热段温度控制在780～820℃，第一加热段温度控制在980～1040℃，第二加热段温度控制在1070～1120℃，均热段温度控制在1140～1180℃，为坯料充分均匀受热，总加热时间240min及以上，其中预热段时间需≥90min；
步骤四、轧制
高压水除鳞后进行单相区轧制：开轧温度为1000～1060℃，然后采用20架二辊轧机+5架三辊精轧机轧制，单道次最大压下量控制在18～25mm之间；轧制时采用控轧控冷，出中轧后进行一次穿水强冷，钢材表面温度控制在800～850℃，此后钢材再进行5机架三辊精轧，精轧后再进行二次穿水冷却，控制终轧温度在830～860℃；
步骤五、冷却
轧制结束后，上冷床在保温罩下控冷，平均冷速控制在20～30℃/min，终冷温度≤480℃。
5.根据权利要求4所述的一种屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢的制造方法，其特征在于：步骤一冶炼前期快速升温脱碳，并控制较高的氧化终点温度，温度在1640～1700℃之间，适当提高终点磷含量为0.040～0.050％。
6.根据权利要求4所述的一种屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢的制造方法，其特征在于：步骤一种出钢采用留钢留渣操作，出钢1/4后向钢包中加入造渣剂，控制钢水的氧化性，使进入后续LF精炼炉中氧含量≤80ppm；LF精炼时，加入合成渣；送电8～12分钟后喂入铝线1.2m/t，再采用脱氧材料进行联合扩散脱氧，脱氧时间为20～30min，LF结束前补加磷铁及喂入硫线。
7.根据权利要求4所述的一种屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢的制造方法，其特征在于：步骤二连铸时采用大包-长水口-中间包-结晶器-二冷-矫直-切割-缓冷工艺，长水口及中间包采用氩气密封保护，结晶器采用电磁搅拌，连铸采用矩形坯，夹杂物数量得到有效控制。
8.根据权利要求4所述的一种屈强比为0.70～0.80的胀断连杆钢的制造方法，其特征在于：步骤四开轧前先经火焰清理，利用高压氧气流“熔削”坯料表层金属，“熔削”深度为1～3mm，去除坯料表面缺陷，确保轧材表面质量。
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