一种高强度胀断连杆的非调质钢及其连铸生产工艺的制作方法

本发明涉及金属材料技术领域，涉及一种用于制作汽车发动机上的高强度胀断连杆的非调质钢及其制造方法。

背景技术：

胀断连杆及其制造技术是20世纪90年代由德国兴起的一种新型连杆及连杆加工新技术。目前，国内外许多轿车以及商用车制造企业发动机都采用胀断连杆。

胀断连杆用钢是专门用于胀断工艺生产发动机连杆的一种微合金化非调质钢，钢材经过锻造成连杆毛坯后，再由胀断连杆加工线进行机加工和胀断，连杆的制造过程不需要进行热处理，且连杆制造工艺简单、高效。该钢是一种铁素体-珠光体型非调质钢，可用来代替40cr、45、42crmo等调质钢连杆；更重要的是，由于采用了胀断工艺进行分开连杆盖，不需要像传统连杆制造工艺那样进行一系列铣、拉、磨等机加工工序，使得连杆制作过程变得非常简单，并且具有制造精度高、效率高、节省能源、成本低等优点。

目前胀断连杆用钢主要是c70系列的非调质钢，还有少部分mnvs系列钢。c70系列钢制造的连杆强度性能指标为：rel≥550mpa，rm≥900mpa；mnvs系列钢制造的连杆强度性能指标为：rel≥750mpa，rm≥950mpa。

申请号200810048807.7公开的《汽车连杆用高强度非调质易切钢及其工艺方法》，本发明从提高非调质易切钢强度的机理出发，通过调质成分，非调质易切钢连杆强度达到rel≥750mpa，rm≥1000mpa

申请号2012280024294.0公开的《非调质钢及非调质钢部件》，该专利通过对化学成分设计，可进行热锻而形成为规定形状之后断裂分割，适合用作需要高疲劳强度的汽车发动机连杆达到rel≥450mpa。

申请号201510332645.x公开的《汽车发动机胀断连杆用钢》，该发明通过对合金体系科学设计，无需对现有生产工艺作重大调整，就可以生产出具有高强度、合适脆性和良好切削加工性能的汽车胀断连杆用钢，连杆强度达到rel≥800mpa，rm≥1100mpa。

随着轿车向节能、轻量化方向的发展，对汽车的动力传动部件发动机连杆提出了更高的要求，要求连杆具有更高的强度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种用于制作发动机连杆高强度级别的非调质钢及其制造方法，连杆锻件rel≥900mpa，rm≥1100mpa，硬度为305-360hbw，锻件金相组织为细小的铁素体加珠光体，晶粒度≥8级，有利于汽车发动机轻量化。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种用于制作高强度胀断连杆的非调质钢，该非调质钢的化学成分按质量百分含量计为c：0.32～0.40％，si：0.90～1.25％，mn：0.85～1.30％，p：0.008～0.045％，s：0.055～0.095％，cr：≤0.35％，ni：≤0.30％，cu：≤0.25％，mo：≤0.10％，al：≤0.035％，ti：0.030～0.070％，v：0.25～0.35％，n：0.009～0.022％，余量为fe及杂质元素；产品形式为热轧圆钢棒材。

本发明化学成分设计依据如下：

1)c含量的确定

c是钢中最经济、最基本的强化元素，可明显提高钢的强度，随着钢中含碳量增加，屈服和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。本发明c含量的范围确定为0.32～0.40％，本发明涉及钢材属于中碳钢范畴；

2)si含量的确定

si在钢中溶于铁素体内能够显著提高钢的弹性极限、屈服强度和抗拉强度，降低其塑性、韧性，si增加铁素体冷变形硬化率的作用很强，使钢的冷加工困难，为了到达提高强度的目的，同时保证发动机连杆的加工和胀断性能，本发明si含量的范围确定为0.90％～1.25％。

