分享：C70S6非调质钢胀断连杆的制造工艺及其实物质量
邓向阳,谢 有,李仕超
(中天钢铁集团有限公司,常州 213011)
摘 要:对 C70S6非调质钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线进行了合理测定,采用力学性能测 试、金相检验、疲劳性能测试等方法对 C70S6非调质钢胀断连杆的品质进行了分析。结果表明:轧 钢过程中采用高温扩散加热及控轧控冷工艺可得到均匀稳定的轧后组织;控制锻造后冷却速率可 使连杆显微组织中的铁素体占比远低于10%,并有效防止出现马氏体等异常组织;最终制作的 C70S6非调质钢胀断连杆的各项理化性能指标和疲劳寿命测试结果均能满足使用要求。
关键词:C70S6非调质钢;胀断连杆;控轧控冷;疲劳寿命
中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)08-0016-05
连杆是汽车发动机五大核心零部件之一,其长 期工作于高温环境,且加工制造过程复杂,因此对连 杆材料的强韧性和切削性能提出了非常高的要求。 传统的 汽 车 发 动 机 连 杆 使 用 的 是 经 过 调 质 后 的 40Cr,42CrMo等合金结构钢制造,目前汽车发动机 连杆多采用易切削非调质钢制造。非调质钢是在钢 中加入钒、钛、铌等微合金化元素,而这些元素在轧 制、锻造加热后的冷却过程中,将以细小的碳化物和 氮化物形式在先析出的铁素体和珠光体中析出[1], 起到沉淀强化的作用。使用非调质钢制造的连杆可 以避免因调质热处理带来的连杆变形及淬火开裂问 题,提高产品的质量合格率,最关键的是可以免去高 能耗、高污染的热处理工序,提高生产效率[2],有利 于节能减排和绿色环保。此外,使用非调质钢后,可 以用胀断技术代替传统调质钢连杆的平切技术,从 而提高连杆的装配精度,延长连杆的使用寿命,汽车 胀断连杆用非调质钢主要分为中碳 MnVS和高碳 MnVS系列,按连杆强度等级区分 有:750 MPa~ 850 MPa系 列 (35MnVS,38MnVS,40MnVS 等); 850MPa~1000 MPa系列(C70S6,70MnVS);不小于 1050 MPa(36MnVS4,46MnVS5)。最 新 统 计数据显示:目 前 国 内 非 调 质 钢 胀 断 连 杆 占 连 杆 总量的 70% 以 上,且 这 一 数 据 还 在 逐 年 递 增,而 C70S6非调质钢的使用量又占到连杆非调质钢用 量的70%,是目前汽车发动机连杆制造的主导钢 铁材料[3]。 笔者对 C70S6非调质钢的过冷奥氏体连续冷 却转变(CCT)曲线进行了合理测定,并采用力学性 能测试、金相检验、疲劳性能测试等方法对 C70S6 非调质钢胀断连杆的品质进行了分析。
1 C70S6非调质钢连杆材料的力学性能
要使 发 动 机 连 杆 在 高 温 环 境 下 高 速、长 时 间、稳定地 运 转,对 连 杆 材 料 的 力 学 性 能 有 很 高 的要 求[4],C70S6 非 调 质 钢 的 力 学 性 能 如 表 1 所示。
2 静态 CCT曲线测定试验
物体因温度增加而发生的体积膨胀现象叫“热 膨胀”,物 体 膨 胀 大 小 用 线 (体)膨 胀 系 数 表 示,线 (体)膨胀系数是温度升高1K 时物体的长度(体积) 的相对增加量。热膨胀法是通过测量金属材料热循 环过程中线性应变与时间和温度的关系,来研究钢 铁材料固态相变的一种实用的分析方法。由于钢的 高温组织和其转变产物具有不同的比热容,所以钢 在加热或冷却时,除了热膨胀、冷收缩引起的体积变 化之外,还有因相变引起的体积变化,导致正常膨胀 曲线上出现转折点。根据转折点可以得出钢中各相 之间相互转化的温度和所需时间。 笔者以 C70S6圆钢为试验材料,用膨胀法测定 其 CCT 曲线,由此直观描述在一定冷却速率下的临 界转变点,以及在不同冷却速率下所经历的各种转 变和相应的组织。
