CN115125447A

CN115125447A - 一种Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢及生产的胀断连杆和控锻控冷工艺

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Publication number: CN115125447A
Application number: CN202210761185.2A
Authority: CN
Inventors: 汪开忠; 杨少朋; 金国忠; 胡芳忠; 杨志强; 陈世杰; 王自敏; 高振波; 张树山
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2042-06-29
Also published as: CN115125447B

Abstract

本发明提供了一种Nb‑V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢及生产的胀断连杆和控锻控冷工艺，成分C 0.67‑0.70％、Si 0.25‑0.30％、Mn 0.95‑1.10％、P≤0.025％、S 0.060‑0.070％、Cr 0.20‑0.30％、V 0.05‑0.10％、Nb 0.030‑0.050％、Al≤0.010％、[N]0.0140～0.0160％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，经过本发明控锻控冷工艺，生产的产品抗拉强度1000～1100MPa，屈服强度700～800MPa，断后伸长率≥12％，疲劳强度≥410MPa；布氏硬度≥300HB，满足膨胀连杆的性能要求。

Description

一种Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢及生产的胀断连杆和控锻控冷工艺

技术领域

本发明属于合金结构钢技术领域，尤其涉及一种Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢及生产的胀断连杆和控锻控冷工艺。

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。连杆的机械加工工艺复杂，精度要求高，特别是连杆大头孔。由于机械加工精度误差而造成的连杆大头孔失圆是影响发动机性能可靠性的一个重要因素。

近年来国外通过开发胀断(裂解)连杆技术来解决此问题。该技术有传统连杆加工工艺无法比拟的优越性，其加工工序少，节省精加工设备，节材节能，生产成本明显降低。用于胀断加工的连杆材料主要是粉末冶金材料、锻钢、球磨铸铁和可锻铸铁。胀断连杆的尺寸精度高，组织结构与力学性能好，在传统连杆制造业中应用最为广泛，尤其用于负荷大、转速高的发动机，以及要求连杆具有高疲劳性能和可靠性的场合。

胀断连杆技术要求材料断裂时不能产生较大的塑性变形，断口必须呈脆性断裂状态。欧美最早采用的胀断连杆用钢是在0.70％碳钢基础上开发的高碳钢SAE1070或C70S6，其成分特点是低硅、低锰、添加微合金元素V和易切削元素S，其在胀断连杆行业获得广泛应用。由于胀断连杆结构的特殊性，需要连杆大头和连杆颈部位具有不同的组织和性能。对于C70S6材料而言，连杆大头位置需要较低的铁素体含量(≤15％)和冲击功(KV₂≤15J)，以保证材料具有较高的脆性，避免胀断加工时零件出现胀不断和断口不齐的不合格现象。而对于连杆颈位置则需要较高的铁素体含量(≥15％)和冲击功(KV₂≥20J)，以保证材料具有较高的抗拉强度和疲劳强度(R_m：≤950MPa，R_p0.2≤650MPa，σ_-1≥460MPa)，以满足发动机高爆发、轻量化发展需要。

2015年7月15日公开的公开号CN 104775081A的专利一种撑断连杆用高碳非调质钢及其制造方法，公开了一种撑断连杆用高碳非调质钢及其制造方法，其成分为：C 0.65～0.85％，Si 0.15～0.25％，Mn 0.50～0.60％，P 0.10～0.045％，S 0.060～0.070％，Cr0.10～0.20％，Ni 0.55～0.80％，V 0.03～0.04％，W 0.10～0.20％,N 0.0120～0.0160％，Re：0.0001～0.0004％，其余为Fe以及不可避免杂志。其特点在于含有W和Re元素，这导致冶炼难度较大，且原材料成本较高。

2011年6月25日公开的公开号CN 102108472A的专利用于汽车发动机裂解连杆的高碳微合金圆钢及其生产方法公开了一种汽车发动机裂解连杆的材料及其制造方法，其化学成分为：C 0.60～0.80％，Si 0.17～0.37％，Mn 0.30～0.90％，P 0.020～0.060％，S0.050～0.080％，N 0.015～0.030％其余为Fe及不可避免的杂质。但是材料胀断加工性能较差，无法满足相关技术要求，并且其强度较低，无法满足汽车轻量化设计需求。

综上所述，现有专利所涉及的C70S6成分和锻造加工工艺所得的胀断连杆抗拉强度、疲劳强度较低和胀断合格率低，无法满足未来高性能胀断连杆发展需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢，通过优化配方设计，使其能用于胀断连杆生产，提高胀断连杆性能。

本发明还有一个目的在于提供一种Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢生产的胀断连杆及生产中的控锻控冷工艺。疲劳性能由于C70S6非调质钢，连杆组织均为铁素体+珠光体，铁素体面积百分含量5～10％；产品抗拉强度1000～1100MPa，屈服强度700～800MPa，断后伸长率≥12％，疲劳强度≥410MPa；布氏硬度≥300HB。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：

