CN114959501B - 一种Te微合金化高碳胀断连杆用钢及制造方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Te微合金化高碳胀断连杆用钢及制造方法和应用，成分：C 0.65～0.75％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.80～1.00％、P≤0.035％、S 0.050～0.080％、Cr 0.10～0.30％、V 0.05～0.20％、Al≤0.010％、Ca 0.0050～0.0200％、Te0.0020～0.0050％，[N]130～180ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素，成分满足：S/(Ca+0.5Te)≤0.15。本发明钢液中的Te固溶进入MnS夹杂，提高MnS的表面张力，从而改善钢液中Ⅱ类硫化物的数量、形态和分布；提高切削加工性能，改善材料的疲劳强度。
Description
技术领域
本发明属于合金结构钢技术领域，尤其涉及一种Te微合金化高碳胀断连杆用钢及制造方法和应用。
背景技术
连杆是汽车发动机的关键零件，其作用是将活塞上的气体作用力传递给曲轴，把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，为了保证发动机的可靠性，要求连杆应具有足够高的疲劳强度和刚度。为了满足驾驶需求，目前采用胀断连杆来代替切断连杆，为了获得较好的经济加工性能和环保需求，常用以C70S6、46MnVS5为代表的非调质钢来代替调质钢。这类材料中常添加大量的S(0.030～0.080％)以满足切削加工需要，在切削加工过程中，硫化物受热溶解，不仅会降低切削的长度，而且会在刀具表面形成熔融的金属，降低刀具磨损率。因此，这对钢材硫化物形态和硫化物位置提出了更高的要求，通常采用GB/T10561标准来对夹杂物形态进行评级，A类夹杂物等级越小，则表面夹杂物约接近球形且分布均匀。
2015年12月16日公开的公开号为CN 105154774 A的专利公开的一种易切削中碳非调质胀断连杆用钢及其制造方法，是一种易切削中碳非调质胀断连杆用钢，其特点在于其微观组织包括铁素体+珠光体，以及第二相粒子VN；所述钢种：C 0.2-0.55％，Si 0.35-1.00％，Mn 0.5-1.70％，S 0.01-0.09％，P 0.03-0.15％，Cr 0.05-0.50％，V 0.05-0.45％，N0.005-0.030％，其余为Fe及其他不可避免的杂质。该钢种为一种中碳含钒非调质钢，用于制作胀断连杆，该钢种添加了元素S,P等元素，使钢材中生成复合类型的夹杂改善材料的切削性能；同时降低材料塑性变形性能，便于连杆胀断加工，又不明显影响材料的强度及疲劳寿命。但是，夹杂物类型、大小、形貌控制不良，使得材料得不到较好的综合性能。
2016年11月9日公开的公开号为CN 106086288 A的专利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％，己提高材料性能，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。
2010年11月10日公开的公开号为CN 106086288 A的专利裂解连杆用钢，所述钢种C:0.25～0.5％,Si:0.01～2.0％,Mn:0.5～2.0％,S:0.01～0.2％,P:0.015～0.080％,V:0.02～2.0％,Cr:0.05～1.0％,Ti:0.01～0.10％,N:0.01％以下，其余为Fe及其他不可避免的杂质。该钢种的切削性有所改善，但仍难解决切削性和裂解性并立的困难，而且为了提高切削性该钢种适当减少了合金添加量，导致了材料强度的下降。且此钢种添加较高含量的Ti元素，使得钢中生成较大量的有害含Ti夹杂物，使得材料的疲劳性能显著降低。
2017年11月3日公开的公开号为CN 107312908 A的专利公开了一种非调质钢中改善MnS夹杂物形态的冶金方法，该方法采用向刚忠添加Zr元素控制MnS的形态，采用Zr脱氧，利用ZrO2做为MnS的异质形核剂，达到细化MnS的目的。但ZrO2容易聚集，形成脆性夹杂物，恶化钢材的疲劳性能。
