一种适用于连杆的高强度非调质钢材料的制作方法

本发明涉及一种适用于连杆的高强度非调质钢材料，属汽车高强度钢材料技术领域。

背景技术：

二十世纪八十年代以来，非调质钢在我国汽车材料行业中快速发展，目前，以c70s6系列为代表的非调质钢材料在轿车发动机胀断连杆中的应用已较为普及，这也是一种在全球范围内具有广泛应用的铁素体-珠光体型非调质钢。胀断连杆对材料的一般要求是具有较高的强度，一定的韧性，较小的塑性变形，以满足胀断裂解的需要，此外还需有良好的机加性能以及优异的疲劳性能。然而经大量生产实际情况发现，国产c70s6系列材料的胀断性能、机加性能等尚有改进空间。

随着发动机爆发压力的提高及轻量化设计要求的提出，设计强度900mpa级的c70s6系列非调质钢已经不能满足要求，降低碳含量，增加mn、si、v含量的1000mpa级及更高强度级别的非调质钢已成为趋势，并有着极为广泛的应用前景。

由此产生了36mnvs4系列非调质钢，这种材料较c70s6具有更低的碳含量，更高的mn、si、v含量，但该材料的铁素体含量也较c70s6更高，因此塑性更高，在胀断过程中，连杆大头易产生大变形量。

中国专利文献cn104962840a（2015.10.07公开）中公开了一种汽车发动机胀断连杆用钢，其化学元素质量百分比为：c：0.40~0.50%，si：0.60~0.80%，mn：1.10~1.30%，p≤0.050%，s：0.030~0.050%，cr：0.10~0.20%，v：0.15~0.25%，n：0.0150~0.0250%，其余为铁和不可避免的夹杂。此外还提到该连杆用钢的相关力学性能数据：rel≥800mpa，rm≥1100mpa，a≥10%，z≥20%。该材料s含量较低，不利于连杆机加工序，尤其是攻丝断屑等。

中国专利文献cn101892424a（2010.11.24公开）中公开了一种胀断连杆用中碳非调质钢，c：0.35-0.55%，si：0.40~0.80%，mn：0.80~1.50%，p：0.04~0.15%，s：0.03~0.10%，cr：0.10~0.50%，v：0.05~0.25%，b：0.0005~0.006%,ti：0.01~0.10%，al：0.005~0.05%,n：0.005-0.020%，re：0.005~0.04%，其余为铁和不可避免的夹杂，c、p、b含量还需满足脆性参数关系式：0.60≤c(%)十3p(%)十50b(%)≤1.0。此外还提到该连杆用钢适合于制造抗拉强度900mpa以上的胀断连杆。该材料p含量较高，p作为钢中有害元素，虽然降低奥氏体晶界强度并使铁素体相固溶强化，但其增加冷脆性，会显著降低钢的韧性和塑性；铁素体型-珠光体型非调质钢特点即强度有余而韧性不足，因此，必需保证强韧性；p含量提高还会增加冶炼难度，提高成本。

中国专利文献cn103266287a（2013.08.28公开）中公开了一种中碳铁素体-珠光体型非调质钢及其制造方法，c：0.35~0.43%，si：0.30~0.80%，mn：1.00~1.60%，p：≤0.035%，s：0.040~0.075%，cr：0.10~0.30%，v：0.06~0.20%，ni：0.10~0.30%,alt：0.010~0.060%,n：100~200×10^-4%，其余为铁和不可避免的夹杂。此外还提到了上述中碳铁素体一珠光体型非调质钢的制造方法。该材料由于含碳量较低，组织中的铁素体含量较高，塑性较高，在一定程度上不利于连杆胀断工艺的实现，而且胀断过程可能导致大头变形量较大，加工余量大。

对于专利文献1、专利文献2和专利文献3公开的非调质钢材料，均为铁素体-珠光体型非调质钢，文献内容多只介绍了材料本身特性，未考虑材料锻造后的控锻控冷工艺及连杆模拟实际工况时的疲劳性能，疲劳性能是连杆的重要指标，受控锻控冷工艺条件影响，也是轻量化设计考虑的重要因素；材料本身特性并不能完全反映制件在服役过程中的性能，还需结合锻件疲劳性能说明材料成分设计的合理性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于连杆的高强度非调质钢材料，其经改锻后，强度级别超过1000mpa，兼具良好的强韧性、胀断性能及机加性能，用该材料所制造生产出的胀断连杆拥有较高的疲劳安全系数，因而具有良好的应用前景。