一种Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢，所述Nb-V符合强化高碳胀断连杆用非调质钢包括以下质量百分比成分：C 0.60～0.75％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.80～1.20％、P≤0.035％、S 0.060～0.080％、Cr 0.10～0.30％、V 0.05～0.15％、Nb 0.030-0.050％、Al≤0.010％、[N]0.0130～0.0180％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

优选的，所述Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢，包括以下质量百分比成分：C 0.67-0.70％、Si 0.25-0.30％、Mn 0.95-1.10％、P≤0.025％、S 0.060-0.070％、Cr0.20-0.30％、V 0.05-0.10％、Nb 0.030-0.050％、Al≤0.010％、[N]0.0140～0.0160％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

所述Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢，为了获得最佳的胀断效果，其成分关系应满足X＝16×Mn+3×V+5×Nb-3/C，X≥10；公式计算时，各元素所指数值为上述非调质钢的对应元素的含量×100；

本发明提供的一种Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢生产胀断连杆的控锻控冷工艺，利用上述Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢生产，生产中，锻造加热温度1180～1230℃，始锻温度1150℃～1200℃，终锻温度≥900℃，锻后采用风冷处理，冷却速率6℃/s～13℃/s，下冷线温度≤450℃，之后空冷

本发明提供的一种胀断连杆，采用上述控锻控冷工艺生产得到，所生产的胀断连杆组织为铁素体+珠光体，铁素体面积百分含量5～10％；

所生产的胀断连杆抗拉强度1000～1100MPa，屈服强度700～800MPa，断后伸长率≥12％，疲劳强度≥410MPa；布氏硬度≥300HB。

本发明各元素的作用及配比以及控锻控冷工艺依据如下：

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。因此，结合本钢种合金成分体系综合考虑，C含量宜控制为0.60～0.75％。

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％～1.20％。

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。本发明中主要通过高碳及锻造及冷却工艺控制在连杆大头位置获得高强度及粗晶粒来降低韧性，提高胀断性能，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 0.060-0.080％。

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。对于高碳钢来说，由于铸造过程中热应力较大，易造成连铸坯开裂，因此需要控制V含量，故V含量应≤0.15％，但是适量的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有利于改善，因此V含量应≥0.05％，综上所述V含量控制为0.05-0.15％。

N：氮元素是重要的合金元素，能够与Al、Nb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130～180ppm。

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％。

Nb：Nb与钢中N、C元素形成Nb(C,N)析出相可起到细化晶粒和析出强化作用，固溶Nb还可显著推迟珠光体-铁素体相变。由于连杆大头尺寸大，相同条件下，冷却速度相对较慢，锻造温度高，避免Nb在奥氏体中析出，抑制Nb的晶粒细化作用，主要通过Nb在珠光体-铁素体相变过程中的析出强化作用和固溶Nb抑制珠光体-铁素体相变，提高大头位置强度的同时，显著降低韧性；对于连杆工字颈及小头位置，由于尺寸较小，相对冷却速度较快，锻造温度低，促进Nb在奥氏体中析出，主要通过细晶强化和部分的析出强化，提高工字颈位置的强度及屈强比的同时改善韧性。因此，从提高强度和改善胀断性能两个方面考虑，Nb含量控制在0.030-0.050％。

本发明合金设计思路为1)在C70S6非调质钢的基础上，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)采用Nb-V微合金化来细化原奥氏体晶粒尺寸和珠光体球团尺寸，进一步提高强度和屈强比，并充分利用固溶V、Nb进一步推珠光体-铁素体相变，从而改善因晶粒细化导致的铁素体含量、导致胀断变形量增加、断口不齐的问题，因此Mn、V、Nb、含量与X为正相关关系，但是钢中C元素为高淬透性元素，较高的C容易形成贝氏体组织，不利于断口平整性，因此C元素与碳含量倒数为负相关关系，综上所述，连杆成分应满足公式X＝16×Mn+3×V+5×Nb-3/C，X≥10的要求。

为了保证连杆的胀断加工效果，需对锻造工艺进行限定，较高的锻造温度有利于Nb、V元素的溶解，从而提高连杆大头位置铁素体与珠光体的硬度差，从而降低连杆大头位置的韧性，提高连杆的胀断合格率，而较高的冷却速度有利于珠光体片层间距细化，进一步降低连杆大头位置的韧性，较低的下冷线温度可以避免连杆由于自回火导致珠光体组织球化，避免大头位置韧性的提高。因此连杆锻造工艺为：锻造加热温度1180～1230℃，始锻温度1150℃～1200℃，终锻温度≥900℃，锻后采用风冷处理，冷却速率6℃/s～13℃/s，下冷线温度≤450℃，之后空冷。