3)mn含量的确定

mn是提高非调质钢强度，改善非调质钢韧性的重要合金元素，mn是弱碳化物形成元素，在钢中主要以固溶的形式存在，室温下固溶于铁素体之中；固溶的mn具有较强的固溶强化效果。mn的固溶强化作用仅次于p和si，mn含量低于0.80％时，其强化效果不明显，mn含量超过1.5％时，有促进钢材贝氏体化的作用，并且钢中贝氏体的生产率，随mn含量的增加而提高。并且mn与钢中的硫结合形成对钢的性能危害较小的mns，减少或抑制fes的产生，能够提高切削性能和胀断性能，减少对刀具的磨损；本发明mn含量的范围确定为0.85～1.30％

4)p含量的确定

p能强化铁素体相，使钢材的强度、硬度增高，在材料加工过程中表现很好抑制变形能力的作用，并且会引起塑性、冲击韧性显著降低，为了提高胀断效果，需要添加少量的p，但是不能添加过高，p含量超过0.045％，弧形连铸机生产出的连铸坯，极容易出现铸坯中心裂纹，边角裂，连铸坯表面质量差只能采用浇注钢锭的生产方式；所以本发明p含量的范围确定0.008～0.045％。

5)s含量的确定

s是用来改善钢的切削性能的元素。s与钢中的mn结合形成mns夹杂物或复合夹杂物，对材料的切削加工是非常有利的；但添加过多的s不但会导致钢的力学性能变差，而且还会在钢中产生较严重的偏析从而对钢的连铸和轧制产生有害影响。本发明s含量的范围确定为0.055～0.095％。

6)cr含量的确定

cr是碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体中的cr能使c曲线明显右移，能显著提高淬透性，从而提高钢的强度和硬度，但含量不可过多，否则容易产生贝氏体组织，降低韧性。本发明cr含量的范围确定为≤0.35％。

7)ni含量的确定

ni是非碳化物形成元素。ni以固溶的形式存在于钢中起到固溶强化的效果，但只是显示比较弱的强化效果；ni与cr配合使用时，可显著提高淬透性。较多的ni更容易导致钢中出现贝氏体组织。本发明ni含量的范围确定为≤0.30％。

8)cu含量的确定

cu能提高钢中奥氏体的稳定性，并且有强化铁素体的作用，含cu量较高时将导致钢具热脆性，使热锻轧加工困难，本发明cu含量的范围确定为≤0.25％。

9)mo含量的确定

mo存在于钢的固溶体和碳化物中，有一定的强化作用；但mo会非常显著地提高钢的淬透性，mo对珠光体转变有显著的推迟作用，而对贝氏体转变的影响较小，因而含mo的钢很容易得到贝氏体组织，对钢的韧性产生不利影响；本发明的钢属于铁素体-珠光体型非调质钢，所以，本发明的钢对mo含量有严格的控制，本发明mo含量的范围确定为≤0.10％。

10)al含量的确定

al是脱氧有效元素，al含量过高，钢水熔炼过程中易形成al2o3等脆性夹杂，降低钢水纯净度，本发明al含量的范围确定为≤0.035％。

11)v、ti、n含量的确定

v是非调质钢强化的主要合金元素。主要以v的碳氮化物的化合物状态存在于钢中，并且这些v的碳氮化物以非常细小的颗粒弥散地分布在先共析铁素体中，产生沉淀强化，从而达到提高铁素体-珠光体型非调质钢强度的效果，尤其是能显著提高钢的屈服强度。此外，在钢材的轧制或锻造过程中，有一部分v的碳氮化物会因应变诱导析出，起到钉扎奥氏体晶界的作用，从而抑制奥氏体再结晶的进行并阻止晶粒长大，起到细化晶粒的效果，同时达到提高强度和韧性的目的，当v含量较高时这种效果尤为明显。

