摘 要:對 C70S6非調質鋼的過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線進行了合理測定,采用力學性能測 試、金相檢驗、疲勞性能測試等方法對 C70S6非調質鋼脹斷連桿的品質進行了分析。結果表明:軋 鋼過程中采用高溫擴散加熱及控軋控冷工藝可得到均勻穩定的軋后組織;控制鍛造后冷卻速率可 使連桿顯微組織中的鐵素體占比遠低于10%,并有效防止出現馬氏體等異常組織;最終制作的 C70S6非調質鋼脹斷連桿的各項理化性能指標和疲勞壽命測試結果均能滿足使用要求。 

關鍵詞:C70S6非調質鋼;脹斷連桿;控軋控冷;疲勞壽命

中圖分類號:TG115.5                                   文獻標志碼:A                                                    文章編號:1001-4012(2022)08-0016-05 

連桿是汽車發動機五大核心零部件之一,其長 期工作于高溫環境,且加工制造過程復雜,因此對連 桿材料的強韌性和切削性能提出了非常高的要求。 傳統的 汽 車 發 動 機 連 桿 使 用 的 是 經 過 調 質 后 的 40Cr,42CrMo等合金結構鋼制造,目前汽車發動機 連桿多采用易切削非調質鋼制造。非調質鋼是在鋼 中加入釩、鈦、鈮等微合金化元素,而這些元素在軋 制、鍛造加熱后的冷卻過程中,將以細小的碳化物和 氮化物形式在先析出的鐵素體和珠光體中析出[1], 起到沉淀強化的作用。使用非調質鋼制造的連桿可 以避免因調質熱處理帶來的連桿變形及淬火開裂問 題,提高產品的質量合格率,最關鍵的是可以免去高 能耗、高污染的熱處理工序,提高生產效率[2],有利 于節能減排和綠色環保。此外,使用非調質鋼后,可 以用脹斷技術代替傳統調質鋼連桿的平切技術,從 而提高連桿的裝配精度,延長連桿的使用壽命,汽車 脹斷連桿用非調質鋼主要分為中碳 MnVS和高碳 MnVS系列,按連桿強度等級區分 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 統 計數據顯示:目 前 國 內 非 調 質 鋼 脹 斷 連 桿 占 連 桿 總量的 70% 以 上,且 這 一 數 據 還 在 逐 年 遞 增,而 C70S6非調質鋼的使用量又占到連桿非調質鋼用 量的70%,是目前汽車發動機連桿制造的主導鋼 鐵材料[3]。

筆者對 C70S6非調質鋼的過冷奧氏體連續冷 卻轉變(CCT)曲線進行了合理測定,并采用力學性 能測試、金相檢驗、疲勞性能測試等方法對 C70S6 非調質鋼脹斷連桿的品質進行了分析

 1 C70S6非調質鋼連桿材料的力學性能 

要使 發 動 機 連 桿 在 高 溫 環 境 下 高 速、長 時 間、穩定地 運 轉,對 連 桿 材 料 的 力 學 性 能 有 很 高 的要 求[4],C70S6 非 調 質 鋼 的 力 學 性 能 如 表 1 所示。 

2 靜態 CCT曲線測定試驗 

物體因溫度增加而發生的體積膨脹現象叫“熱 膨脹”,物 體 膨 脹 大 小 用 線 (體)膨 脹 系 數 表 示,線 (體)膨脹系數是溫度升高1K 時物體的長度(體積) 的相對增加量。熱膨脹法是通過測量金屬材料熱循 環過程中線性應變與時間和溫度的關系,來研究鋼 鐵材料固態相變的一種實用的分析方法。由于鋼的 高溫組織和其轉變產物具有不同的比熱容,所以鋼 在加熱或冷卻時,除了熱膨脹、冷收縮引起的體積變 化之外,還有因相變引起的體積變化,導致正常膨脹 曲線上出現轉折點。根據轉折點可以得出鋼中各相 之間相互轉化的溫度和所需時間。 

筆者以 C70S6圓鋼為試驗材料,用膨脹法測定 其 CCT 曲線,由此直觀描述在一定冷卻速率下的臨 界轉變點,以及在不同冷卻速率下所經歷的各種轉 變和相應的組織。 

