CN117259662A - 一种中碳微合金非调质胀断连杆的控锻控冷工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金结构钢技术领域，具体涉及一种中碳微合金非调质胀断连杆的控锻控冷工艺；锻造加热温度1175~1239℃，始锻温度1105~1152℃，终锻温度960~1038℃；锻后立即对胀断连杆锻件进行保温或缓冷处理，保温或缓冷结束时的温度控制820~870℃，再经风冷冷却至545~620℃后空冷至室温。本发明生产的胀断连杆，大头晶粒尺寸为3.5~6.0级，有效提升了胀断性能，且胀断不合格率降至3‰以下。同时胀断连杆各项力学性能符合标准要求，抗拉强度1080~1163MPa，屈服强度770~840MPa，断后伸长率≥14%，面缩率≤42%，布氏硬度≥313HB，满足高性能发动机胀断连杆的需求。
Description
技术领域
本发明属于合金结构钢技术领域，尤其涉及一种中碳微合金非调质胀断连杆的控锻控冷工艺。
背景技术
连杆是汽车发动机中重要的零部件之一。连杆的质量十分重要，连接着发动机中活塞与曲杆，通过活塞承受的气体压力传给曲轴，使活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动。因此，连杆不断承载着周期性变化的压缩、拉伸等交变载荷，这就要求连杆具有足够的强度和一定的刚度。
胀断技术（连杆裂解技术）于20世纪90年代被首次应用于发动机连杆制造中，并不断发展和成熟。胀断技术原理是基于断裂力学和应力集中理论，通过楔形铁向下推动连杆大头沿中心轴线方向产生压力，使预制裂纹槽启裂并快速扩展，在几乎不发生塑性变形的情况下达到连杆本体与连杆盖分离的目的。因此，相较于传统加工技术，连杆胀断技术具有加工工序少、节省精加工设备、节材节能、生产成本低等优点。此外这种技术还可使连杆承载能力、剪能力、装配质量大显著提高，有利于提高发动机生产技术水平和整机性能。
对胀断缺陷连杆进行进一步的分析研究发现，缺陷连杆的断口平面上存在韧窝和韧性断裂区，证明胀断过程中存在塑性变形。同时，各缺陷连杆的面缩率均超过标准要求，进一步表明胀断连杆的塑性过高导致连杆大头的胀断性能差。因此，需要在保证连杆杆部的晶粒尺寸及各项力学性能仍符合要求的前提下，通过工艺优化有效降低连杆大头的塑性，从而获得理想的胀断性能，减少拉皮、掉渣、断口不齐等问题的发生。
发明内容
本发明的目的是提出一种中碳微合金非调质胀断连杆的控锻控冷工艺，能够获得粗大的连杆大头晶粒和较低塑性，从而获得理想的胀断性能，保证胀断连杆在胀断过程中不发生塑性变形。
本发明还有一个目的在于通过中碳微合金非调质胀断连杆的控锻控冷工艺，能够保证胀断连杆的杆部的晶粒尺寸符合标准要求，各项力学性能符合标准要求。胀断连杆产品达到抗拉强度1080~1163MPa，屈服强度770~840MPa，断后伸长率≥14%，面缩率≤42%，布氏硬度≥313HB。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供的一种中碳微合金非调质胀断连杆的控锻控冷工艺，具体控锻工艺为：锻造加热温度1175~1239℃，始锻温度1105~1152℃，终锻温度960~1038℃。
本发明提供的一种中碳微合金非调质胀断连杆的控锻控冷工艺，具体控冷工艺为：锻造结束后，将连杆锻件进行保温处理或进行缓冷，保温或缓冷结束时的温度控制在820~870℃；保温处理或进行缓冷的时间控制在30~50s；
保温或缓冷后采用风冷与空冷相结合的冷却方式进行冷却，风冷的冷速控制在1.5~3.0℃/s，冷却至540~620℃，风冷后，空冷至室温。
所述中碳微合金非调质胀断连杆，包括如下重量百分比的化学成分：C 0.45-0.48%、Si 0.61-0.65%、Mn 1.15-1.19%、P 0.014-0.019%、S 0.047-0.055%、Cr 0.19-0.24%、Al 0.014-0.019%、V 0.14-0.17%、Nb 0.021-0.025%、[N] 0.015-0.018%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步的，所述风冷的冷速控制在1.7~2.8℃/s。
本发明提供的一种中碳微合金非调质胀断连杆，采用上述控锻控冷工艺生产得到。
所述中碳微合金非调质胀断连杆的组织为铁素体+珠光体，铁素体的含量为5~12%。