2.1 试验方案
采用 GLEEBLE3800 型 热 模 拟 试 验 机 开 展 CCT 曲线测定试验,在试验前,需知道 C70S6材料 的奥氏体化温度,因此用 DIL805L型热膨胀仪准确 测定材料的相变点,该仪器使用真空高频感应加热, 温度 控 制 为 室 温 至 1200 ℃。最 大 加 热 速 率 为 100 ℃/s,最大冷却速率为 10000 ℃/s,温度控制 精度为±1 ℃,冷却气体为氮气。C70S6钢相变点 测定试验方案如图1所示,将制备的2个试样在加 热 炉 内 迅 速 加 热 升 温 至 600 ℃,随 后 再 以 200 ℃/h的升 温 速 率 加 热 至 900 ℃,并 随 炉 保 温 5min,最后取出试样并快 速 冷 却 至 室 温 (20 ℃)。 C70S6钢相 变 点 的 测 定 结 果 如 图 2 所 示,图 2 中 Ac1 为加热时珠光体向奥氏体转变的温度,Ac3 为加 热时转变为奥氏体的终点温度,Ar1 为冷却时奥氏体向珠光体转变的温度,Ar3 为冷却时铁素体转变 的开 始 温 度,由 图 2 可 知:C70S6 钢 的 Ac1 为 731 ℃,Ac3 为750 ℃。最终选定 C70S6钢奥氏体 化的加热温度为900 ℃。
C70S6非调质钢的静态 CCT 曲线测定试验方 案如图3所示,取一组9个试样,每个规格(直径× 长度)均为8mm×10mm,每个试样对应1个冷却 速率,将 所 取 试 样 以 10 ℃/s的 升 温 速 率 加 热 至 900 ℃,并保温 5 min,使材料能够充分奥氏体化, 接下来再以 0.3,1,3,5,10,20,30,40,50 ℃/s等 9种不同的冷却速率将材料冷却至室温,并测定材 料的静态 CCT 曲线[5]。
2.2 试验结果分析
C70S6非调质钢的静态 CCT 曲线如图4所示, 图中 A,F,P,M 分别为奥氏体、铁素体、珠光体、马 氏体。从右往左的冷却速率依次为0.3,1,3,5,10, 20,30,40,50 ℃/s。
测定C70S6非调质钢的碳含量为0.70%,其 CCT 曲线与共析钢转变曲线相近,在转变过程中只产生了 珠光体与马氏体,而无贝氏体转变。经过充分奥氏体 化的C70S6非调质钢在不同的冷却速率下连续冷却 时,主要发生的相变为奥氏体向珠光体转变(A→P)。 2.3 显微组织变化 试样经过砂纸打磨、抛光后,用体积分数为4% 的硝酸乙醇溶液侵蚀5~10s,直至表面变灰为止, 将其冲洗吹干后在光学显微镜下观察。金相检验结 果表明:转变结束后的显微组织主要为珠光体加少 量铁素体。随着冷却速率的增加,铁素体析出得到 抑制,网状 逐 步 消 除,珠 光 体 团 逐 步 细 化,从 经 过 3 ℃/s的速率连续冷却后的显微组织可以明显看 出,冷却速率慢的原奥氏体晶粒在冷却过程中长大。 随着冷却速率的继续增加,铁素体消失,马氏体出现 且占比逐步增加。可以通过细化原奥氏体、实际铁 素体和珠光体晶粒来消除网状,细化珠光体片层,从 而改善材料的强塑性。不同冷却速率下 C70S6非 调质钢的显微组织变化如图5所示。
3 制造工艺
结合上述 对 C70S6 非 调 质 钢 CCT 曲 线 的 测 定,可以分析轧制与锻造工艺,以获得技术条件要求 的C70S6非调质钢的显微组织和力学性能,防止出现马氏体等异常组织。
3.1 轧制工艺
铸坯加热过程采用的是高温扩散加热工艺,目 的是:提高加热二段及均热段加热温度;延长这2个 高温段的加热保温时间;为防止高温长时间加热带 来的材料表面脱碳,适当降低加热炉内的空燃比。 高温长时间加热时,对碳、磷、硫等易偏析元素进行 充分扩散,可减轻材料偏析,均匀材料组织,防止材 料带状组织超标和心部出现马氏体等异常组织。 圆钢轧制过程采用控轧控冷工艺,可实现低温 终轧;控制轧后穿水冷却速率为5~10 ℃/s,获得细 晶组织,并有效防止异常组织出现。
3.2 连杆毛坯锻造及冷却工艺