2.1 試驗方案 

采用 GLEEBLE3800 型 熱 模 擬 試 驗 機 開 展 CCT 曲線測定試驗,在試驗前,需知道 C70S6材料 的奧氏體化溫度,因此用 DIL805L型熱膨脹儀準確 測定材料的相變點,該儀器使用真空高頻感應加熱, 溫度 控 制 為 室 溫 至 1200 ℃。最 大 加 熱 速 率 為 100 ℃/s,最大冷卻速率為 10000 ℃/s,溫度控制 精度為±1 ℃,冷卻氣體為氮氣。C70S6鋼相變點 測定試驗方案如圖1所示,將制備的2個試樣在加 熱 爐 內 迅 速 加 熱 升 溫 至 600 ℃,隨 后 再 以 200 ℃/h的升 溫 速 率 加 熱 至 900 ℃,并 隨 爐 保 溫 5min,最后取出試樣并快 速 冷 卻 至 室 溫 (20 ℃)。 C70S6鋼相 變 點 的 測 定 結 果 如 圖 2 所 示,圖 2 中 Ac1 為加熱時珠光體向奧氏體轉變的溫度,Ac3 為加 熱時轉變為奧氏體的終點溫度,Ar1 為冷卻時奧氏體向珠光體轉變的溫度,Ar3 為冷卻時鐵素體轉變 的開 始 溫 度,由 圖 2 可 知:C70S6 鋼 的 Ac1 為 731 ℃,Ac3 為750 ℃。最終選定 C70S6鋼奧氏體 化的加熱溫度為900 ℃。

C70S6非調質鋼的靜態 CCT 曲線測定試驗方 案如圖3所示,取一組9個試樣,每個規格(直徑× 長度)均為8mm×10mm,每個試樣對應1個冷卻 速率,將 所 取 試 樣 以 10 ℃/s的 升 溫 速 率 加 熱 至 900 ℃,并保溫 5 min,使材料能夠充分奧氏體化, 接下來再以 0.3,1,3,5,10,20,30,40,50 ℃/s等 9種不同的冷卻速率將材料冷卻至室溫,并測定材 料的靜態 CCT 曲線[5]。

2.2 試驗結果分析 

C70S6非調質鋼的靜態 CCT 曲線如圖4所示, 圖中 A,F,P,M 分別為奧氏體、鐵素體、珠光體、馬 氏體。從右往左的冷卻速率依次為0.3,1,3,5,10, 20,30,40,50 ℃/s。

測定C70S6非調質鋼的碳含量為0.70%,其 CCT 曲線與共析鋼轉變曲線相近,在轉變過程中只產生了 珠光體與馬氏體,而無貝氏體轉變。經過充分奧氏體 化的C70S6非調質鋼在不同的冷卻速率下連續冷卻 時,主要發生的相變為奧氏體向珠光體轉變(A→P)。

2.3 顯微組織變化

試樣經過砂紙打磨、拋光后,用體積分數為4% 的硝酸乙醇溶液侵蝕5~10s,直至表面變灰為止, 將其沖洗吹干后在光學顯微鏡下觀察。金相檢驗結 果表明:轉變結束后的顯微組織主要為珠光體加少 量鐵素體。隨著冷卻速率的增加,鐵素體析出得到 抑制,網狀 逐 步 消 除,珠 光 體 團 逐 步 細 化,從 經 過 3 ℃/s的速率連續冷卻后的顯微組織可以明顯看 出,冷卻速率慢的原奧氏體晶粒在冷卻過程中長大。 隨著冷卻速率的繼續增加,鐵素體消失,馬氏體出現 且占比逐步增加。可以通過細化原奧氏體、實際鐵 素體和珠光體晶粒來消除網狀,細化珠光體片層,從 而改善材料的強塑性。不同冷卻速率下 C70S6非 調質鋼的顯微組織變化如圖5所示。

3 制造工藝 

結合上述 對 C70S6 非 調 質 鋼 CCT 曲 線 的 測 定,可以分析軋制與鍛造工藝,以獲得技術條件要求 的C70S6非調質鋼的顯微組織和力學性能,防止出現馬氏體等異常組織。

3.1 軋制工藝 

鑄坯加熱過程采用的是高溫擴散加熱工藝,目 的是:提高加熱二段及均熱段加熱溫度;延長這2個 高溫段的加熱保溫時間;為防止高溫長時間加熱帶 來的材料表面脫碳,適當降低加熱爐內的空燃比。 高溫長時間加熱時,對碳、磷、硫等易偏析元素進行 充分擴散,可減輕材料偏析,均勻材料組織,防止材 料帶狀組織超標和心部出現馬氏體等異常組織。 