2017年12月24日公开的公开号为CN 107287504A的专利公开了一种含硫、含碲的中碳易切削非调质钢机器生产工艺方法，采用Te元素改进钢材的切削性能，但其Te/S比例为0.25～2.5，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Te微合金化高碳胀断连杆用钢及制造方法，通过设计的成分，配合本发明制造工艺，改善胀断连杆用钢硫化物性能，改善存在硫化物评级较差，材料疲劳性能较低的问题。本发明能控制产品夹杂、细化晶粒，提高产品性能，生产的钢A类粗系≤2.5级，A类细系≤2.5级。
本发明还有一个目的在于提供一种Te微合金化高碳胀断连杆用钢的应用，用于生产胀断连杆，产品抗拉强度950～1000MPa，屈服强度670～750MPa，断后伸长率≥10％，断面收缩率≥20％，疲劳强度≥400MPa；切削刀具为TN620，切削速度均为200m/min，刀具磨损量≤0.0050mm。
本发明具体技术方案如下：
一种Te微合金化高碳胀断连杆用钢，包括以下质量百分比成分：
C 0.65～0.75％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.80～1.00％、P≤0.035％、S 0.050～0.080％、Cr 0.10～0.30％、V 0.05～0.20％、Al≤0.010％、Ca 0.0050～0.0150％、Te≤0.0080％，[N]130～180ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
优选的，所述Te微合金化高碳胀断连杆用钢，包括以下质量百分比成分：
C 0.67～0.73％、Si 0.25～0.40％、Mn 0.90～1.00％、P≤0.035％、S 0.050～0.060％、Cr 0.15～0.30％、V 0.10～0.20％、Al≤0.010％、Ca 0.0090～0.0130％、Te0.0030～0.0050％，[N]130～180ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述Te微合金化高碳胀断连杆用钢，其成分满足：(0.5Ca+2Te)/S≥0.2。
所述Te微合金化高碳胀断连杆用钢，A类粗细≤2.5级，A类细系≤2.5级。
本发明提供的一种Te微合金化高碳胀断连杆用钢的制造方法，包括以下步骤：
1)冶炼；
2)在破真空后喂Ca线同步喂送Te线；
3)连铸过程中钢水过热度30～50℃；
4)轧制。
步骤1)中，电炉冶炼符合钢材化学成分的钢水，炼钢过程中，通过电炉精炼对钢水成分进行精确化控制，使钢水成分达到目标值；
步骤2)中，RH真空脱气处理后，同步喂送Ca线和Te线，使之成为硫化物的形核点，达到细化硫化物和硫化物弥散分布的目的；喂送Ca线180～220m，Te线30～60m；
步骤3)中，连铸过程中，严格控制钢水过热度，改善高碳钢低倍组织与偏析；
步骤4)轧制过程中，均热段温度1210℃～1250℃，均热时间≥4h，终轧温度≥880℃。采用高的加热温度和长的加热时间，以保证硫化物充分均匀，降低表面缺陷提高钢材表面质量；
本发明提供的一种Te微合金化高碳胀断连杆用钢的应用，用于生产胀断连杆，生产的胀断连杆抗拉强度950～1000MPa，屈服强度670～750MPa，断后伸长率≥10％，断面收缩率≥20％，疲劳强度≥400MPa；切削刀具为TN620，切削速度均为200m/min，刀具磨损量≤0.0050mm。
本发明成分设计原理如下：
C：C元素是获得高的强度、硬度所必需的，且随着C含量的提高，可显著降低钢的塑性和韧性，从而获得良好的胀断性能。过高碳含量会导致连杆颈位置韧性过差、缺口敏感性过高，导致连杆疲劳强度偏低；过低的C含量易导致强度偏低，韧性过好，出现连杆大头位置胀不开或胀断变形量偏大问题。因而C含量宜控制为0.65～0.75％。
Si：Si是钢中主要的脱氧元素，具有很强的固溶强化作用，但Si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，C的活性增加，促进钢在轧制和锻造加热过程中的脱碳和石墨化倾向，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，恶化钢的抗疲劳性能。因此控制Si含量为0.20～0.40％。