所述中碳微合金非调质胀断连杆大头的晶粒尺寸为3.5~6.0级，杆部的晶粒尺寸为5.5~8.0级。
所述中碳微合金非调质胀断连杆的抗拉强度1080~1163MPa，屈服强度770~840MPa，断后伸长率≥14%，面缩率≤42%，布氏硬度≥313HB。
一般而言为了实现胀断连杆良好的性能，其不可避免的使用了较多的合金元素，例如Nb、V等合金元素；以此实现材料强度与韧性的提升，但是其不可避免的会带来成本升高的问题，这是本领域普遍存在的问题。而本发明恰恰解决了此技术问题，本发明涉及的胀断连杆的合金成分含量较低，在有效控制成本的同时，依然能够满足胀断连杆的性能要求，取得显著技术效果。
进一步说明本发明上述控锻控冷工艺设计原理：
为了满足保证连杆胀断合格率需对晶粒尺寸变化进行控制，通过增加保温或缓冷环节以及结合调节风冷冷速，达到控制晶粒的长大，从而降低胀断连杆大头的塑性，保证胀断过程中稳定发生胀断性能。
在本领域尚未有报道在控冷过程中进行先保温或缓冷，保温或缓冷阶段是控制晶粒尺寸的重要措施，本发明具备独创性。在奥氏体化温度进行保温或进行缓冷，同时限定时间为：30~50s；各奥氏体晶粒有充足的时间进行长大，从而获得较大的晶粒尺寸，冷却至室温可获得较粗大的珠光体+铁素体组织，从而降低连杆大头位置的韧性，提高连杆的胀断合格率。如在较短的时间内，晶粒无法长大至预期尺寸，因此对连杆大头的塑性影响十分有限，无法有效提升连杆的胀断性能；若所采用的时间较长，由于连杆整体处于保温或缓冷过程，连杆杆部组织的晶粒也会长大，而杆部晶粒尺寸的增大会导致杆部的性能变差。
本发明在对46MnVS5材料基础特性的研究中，通过热模拟实验得到了该材料的连续冷却相变曲线（CCT曲线），故以此为数据支持，设计了冷却速度：为保证冷却至室温的组织中不出现异常组织，无贝氏体，需保证冷却速度为1.5~3℃/s；既可以减少组织相变的时间，避免其他组织的出现，也可以细化珠光体片层间距，进一步降低连杆大头位置的韧性。此外，本发明涉及的冷却速度为1.5~3℃/s，在实际生产过程中是比较容易实现的，同时实现该流程的成本较低。
因此连杆锻造工艺为：锻造加热温度1175~1239℃，始锻温度1105~1152℃，终锻温度960~1038℃；锻造结束后，将连杆锻件进行保温处理或进行缓冷，保温或缓冷结束时的温度控制在820~920℃；而后采用风冷，快速冷却至540~620℃后，空冷至室温。
与现有技术相比，本发明采用的控锻控冷工艺生产的中碳微合金非调质胀断连杆，其大头晶粒得到明显的粗化效果，在易产生缺陷的边缘处晶粒度增大了1.0~2.0级，在远离边缘处的晶粒度增大了2.0~2.5级，且各位置的晶粒尺寸分布较均匀。因此可降低大头的塑性，从而提高大头的胀断性能，保证胀断合格率。
采用本发明的控锻控冷工艺获得的中碳微合金非调质胀断连杆，其各项力学性能满足标准要求，连杆的抗拉强度1080~1163MPa，屈服强度770~840MPa，断后伸长率≥14%，面缩率≤42%，布氏硬度≥313HB，满足胀断连杆的性能需求。
采用本发明的控锻控冷工艺所生产的中碳微合金非调质胀断连杆，其胀断不合格率小于3‰，证明本发明能够在各项力学性能仍满足标准要求下，获得较低塑性的连杆大头组织，保证连杆的胀断合格率，满足高性能发动机胀断连杆的发展需求。
附图说明
图1为本发明胀断连杆的控锻控冷工艺图。
图2为实施例1胀断连杆大头微观形貌图。
图3为实施例2胀断连杆大头微观形貌图。
图4为实施例3胀断连杆大头微观形貌图。
图5为实施例4胀断连杆大头微观形貌图。
图6为实施例5胀断连杆大头微观形貌图。
图7为实施例6胀断连杆大头微观形貌图。
图8为对比例1胀断连杆大头微观形貌图。
图9为对比例2胀断连杆大头微观形貌图。
图10为实施例1胀断连杆应力-应变曲线。
图11为实施例2胀断连杆应力-应变曲线。
图12为实施例3胀断连杆应力-应变曲线。
图13为实施例4胀断连杆应力-应变曲线。
图14为实施例5胀断连杆应力-应变曲线。
图15为实施例6胀断连杆应力-应变曲线。
图16为对比例1胀断连杆应力-应变曲线。
图17为对比例2胀断连杆应力-应变曲线。
具体实施方式
实施例中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
结合附图及实施例1-6、对比例1-2对本发明做详细的说明，其中，实施例1-6采用本发明控锻控冷工艺，对比例1-2为采用实施例1-6的钢，材料相同，但未采用本发明控锻控冷工艺。