圓鋼軋制過程采用控軋控冷工藝,可實現低溫 終軋;控制軋后穿水冷卻速率為5~10 ℃/s,獲得細 晶組織,并有效防止異常組織出現。

3.2 連桿毛坯鍛造及冷卻工藝 

連桿毛坯鍛件的工藝流程為[6]:圓鋼下料→感 應加熱→輥鍛制坯→模鍛成型→切邊→吹風冷卻→ 裝箱堆冷。 

(1)加熱溫度:控制圓鋼鍛造前的加熱溫度為 1170~1230 ℃,調節終鍛溫度為930~980 ℃ [7]。 

(2)鍛后冷卻:鍛造后使用輸送帶轉運連桿毛 坯,同時利用風箱在傳輸轉運過程中進行吹風冷卻, 控制鍛件冷卻速率為5~10℃/s,然后將連桿毛坯裝 入鐵箱堆冷并避風放置,裝箱溫度為:連桿大頭處為 (500±20)℃,連桿桿部為(450±20)℃。用鍛后吹風 均勻強冷的方法控制冷卻速率為5~10℃/s,這樣既 可以有效地抑制先共析鐵素體組織的析出,得到連桿鍛件顯微組織中的鐵素體占比不大于10%,也可以 防止冷卻速率過快產生馬氏體異常組織[8-9]。

4 連桿鍛件實物的理化檢驗

4.1 力學性能測試

對原材料圓鋼軋制及連桿毛坯鍛造相關工藝參 數進行合理優化后,C70S6非調質鋼連桿的力學性 能如表2所示。

4.2 金相檢驗 

優化工藝參數后,C70S6非調質鋼連桿的鐵素 體占比及 晶 粒 度 如 表 3 所 示,其 顯 微 組 織 如 圖 6 所示。  

連桿的顯微組織為珠光體+少量鐵素體,雖然 大、小頭部位的網狀鐵素體析出量高于桿部,但均不 超過10%。

4.3 疲勞性能測試 

連桿毛坯鍛件經過磨削、鏜孔、脹斷等機械加工 后制作成連桿,然后使用升降法在型號為 MTS880 的電液伺服疲勞試驗系統上對連桿進行拉-壓加載 不對稱循環疲勞強度測試,疲勞的循環基數設定為 1×10 7 次,按連桿大頭處的受力進行加載(根據連 桿的工況參數得到名義工況載荷:連桿大頭處最大 拉力為20.67kN,大頭處最大壓力為-74.84kN,載 荷為±47.76kN),加載波形為正弦波,疲勞性能測 試數據如表4所示,疲勞性能測試升降圖如圖7所 示。連桿疲勞測試結果表明:在連桿小頭油孔處發 生斷裂,經過計算得出連桿在50%存活率下的疲勞 極限(載荷)為88.33kN,標準偏差為7.18kN,因此 得到 連 桿 在 50% 存 活 率 下 的 安 全 系 數 KS50% = 1.85。

5 結語 

(1)利 用 膨 脹 法 對 汽 車 發 動 機 脹 斷 連 桿 用 C70S6非調質鋼的 CCT 曲線進行測定,為后續圓鋼軋制與連桿鍛造工藝參數的合理設計奠定了基礎。

(2)軋制加熱過程采用高溫擴散加熱工藝,并 延長了高溫加熱時間,可對易偏析元素進行充分擴 散,減輕材料偏析,從而減輕帶狀組織,尤其防止圓 鋼心部出現馬氏體異常組織。

(3)采用控軋控冷軋制工藝,得到細晶粒組織。

(4)鍛造過程要控制冷卻速率為5~10 ℃/s, 從而有效抑制鐵素體的析出,細化組織晶粒,同時防 止出現馬氏體等異常組織。

(5)力學性能測試、金相檢驗、疲勞性能測試結 果顯示,成品連桿的強韌性、疲勞壽命完全滿足用戶 的使用要求。

參考文獻: 

[1] 劉瑞寧,王福 明.汽 車 用 微 合 金 化 非 調 質 鋼 的 進 展 [J].特殊鋼,2006,27(3):39-43. 

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[3] 王秋冰,馬鳴,盧震鳴,等.發動機連桿用材料與工藝 的發展趨勢[J].柴油機設計與制造,2007,15(1):40- 44. 

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<文章來源>材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 8期 (pp:16-20)>