与现有技术相比，本发明经过设计的钢成分，按照本发明的工艺生产，获得产品抗拉强度1000～1100MPa，屈服强度700～800MPa，断后伸长率≥12％，疲劳强度≥410MPa；布氏硬度≥300HB，降低大头韧性，提高工字颈位置的强度及屈强比的同时改善韧性，提高连杆的胀断合格率，满足胀胀连杆的性能要求。

附图说明

图1为实施例1钢的微观组织形貌；

图2为实施例2钢的微观组织形貌；

图3为实施例3钢的微观组织形貌；

图4为对比例1钢的微观组织形貌；

图5为对比例2钢的微观组织形貌；

图6为对比例3钢的微观组织形貌；

图7为钢C70S6钢的微观组织形貌。

具体实施方式

结合附图及实施例1-3、对比例1-3和传统钢对比例4对本发明做详细的说明，其中，对比例1-3为采用实施例1钢，但未采用本发明控锻控冷工艺，对比例4为传统钢C70S6。

实施例1-3的非调质钢及对比例4的传统C70S6非调质钢的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。

表1实施例1-3及传统钢对比例4的化学成分(wt％)

实施例1-3及对比例4传统钢生产时，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，经加热轧制成

圆钢，在圆钢经下料、中频感应炉加热，滚锻、模锻、切边后上控冷线进行控制冷却，本发明实施例控锻控冷工艺为：锻造加热温度1180～1230℃，始锻温度1150℃～1200℃，终锻温度≥900℃，锻后采用风冷处理，冷却速率6℃/s～13℃/s，下冷线温度≤450℃，之后空冷。对比例1-3采用实施例1的钢，只是控锻控冷工艺与实施例不同，各实施例和对比例控锻控冷工艺参数如表2所示。在零件成品上取标准拉伸试样及金相试样进行力学性能分析和微观组织分析，结果如表3。

表2各实施例和对比例控锻控冷工艺

表3各实施例与对比例硬度、力学性能及铁素体面积百分含量统计表

图1-图7为实施例1-3、对比例1-3及对比例4传统C70S6金相组织，表3为实施例4-6及力学性能及铁素体面积比百分含量统计表，可见，本发明钢采用本发明所提供的控锻控冷工艺完全试制的胀断连杆抗拉强度1000～1100MPa，屈服强度700～800MPa，断后伸长率≥12％，疲劳强度≥410MPa；布氏硬度≥300HB，铁素体面积百分含量5～10％。对比实施例和对比例1-3，也可以看出，即使采用本发明钢(对比例1-3采用的是与实施例1相同的钢)，但是控锻控冷工艺不满足本发明要求的，产品的组织不能满足本发明要求，产品的抗拉强度、屈服强度、疲劳强度都明显低于本发明实施例。

Claims

1.一种Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢，其特征在于，所述Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢包括以下质量百分比成分：C 0.60～0.75％、Si 0.20～0.40％、Mn0.80～1.20％、P≤0.035％、S 0.060～0.080％、Cr 0.10～0.30％、V 0.05～0.15％、Nb0.030-0.050％、Al≤0.010％、[N] 0.0130～0.0180％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢，其特征在于，所述Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢包括以下质量百分比成分：C 0.67-0.70％、Si0.25-0.30％、Mn 0.95-1.10％、P≤0.025％、S 0.060-0.070％、Cr 0.20-0.30％、V 0.05-0.10％、Nb 0.030-0.050％、Al≤0.010％、[N] 0.0140～0.0160％，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Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢，其特征在于，其成分关系应满足X＝16×Mn+3×V+5×Nb-3/C，X≥10。

4.一种权利要求1-3任一项所述的Nb-V复合强化高碳胀断连杆用非调质钢生产胀断连杆的控锻控冷工艺，其特征在于，所述控锻控冷工艺包括：锻造加热温度1180～1230℃，始锻温度1150℃～1200℃，终锻温度≥900℃。

5.根据权利要求4所述的控锻控冷工艺，其特征在于，锻后采用风冷处理。

6.根据权利要求4或5所述的控锻控冷工艺，其特征在于，锻后风冷的冷却速率6℃/s～13℃/s。

7.根据权利要求4-6任一项所述的控锻控冷工艺，其特征在于，下冷线温度≤450℃，之后空冷。

8.根据权利要求4-7任一项所述控锻控冷工艺生产的胀断连杆。

9.根据权利要求8所述的胀断连杆，其特征在于，所述胀断连杆组织为铁素体+珠光体，铁素体面积百分含量5～10％。

10.根据权利要求8或9所述控锻控冷工艺，其特征在于，所述胀断连杆抗拉强度1000～1100MPa，屈服强度700～800MPa，断后伸长率≥12％，疲劳强度≥410MPa，布氏硬度≥300HB。