本发明的技术方案是这样实现的：一种适用于连杆的高强度非调质钢材料，其特征在于：非调质钢中化学元素包括c、si、mn、p、s、cr、v、n、mo、ni、fe，元素质量百分比为c：0.42-0.50%，si：0.40-0.70%，mn：0.90-1.20%，p≤0.020%，s：0.045-0.075%，cr：≤0.20%，v：0.10-0.20%，n：0.010-0.020%，ni≤0.2%，mo≤0.10%，其余为fe和不可避免的杂质，元素质量百分比约为96.80-98.10%；该非调质钢的力学性能数据要求为钢材在1250℃锻造成φ30mm试棒空冷后：rp0.2≥700mpa，rm≥1000mpa，a≥10%，z≥25%。

c：钢中常见的强化元素，在亚共析钢范围内，要求含量小于0.67%。铁素体含量在10%~20%之间，c元素含量应控制在0.42-0.50%范围内。

mn：中碳mn-v系非调质钢中，增加钢中mn的含量，其冲击韧度也随之提高，mn含量在0.90-1.20%范围内，取代一部分cr的强化作用。

s：控制硫含量0.045-0.075%。

p：要求p含量控制在0.020以下。

si：将si元素含量控制在0.40-0.70%之间。

cr：中强碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的cr能提高钢的淬透性。钢中的cr控制在0.2%以下。

v：强碳化物形成元素，主要表现在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大。随奥氏体化温度升高，v（c、n）在奥氏体中的溶解量增加，在随后的控锻控冷过程中，细小的v（c、n）析出量也增加，v的含量控制在0.1%~0.2%之间。

ni：非碳化物形成元素，固溶于钢中，可以提高淬透性并降低共析点c含量，ni元素含量在0.2%以下。

mo：，mo是强碳化物形成元素，少量的mo即能提高钢的淬透性，保留残余元素即可。

本发明的积极效果是其通过合理c含量控制，使其铁素体含量保持在20%以下；通过mn、cr等元素的析出强化作用及v的细化晶粒作用，使其具有较高的强韧性及疲劳安全系数；再适当提高s元素含量，保证切削加工性能的同时便于胀断裂解。通过各元素的合理配比，使该钢种能够满足汽车发动机连杆在轻量化、疲劳、胀断裂解、切削加工等方面的性能要求。

采用本发明技术方案冶炼出的高强度轿车发动机连杆用非调质钢，经1250℃改锻并空冷后，测试抗拉强度，达到1000mpa以上。拟将此材料应用于某型号连杆，可进行轻量化设计。对轻量化设计后的连杆进行cae分析，采用原设计的c70s6材料现不能满足连杆小头过渡圆角、杆身等部位的高周疲劳安全系数，而采用本发明涉及的非调质钢材料，则能满足要求。

对轻量化连杆进行成品试制，采用本发明涉及的非调质钢材料，胀断裂解性能及机加性能均表现优良。按企标a08cbd-119-2010《汽车发动机连杆疲劳试验方法》对上述两种连杆进行疲劳性能试验，结果如下：轻量化设计前，采用c70s6非调质钢材料，其疲劳安全系数为1.77；轻量化设计后，采用本发明涉及的非调质钢材料，其疲劳安全系数达到1.83，成品连杆较前者重量下降约20%。

附图说明

图1为本发明中所述的轻量化设计前的连杆结构示意图。

图2为本发明中所述的轻量化设计后的连杆结构示意图。

具体实施方式

一种适用于连杆的高强度非调质钢材料，其特征在于：非调质钢中化学元素包括c、si、mn、p、s、cr、v、n、mo、ni、fe，元素质量百分比为c：0.42-0.50%，si：0.40-0.70%，mn：0.90-1.20%，p≤0.020%，s：0.045-0.075%，cr：≤0.20%，v：0.10-0.20%，n：0.010-0.020%，ni≤0.2%，mo≤0.10%，其余为fe和不可避免的杂质，元素质量百分比约为96.80-98.10%（其他元素描述的百分比明确，但fe和杂质的比例不清楚，请给个取值范围）；该非调质钢的力学性能数据要求为钢材在1250℃锻造成φ30mm试棒空冷后：rp0.2≥700mpa，rm≥1000mpa，a≥10%，z≥25%。

c：钢中常见的强化元素，在亚共析钢范围内，要求含量小于0.67%。c元素含量影响钢中铁素体含量，铁素体具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度都很低，为保证发明钢种的强韧性，使铁素体含量在10%~20%之间，c元素含量应控制在0.42-0.50%范围内。

mn：是很重要的合金化元素和弱碳化物形成元素,增加非调质钢中锰的含量，将降低钢的相变温度，使其珠光体团变得细小，并减小了珠光体的片间距，还使珠光体中渗碳体片的厚度减薄，因而可有效地改善钢的韧性。中碳mn-v系非调质钢中，增加钢中mn的含量，其冲击韧度也随之提高，本发明控制mn含量较高，在0.90-1.20%范围内，可取代一部分cr的强化作用，使其兼具良好的强度与韧性。

s：通常被认为是有害元素，因为其含量高可能使钢产生热脆性，一般优质钢将其控制在0.035以下，有的甚至控制在0.010以下。但s也能起到润滑作用，含量太低则不利于改善切削性能，本发明因欲应用于胀断连杆上，因此对胀断裂解性能有着极高的要求，为保证连杆大头胀断裂解性能及大头变形量在公差范围内，控制硫含量0.045-0.075%，既保证钢的切削性能又不至于使其产生热脆，是该材料的最佳配比。