Mn：Mn一方面可以和S结合形MnS，改善切削加工性能，另一方面还可以显著推迟珠光体-铁素体相变，降低铁素体含量、细化珠光体球团和减小珠光体片层间距，提高钢的强度。但Mn含量不易过高，过高极易导致贝氏体产生，极度恶化钢的强韧性。因此，和传统C70S6相比，本发明适度提高Mn含量，控制Mn含量在0.80％～1.00％。
Cr：Cr能够有效地提高钢的淬透性和推迟珠光体-铁素体相变，以获得所需的高强度，并且通过固溶强化还能够显著屈强比；同时Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制、锻造过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能。但含量过高会恶化钢的韧性，因而控制Cr含量为0.10～0.30％。
P：在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体后温度加热时偏聚到晶界，使钢的脆性显著增大，从而使钢的塑韧性降低，虽然可显著改善胀断连杆胀断性能，但也带来疲劳尤其缺口疲劳性能下降。若P含量过高，会同时导致连杆颈位置韧性偏低，疲劳性能下降。因此，P含量应控制在0.035％以下。
S：S与Mn形成MnS,显著改善钢的切削加工性能。本发明钢由于强度相对较高，为改善切削加工性能，S含量应控制在S 0.050-0.080％。
V：V是钢中的强化元素，V与C、N都有极强的亲和力，在钢中主要以碳化物的形态存在，主要是由于VC、V(CN)的沉淀强化，V在钢中通过细化组织和晶粒度，实现材料强度与韧性的提升，因此V含量应≥0.05；但是V含量过高时会导致钢材韧性恶化，并且在连铸冷却过程中容易出现表面裂纹，因此V含量应≤0.20％，综上所述，V含量控制在0.05-0.20％。
N：氮元素是重要的合金元素，能够与Al和V反应，形成细小的碳氮化物析出，从而细化奥氏体晶粒度。氮含量应控制在0.0130～0.0180％。
Al：由于本发明钢中S含量较高，添加Al会恶化钢的可浇注性，因此，Al含量应控制在≤0.010％。
Ca：Ca作为合金元素添加到钢材中，意在综合调和钢材的切削性能和胀断性能，有不能明显降低材料的疲劳性能和强度。经试验表明，在该钢中添加Ca，能够综合改善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的添加能够脆化晶界，提高连杆的裂解性能。充分发挥上述想过，本发明中钢的Ca含量范围设定为0.0050～0.0150％。
Te：本发明钢中添加少量的Te用来改善钢材的硫化物评级。MnS以细小弥散分布的含Te的共晶体为形核核心，从而降低MnS夹杂的团聚效应和评级结果。而且Te的加入也会提高MnS的表面张力使MnS球化，避免细长的MnS的硫化物形成。另外，固溶的Te也会提高MnS夹杂的硬度，避免轧制过程中MnS被拉长，同时也会降低夹杂物与基体之间的硬度差，提高材料的疲劳强度。当Te含量＞0.0080％时，不仅造成Te材料的浪费，还会析出形成大颗粒的含Te化合物，影响硫化物球化效果和材料疲劳寿命。因此，本发明钢的Te含量范围设定为≤0.0080％。
为了最大化Te对硫化物的改质效果，Te、Ca和S三者之间还应满足(0.5Ca+2Te)/S≥0.2，若高于此值会降低材料硫化物评级。
本发明所采用的技术方案是：1)适当提高Mn含量，推迟珠光体-铁素体转变温度，细化珠光体球团和珠光体片层直径，提高胀断连杆的强度；2)钢液中的Te固溶进入MnS夹杂，提高MnS的表面张力，从而改善钢液中Ⅱ类硫化物的数量、形态和分布；3)固溶得Te提高MnS的硬度，一方面在切削加工使时使铁屑更容易断裂，从而提高切削加工性能，另一方面，提高MnS的硬度，降低硫化物与基体之间的硬度差，改善材料的疲劳强度；4)由于Te对硫化物的改质作用强于Ca，减弱由于Ca的加入所导致的材料性能的恶化，提高材料的强度。采用本发明钢生产的胀断连杆抗拉强度950～1000MPa，屈服强度670～750MPa，断后伸长率≥10％，断面收缩率≥20％，疲劳强度≥400MPa；切削刀具为TN620，切削速度均为200m/min，刀具磨损量≤0.0050mm。本发明钢种和传统胀断连杆用钢C70S6相比，提高了材料的强度和切削加工性能，降低企业零件制造成本。
附图说明
图1为实施例1硫化物形貌；
图2为实施例2硫化物形貌；
图3为实施例3硫化物形貌；
图4为对比例1硫化物形貌；
图5为对比例2硫化物形貌；
图6为对比例3硫化物形貌。
具体实施方式