表1为实施例1-6和对比例1-2的中碳微合金非调质胀断连杆（非调质钢46MnVS5）的化学成分(wt%)
实施例1-6的锻造加热温度1175~1239℃，始锻温度1105~1152℃，终锻温度960~1038℃；冲孔切边后进行保温或缓冷至820~870℃，采用风冷进行冷却至545~620℃，而后空冷至室温。
实施例1-6具体控锻控冷和对比例1-2的工艺参数见表2。在胀断连杆的成品上取金相试样进行微观组织分析，均为铁素体+珠光体组织，分析结果见表3，在胀断连杆杆部取标准拉伸试样进行力学性能分析见表4。
表2各实施例和对比例具体控锻控冷工艺
表3各实施例和对比例的晶粒尺寸及铁素体含量统计表
图2-图9为实施例1-6和对比例1-2的连杆大头金相组织，表3为晶粒尺寸及铁素体百分含量统计表。
从结果中可以看出，采用本发明所提供的控锻控冷工艺完全试制的胀断连杆铁素体含量为5.5~12.0%，连杆杆部的晶粒度符合要求。相较于对比例，实施例的胀断连杆在大头易产生缺陷的边缘处晶粒度增大了1.0~2.0级，在远离边缘处的晶粒度增大了2.0~2.5级，且各位置的晶粒尺寸分布更均匀。
表4各实施例和对比例力学性能统计表
表4为实施例1-6和对比例1-2的力学性能统计表，图10-图17为实施例1-6和对比例1-2的应力-应变曲线，可见，采用本发明所提供的控锻控冷工艺完全试制的胀断连杆各项力学性能符合标准要求，抗拉强度1080~1163MPa，屈服强度770~840MPa，断后伸长率≥14%，面缩率≤42%，布氏硬度≥313HB。
面缩率是反应金属塑性的重要指标，对比实施例和对比例，可以看出，实施例连杆的面缩率显著低于对比例的连杆，通过本发明的工艺显著降低了面缩率，保证胀断连杆在胀断过程中不发生塑性变形，取得了实质性的技术效果。
采用本工艺进行小批量试制，生产的胀断连杆的胀断不合格率为2.1~2.9‰，证明采用本发明的控锻控冷工艺进行胀断连杆的生产，能在保证力学性能符合标准要求的前提下，获得粗大晶粒和较低塑性的连杆大头组织，保证连杆的胀断合格率，满足高性能发动机胀断连杆发展需求。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (7)
1.一种中碳微合金非调质胀断连杆的控锻控冷工艺，其特征在于，控锻控冷工艺的步骤为：
（1）锻造加热温度1175~1239℃，始锻温度1105~1152℃，终锻温度960~1038℃；
（2）锻造结束后，将连杆锻件进行保温处理或进行缓冷，时间控制在30~50s，保温或缓冷结束时的温度控制在820~870℃；
（3）采用风冷与空冷相结合的冷却方式进行冷却，风冷的冷速控制在1.5~3.0℃/s，冷却至545~620℃后空冷至室温；
中碳微合金非调质胀断连杆，包括如下重量百分比的化学成分：C 0.45-0.48%、Si0.61-0.65%、Mn 1.15-1.19%、P 0.014-0.019%、S 0.047-0.055%、Cr 0.19-0.24%、Al0.014-0.019%、V 0.14-0.17%、Nb 0.021-0.025%、[N] 0.015-0.018%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种中碳微合金非调质胀断连杆的控锻控冷工艺，其特征在于：所述步骤（3）风冷的冷速控制在1.7~2.8℃/s。
3.一种权利要求1-2任一项所述中碳微合金非调质胀断连杆的控锻控冷工艺生产的中碳微合金非调质胀断连杆。
4.根据权利要求3所述的中碳微合金非调质胀断连杆，其特征在于，中碳微合金非调质胀断连杆的组织为铁素体+珠光体组织，铁素体的含量为5~12%。
5.根据权利要求3所述的中碳微合金非调质胀断连杆，其特征在于，中碳微合金非调质胀断连杆大头的晶粒尺寸为，3.5~6.0级，杆部的晶粒尺寸为5.5~8.0级。
6.根据权利要求3所述的中碳微合金非调质胀断连杆，其特征在于，中碳微合金非调质胀断连杆的抗拉强度1080~1163MPa，屈服强度770~840MPa，断后伸长率≥14%，面缩率≤42%，布氏硬度≥313HB。
7.根据权利要求3所述的中碳微合金非调质胀断连杆，其特征在于，中碳微合金非调质胀断连杆的胀断不合格率为3‰以下。
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