p：能全部溶于铁素体中，形成置换固溶体，提高铁素体的强度、硬度。但磷通常被视为钢中有害元素，一方面由于其高温时在晶界处偏聚，与铁形成极脆的化合物，在室温下使钢的塑性和韧性急剧下降，产生“冷脆”；另一方面，非调质钢冲击韧性较低，影响使用性能，需尽可能保证其具有一定的韧性。一般优质钢要求p含量控制在0.030以内，本发明作为非调质钢范畴，为保证材料有较好的强韧性，同时兼顾冶炼技术水平，则控制其含量在0.020以下。

si：在钢中主要以固溶态存在，固溶强化效果明显，能显著强化铁素体和提高铁素体体积分数，并使晶粒变细，因而有利于提高韧性。本发明将si元素含量控制在0.40-0.70%之间。

cr：中强碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的cr能提高钢的淬透性。钢中的cr，一部分置换fe元素形成合金渗碳体；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化作用，提高铁素体的强度和硬度。但cr元素会降低材料的韧性，因此本发明将其控制在0.2%以下，避免材料韧性过低。

v：强碳化物形成元素，主要表现在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大。随奥氏体化温度升高，v（c、n）在奥氏体中的溶解量增加，在随后的控锻控冷过程中，细小的v（c、n）析出量也增加，即应变诱导析出，以此对非调质钢进行析出强化；细小的晶粒还有利于疲劳强度的提高。但v的成本较高，含量一般需高于0.08%，本发明则控制在0.1%~0.2%之间。

ni：非碳化物形成元素，固溶于钢中，可以提高淬透性并降低共析点c含量，增加珠光体体积分数，提高强度，同时又保持良好的塑性和韧性。ni能够降低ar3转变温度，细化铁素体，减小珠光体中渗碳体片厚度，从而提高韧性。由于ni元素价格较高，本试验钢设计ni含量在0.2%以下。

mo：本发明中不做特别要求，保留残余元素即可，mo是强碳化物形成元素，少量的mo即能提高钢的淬透性，对铁素体有固溶强化作用，提高碳化物的稳定性。

本发明涉及的高强度轿车发动机连杆用非调质钢系铁素体-珠光体型非调质钢，通过合理c含量控制，使其铁素体含量保持在20%以下；通过mn、cr等元素的析出强化作用及v的细化晶粒作用，使其具有较高的强韧性及疲劳安全系数；再适当提高s元素含量，保证切削加工性能的同时便于胀断裂解。通过各元素的合理配比，使该钢种能够满足汽车发动机连杆在轻量化、疲劳、胀断裂解、切削加工等方面的性能要求。

如图1、2所示，前者重量580g，后者重量466g，降重约20%。

实施例1

一种根据上述技术方案设计并冶炼出的高强度轿车发动机连杆用非调质钢，其化学元素质量百分比为：c：0.46%、si：0.60%、mn：1.19%、s：0.050%、p：0.009%、cr：0.15%、ni：0.090%、mo：0.020%、v：0.15%、n：190ppm，其余为fe和不可避免的杂质；圆钢改锻后力学性能为：rp0.2：810mpa，rm：1083mpa，a：17%，z：53%。

实施例2

一种根据上述技术方案设计并冶炼出的高强度轿车发动机连杆用非调质钢，其化学元素质量百分比为：c：0.44%、si：0.52%、mn：1.17%、s：0.048%、p：0.011%、cr：0.15%、ni：0.010%、mo：0.020%、v：0.13%、n：175ppm，其余为fe和不可避免的杂质；圆钢改锻后力学性能为：rp0.2：807mpa，rm：1072mpa，a：20%，z：49%。

实施例3

一种根据上述技术方案设计并冶炼出的高强度轿车发动机连杆用非调质钢，其化学元素质量百分比为：c：0.42%、si：0.60%、mn：0.98%、s：0.058%、p：0.012%、cr：0.19%、ni：0.010%、mo：0.020%、v：0.18%、n：176ppm，其余为fe和不可避免的杂质；圆钢改锻后力学性能为：rp0.2：752mpa，rm：1047mpa，a：22.0%，z：54%。

实施例4

一种根据上述技术方案设计并冶炼出的高强度轿车发动机连杆用非调质钢，其化学元素质量百分比为：c：0.49%、si：0.63%、mn：1.18%、s：0.052%、p：0.007%、cr：0.17%、ni：0.015%、mo：0.040%、v：0.17%、n：162ppm，其余为fe和不可避免的杂质；圆钢改锻后力学性能为：rp0.2：876mpa，rm：1132mpa，a：19.0%，z：47%。

采用实施例1中的批次材料进行轻量化连杆成品的试制，采用该批连杆进行疲劳性能试验，得到其疲劳安全系数为1.83。