通过加入ti可以形成稳定的细小弥散的tin等质点，由固态下高温析出的、弥散分布的tin，对阻止奥氏体晶粒长大最为有效，含ti非调质钢加热至1250℃，仍具有较细的奥氏体晶粒，这使得连杆的锻造温度更高，进一步提高连杆的强度。但是ti不能过高，因为ti与n的亲和力比v大，过高的ti会消耗较多的n，因而降低v的析出强化效果。

n是非调质钢中的主要强化元素之一，与强氮化物形成元素(ti、v等)形成化合物起到提高强度和细化晶粒的作用，但是过高的n含量对连铸生产不利，易形成连铸表面裂纹。

本发明v含量的范围确定为0.25～0.35％，ti含量的范围确定为0.030～0.070％，n含量的范围确定为0.009～0.022％；三者元素必须同时严格控制在前述范围内。

上述微合金化非调质连杆用钢的制造流程为电炉或转炉——炉外精炼——vd或rh真空脱气——连铸——连轧

主要生产工艺特点如下：

1)选料：选用切头等优质废钢，配加一级生铁或优质铁水，以减少钢中有害元素。

2)钢水冶炼：

钢种属于含p钢，脱p工艺较为特殊，也是生产难点，对该难点采用了薄渣操作：在冶炼时减少渣的石灰含量(与不含p钢钢水冶炼采用渣的石灰含量相比降低10-35％)，降低碱度，降低氧化性，冶炼时在薄渣操作过程中一次性p脱到位，按0.020％≤p≤0.045％控制p含量，并且控制出钢温度不小于1550℃，为后续冶炼提供先决条件：即出钢时p含量≥0.020％；同时优化出钢时合金的加入顺序：al、si、mn，严格要求控制出钢时终点c、p的成分，避免补吹带来的过氧化；控制出钢终点碳≥0.05％，出钢时加脱氧剂脱氧，采用偏心底出钢方式减少钢渣进入大包。

对增碳剂、添加合金进行添加前干燥，精确控制化学成分，保持炉内的还原气氛，采用吹氩搅拌，使钢中的非金属夹杂物充分上浮，保证钢水纯净度。

该钢种属于高si、含ti、含v钢，存在回收率较难控制的问题，冶炼前对此进行科学计算和冶炼模拟，不但确保低氧含量的控制目的(氧含量为6ppm)，同时通过采用窄成分控制工艺(si控制在目标值±0.03％，ti含量控制在目标值±0.01％，v含量控制在目标值±0.01％)

真空脱气：由于该钢种属于高n钢，rh严格控制低真空、高真空(小于130pa)的时间比例不低于2:1，其中高真空不低于10分钟，避免过度过度脱n，确保钢水的增n水平；

3)连铸：严格控制精炼包上台温度，确保钢水过热度控制在15～25℃之间，连铸全过程采取防氧化浇铸措施；

该钢种属于高si、含p、高s非调质钢，裂纹敏感性非常强，对此连铸工艺采用全新的工艺设计：首先使用连铸轻压下工艺，其次降低拉速(0.40-0.6m/min)、连铸过程采用m-ems(首端电磁搅拌)和f-ems(流间电磁搅拌)双联，加大首端和流间电磁搅拌确保了截面成分均匀性，再通过弱冷工艺(二冷区水雾冷却的水量是0.12l/kg，)降低铸坯内部的温度梯度，从而避免了内部裂纹的产生；下线时通过实施高温下线缓冷工艺，降低温度梯度，避免内部裂纹的产生。有效改善和降低连铸坯的成分偏析，尤其在增加流间电磁搅拌后，铸坯凝固组织的致密度得到了提高，铸坯中心疏松和缩孔得到了有效控制，而二次枝晶臂间距得到明显改善，中心等轴晶率明显提高，晶粒得到细化，从而显著地改善了铸坯的质量，降低成分偏析。

4)铸坯加热：轧制过程中严格控制钢坯加热温度(1150-1300℃)、加热时间大于0.71min/mm，炉内采用惰性气体如氩气保护加热，使钢材表面无全脱碳，也同时保证脱碳不超标，该加热温度有助于充分发挥ti和v的作用，得到细小的晶粒度，从而获得高强度性能。