连杆毛坯锻件的工艺流程为[6]:圆钢下料→感 应加热→辊锻制坯→模锻成型→切边→吹风冷却→ 装箱堆冷。 (1)加热温度:控制圆钢锻造前的加热温度为 1170~1230 ℃,调节终锻温度为930~980 ℃ [7]。 (2)锻后冷却:锻造后使用输送带转运连杆毛 坯,同时利用风箱在传输转运过程中进行吹风冷却, 控制锻件冷却速率为5~10℃/s,然后将连杆毛坯装 入铁箱堆冷并避风放置,装箱温度为:连杆大头处为 (500±20)℃,连杆杆部为(450±20)℃。用锻后吹风 均匀强冷的方法控制冷却速率为5~10℃/s,这样既 可以有效地抑制先共析铁素体组织的析出,得到连杆锻件显微组织中的铁素体占比不大于10%,也可以 防止冷却速率过快产生马氏体异常组织[8-9]。
4 连杆锻件实物的理化检验
4.1 力学性能测试
对原材料圆钢轧制及连杆毛坯锻造相关工艺参 数进行合理优化后,C70S6非调质钢连杆的力学性 能如表2所示。
4.2 金相检验
优化工艺参数后,C70S6非调质钢连杆的铁素 体占比及 晶 粒 度 如 表 3 所 示,其 显 微 组 织 如 图 6 所示。连杆的显微组织为珠光体+少量铁素体,虽然 大、小头部位的网状铁素体析出量高于杆部,但均不 超过10%。
4.3 疲劳性能测试
连杆毛坯锻件经过磨削、镗孔、胀断等机械加工 后制作成连杆,然后使用升降法在型号为 MTS880 的电液伺服疲劳试验系统上对连杆进行拉-压加载 不对称循环疲劳强度测试,疲劳的循环基数设定为 1×10 7 次,按连杆大头处的受力进行加载(根据连 杆的工况参数得到名义工况载荷:连杆大头处最大 拉力为20.67kN,大头处最大压力为-74.84kN,载 荷为±47.76kN),加载波形为正弦波,疲劳性能测 试数据如表4所示,疲劳性能测试升降图如图7所 示。连杆疲劳测试结果表明:在连杆小头油孔处发 生断裂,经过计算得出连杆在50%存活率下的疲劳 极限(载荷)为88.33kN,标准偏差为7.18kN,因此 得到 连 杆 在 50% 存 活 率 下 的 安 全 系 数 KS50% = 1.85。
5 结语
(1)利 用 膨 胀 法 对 汽 车 发 动 机 胀 断 连 杆 用 C70S6非调质钢的 CCT 曲线进行测定,为后续圆钢轧制与连杆锻造工艺参数的合理设计奠定了基础。 (2)轧制加热过程采用高温扩散加热工艺,并 延长了高温加热时间,可对易偏析元素进行充分扩 散,减轻材料偏析,从而减轻带状组织,尤其防止圆 钢心部出现马氏体异常组织。 (3)采用控轧控冷轧制工艺,得到细晶粒组织。 (4)锻造过程要控制冷却速率为5~10 ℃/s, 从而有效抑制铁素体的析出,细化组织晶粒,同时防 止出现马氏体等异常组织。 (5)力学性能测试、金相检验、疲劳性能测试结 果显示,成品连杆的强韧性、疲劳寿命完全满足用户 的使用要求。
参考文献: [1] 刘瑞宁,王福 明.汽 车 用 微 合 金 化 非 调 质 钢 的 进 展 [J].特殊钢,2006,27(3):39-43. [2] 曹正,史万富,王敢利,等.高碳微合金非调质钢连杆 研究[J].汽车工艺与材料,2000(12):24-27. [3] 王秋冰,马鸣,卢震鸣,等.发动机连杆用材料与工艺 的发展趋势[J].柴油机设计与制造,2007,15(1):40- [ 44. 4] 车从荣,蒋栋初.C70S6BY 开发生产实践[J].现代冶 金,2017,45(5):28-30. [5] 王明旭,王振华,厉勇,等.一种连杆用高碳非调质钢 热变 形 奥 氏 体 的 连 续 冷 却 转 变 [J].热 加 工 工 艺, 2009,38(16):48-49,52. [6] 刘景顺.汽车零件锻造技术[M].北京:北京理工大学 出版社,2001. [7] 岳海军.连杆锻件的生产工艺与质量控制[J].机械工 程师,2009(10):126-127.
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