实施例1～3的Te微合金化非调质钢及对比例1钢化学成分重量百分比如表1所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。实施例1～3及对比例1均采用电炉冶炼，经LF精炼+RH真空脱气后直接连铸成250×250mm的方坯，连铸坯经加热后轧制成
圆钢。对比例1为采用常规生产工艺所生产的C70S6热轧圆钢。对比例2～3为实施例1成分，但是不采用本发明冶炼与轧制工艺。
表1实施例1-3及传统钢的化学成分([N]为ppm，其他为wt％)
各实施例和对比例冶炼后，在破真空后喂Ca线同步喂送Te线；喂送Ca线180～220m，Te线30～60m；连铸过程中钢水过热度30～50℃；轧制过程中，均热段温度1210℃～1250℃，均热时间≥4h，终轧温度≥880℃。
各实施例和对比例圆钢冶炼与轧制过程中关键工艺参数如表2所示。按照GB/T10561标准中A法对圆钢A类夹杂物进行评级，结果如表3所示。
表2冶炼与轧制过程中关键工艺参数
表3各实施例和对比例A类夹杂物
生产的圆钢经剪切、滚锻、模锻、风冷等工艺制成胀断连杆。锻造加热温度1150～1200℃，始锻温度1100～1150℃，终锻温度≥900℃，冷速8～17℃/s，下冷线温度≤400℃。生产的胀断连杆进行检测，在连杆颈部取标准拉伸试样进行力学性能检测，检测结果如表4所示。切削刀具为TN620，切削速度均为200m/min，切削完成后进行刀具磨损量检测，结果如表3所示
表4各实施例和对比例钢生产的胀断连杆的性能
本发明钢种和传统胀断连杆用钢C70S6相比，提高了材料的强度和切削加工性能，降低企业零件制造成本。通过实施例1和对比例2-3比较也可以发现，即使采用本发明的钢成分，如果生产工艺不采用本发明的工艺，生产的产品也不能达到本发明性能要求。
Claims (7)
1.一种Te微合金化高碳胀断连杆用钢，其特征在于，所述Te微合金化高碳胀断连杆用钢包括以下质量百分比成分：
C 0.65~0.75%、Si 0.20~0.40%、Mn 0.80~1.00%、P≤0.035%、S 0.050~0.080%、Cr 0.10~0.30%、V 0.05~0.20%、Al ≤0.010%、Ca 0.0050~0.0150%、Te 0.0030-0.0080%，[N] 130~180ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素；
所述Te微合金化高碳胀断连杆用钢的制造方法，包括以下步骤：
1）冶炼；
2）在破真空后喂Ca线同步喂送Te线，喂送Ca线180~220m，喂送Te线30~60m；
3）连铸过程中钢水过热度30~50℃；
4）轧制：均热段温度1210℃~1250℃，均热时间≥4h，终轧温度≥880℃。
2.根据权利要求1所述的Te微合金化高碳胀断连杆用钢，其特征在于，所述Te微合金化高碳胀断连杆用钢包括以下质量百分比成分C 0.67~0.73%、Si 0.25~0.40%、Mn 0.90~1.00%、P≤0.035%、S 0.050~0.060%、Cr 0.15~0.30%、V 0.10~0.20%、Al ≤0.010%、Ca0.0090~0.0130%、Te 0.0030~0.0050%，[N] 130~180ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1或2所述的Te微合金化高碳胀断连杆用钢，其特征在于，所述Te微合金化高碳胀断连杆用钢，其成分满足：（0.5Ca+2Te) /S≥0.2。
4.根据权利要求1或2所述的Te微合金化高碳胀断连杆用钢，其特征在于，所述Te微合金化高碳胀断连杆用钢，A类粗系≤2.5级，A类细系≤2.5级。
5.根据权利要求3所述的Te微合金化高碳胀断连杆用钢，其特征在于，所述Te微合金化高碳胀断连杆用钢，A类粗系≤2.5级，A类细系≤2.5级。
6.一种权利要求1-5任一项所述Te微合金化高碳胀断连杆用钢的应用，其特征在于，用于生产胀断连杆。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，生产胀断连杆抗拉强度950~1000MPa，屈服强度670~750MPa，断后伸长率≥10%，断面收缩率≥20%，疲劳强度≥400MPa；刀具磨损量≤0.0050mm。
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