5)连轧：钢坯保温后出炉经高压水除鳞处理；然后进入连轧机组轧制成所需规格，轧制压缩比≥20，终轧温度不限定，轧制完成后空冷；

6)锯切；

7)堆冷；

8)精整。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、该钢种具有非调质钢的种种优点，用户锻造后不需要进行调质热处理就可以直接进行后续加工、使用，锻件力学性能rel≥900mpa，rm≥1100mpa，硬度为305-360hbw，金相组织为细小的铁素体+珠光体组织，晶粒度达到8级以上，力学性能远高于现有c70系列、mnvs系列胀断连杆，有利于汽车发动机轻量化。

2、本申请的非调质钢中添加一定含量ti(0.030～0.070％)，形成稳定的细小弥散的tin等质点，进一步促进晶粒细化，使连杆锻造温度更高，更有利于提高连杆强度。

3、该钢含有一定量能改善切削性能和胀断性能的s、p元素,提高连杆连铸制造性能。

4、本申请对高强度胀断钢的成分进行了设计，无需添加b，通过设计p、s的含量达到提高胀断性能和机加工的效果。此外，提高si的含量以强化抗拉强度，同时限定si的最高添加量亿降低连铸难度，实现该钢品的连铸生产，而不用采用生产周期更长的浇注钢锭生产方式。

附图说明

图1为本发明实施例中热轧圆钢棒材成品组织。

图2为本发明实施例中热轧圆钢棒材成品锻造的发动机连杆力学性能曲线图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1-4的高强度胀断连杆用钢制造流程为电炉或转炉---炉外精炼---真空脱气(vd或rh)---连铸---连轧---锯切---堆冷---精整---表面及内部探伤---包装。

照化学成分配比，选用切头等优质废钢，配加一级生铁或优质铁水，以减少钢中有害元素；冶炼过程流渣操作，控制终点c≥0.15％，防止钢水过氧化，采用薄渣操作：减少渣的石灰含量，降低氧化性，与不含p钢钢水冶炼采用渣的石灰含量相比降低10-35％，在薄渣操作过程中一次性p脱到位，按0.020％≤p≤0.045％控制p含量，并且控制出钢温度不小于1550℃，为后续冶炼提供先决条件：即出钢p含量≥0.020％；控制合金的加入顺序：al、si、mn，出钢时加脱氧剂脱氧，偏心底出钢减少钢渣进大包.lf炉加强扩散脱氧，保持炉内还原气氛，吹氩搅拌，使钢中的非金属夹杂物充分上浮，保证钢水纯净度；真空炉保证高真空时间(≤130pa)为15分钟，严格控制低真空、高真空的时间比例不低于2:1，避免过度过度脱n，通过硫化物变形处理改变硫化物形貌。

连铸过程采用低过热度浇注，浇注过热度不超过25℃，并配备合适的拉速0.4m/min及二冷段冷却强度:水雾冷却的水量0.12l/kg，同时连铸采用先进的m-ems和f-ems双联措施，有效地改善和降低连铸坯的成分偏析。轧钢通过高温轧制，加热温度1160～1210℃，加热时间≥4h，改善钢材的析出物。

连轧：将设置钢坯加热温度1200-1300℃)、加热时间大于4小时，炉内采用惰性气体如氩气保护加热，使钢材表面无全脱碳，也同时保证脱碳不超标，该加热温度有助于充分发挥ti和v的作用，得到细小的晶粒度，从而获得高强度性能。

5)连轧：钢坯保温后出炉经高压水除鳞处理；然后进入连轧机组轧制成所需规格，轧制压缩比≥20，终轧温度不限定，轧制完成后空冷。

本发明实施例1-4与比c70系列、mnvs系列胀断连杆用钢化学成分、连杆力学性能对比，见表1、表2

表1化学成分(wt％)

表2连杆力学性能

实施例1-4产品金相组织为铁素体和珠光体，晶粒度不小于8级，高出三个对比例两级，从硬度来看，本申请仍具有较好的切削性能。

本申请的非调质钢锻造成发动机连杆力学性能参见图2。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。