一种易切削中碳非调质裂解连杆用钢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种钢材料及其制造方法，尤其设及一种非调质钢及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 微合金非调质钢（W下简称非调质钢）是一种将社制或锻造与热处理步骤结合为 一体，能够省去调质处理的节能型结构材料。与传统的调质钢相比较，微合金非调质钢是一 种技术含量高、带动力强、影响面大的钢种，也是目前国际上正处于快速发展阶段的前沿热 点材料。发动机连杆最初一般采用经过调质处理等热处理后的中碳钢或中碳合金钢。随着 汽车工业和材料技术的发展，采用微合金化生产的非调质钢被广泛地应用于发动机连杆。
[0003] 非调质钢通过析出强化来提高钢材的强度、硬度等力学性能，得到与调质钢材经 调质后相仿的力学性能，同时省去了泽火、回火等热处理工艺，具有绿色、环保、经济、高效 等显著优点。同时，传统的发动机连杆的加工工艺复杂，精度要求非常高，加工精度对发动 机的可靠性和平稳性影响很大。90年代初发展起来的裂解连杆工艺很好地解决了此问题。 裂解连杆工艺的基本原理是在连杆大头孔的剖分面上加工V形凹槽，采用专用的裂解装置 对大头孔施加一个撑开的力，使连杆的大头部位裂开。由于在预先加工的V形凹槽处形成 应力集中，因而可W在V形槽处准确断裂，其断口是比较典型的脆性断口，且基本不发生颈 缩现象。断裂后，连杆结合面不需要进行任何加工，便可W使得连杆体和连杆盖处于最优装 配状态，良好定位，无需采用传统连杆的定位螺栓、定位销、齿形等定位方式，大大地降低了 生产制造成本。为此，裂解连杆成为了发动机制造企业的主要连杆制造工艺。
[0004] 然而，独特的裂解连杆技术对钢材料的要求较高，需要钢材料在保证综合力学性 能的基础上，要求材料在裂解工艺过程中不能产生较大的塑性变形，W利于裂解断口呈现 合适的脆性断裂特征，运样可W保证经裂解后的连杆具有优良的装配性能，同时保证连杆 的大头孔具有良好的圆度。目前，国内外比较成熟的裂解连杆用钢是含碳量较高的SAE1080 钢或C70S6钢。C70S6钢的含碳量较高，脆性解理较好，裂解工艺断口较好，能够保证连杆大 头孔裂解后具有很好的装备精度。但是C70S6钢的屈服强度比较高，钢材的塑性稳定性较 差，钢材的疲劳寿命较低，同时较多的高强硬度的片状渗碳体会导致其切削性能变差。为了 解决运些问题，国际上学术界和工业界开展了很多改善传统裂解连杆用钢性能的研究。目 前国内使用的裂解连杆用钢基本都是含碳量较高的C70S6钢，但是对中碳非调质裂解连杆 用钢的研究和应用都相对较少。在汽车工业快速蓬勃发展的当今，汽车发动机生产厂商对 中碳非调质裂解连杆用钢的需求量逐步增加，市场潜力巨大，具有良好的发展和工业应用 前景。
[0005][0006][0007] 公告号为CN102108472A，公开日为2011年6月29日，名称为"用于汽车发动机 裂解连杆的高碳微合金圆钢及其生产方法"的中国专利文献公开了一种高碳微合金圆钢， 其化学元素质量百分含量（wt. % )为：C:0. 60~0. 80%，Si:0. 17~0. 37%，Mn:0. 30~ 0. 90%，P:0. 020 ~0. 060%，S:0. 050 ~0. 080%，N:0. 015 ~0. 0300%，还含有微合金元 素V、佩、Ti、B的一种或几种，余量为化及不可避免的杂质。该专利文献所公开的钢材料 中不含化合金元素。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种易切削中碳非调质裂解连杆用钢，该钢材料具有较高 的屈服强度和抗拉强度。另外，本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢还具备优良 的切削加工性能和良好的脆性裂解性能，适合于连杆加工工艺。此外，本发明所述的易切削 中碳非调质裂解连杆用钢具有稳定的塑性和较好的疲劳性能。
[0009] 为了实现上述目的，本发明提出了一种易切削中碳非调质裂解连杆用钢，其微观 组织包括铁素体+珠光体，W及第二相粒子VN;该易切削中碳非调质裂解连杆用钢的化学 元素质量百分比含量为：
[0010] C :0.2~0.55%，
[0011]Si:0. 35~1.00%，， 阳01引Mn:0. 5 ~1. 70%， 阳01引S:0.Ol~0. 09%，
[0014]P:0.03 ~0.15%， 阳01引 Cr :0. 05~0. 50%，
[0016]V:0.05 ~0.45%，
[0017]N:0. 005~0. 030%，
[0018] 余量为化及其他不可避免的杂质。
[0019] 本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢中的各化学元素的设计原理为：
[0020] 碳：C是钢的主要强化元素之一。增加C含量，可W增加钢的珠光体含量，提高非 调质钢的强度，降低非调质钢的塑性。如果C含量过高，珠光体数量过多，钢的强度会过高， 将对于钢的切削性能和疲劳性能会产生不利影响。对于本发明所述的易切削中碳非调质裂 解连杆用钢中的C含量需要控制在0. 2~0. 55%范围之间。
[0021] 娃：Si在钢中具有很强的固溶强化作用，能够显著地提高钢的强度，同时降低钢 的塑性和初性。Si能够促进元素P、S的晶界偏聚，使得晶界适当脆化，有利于钢材的脆性 裂解。然而，若Si含量过高，则会恶化钢材的热成形性，影响钢材锻成连杆毛巧件的表面 质量。为此，需要将本发明的易切削中碳非调质裂解连杆用钢中的Si含量设定为0. 35~ 1. 00%。 阳0巧儘：Mn能够提高非调质钢的强度，改善非调质钢的初性。Mn可W增加V在奥氏体 中的溶解度，从而影响V的析出量和析出物尺寸。Mn含量的增加会降低钢的相变溫度，使 得钢的珠光体团细小，减少珠光体片间距，由此来提高钢的初性。但是，钢的珠光体含量的 增加会降低钢的初性。此外，Mn还会和S形成MnS夹杂，提高钢的切削性能，在撑断时起到 缺口效应，使得钢的裂解性能提高。不过，当Mn含量过高时，容易导致钢材在热锻工艺后于 组织中出现贝氏体组织，恶化钢的综合性能。综合考虑各项因素，将Mn含量控制为0. 5~ 1. 70%。 阳02引硫：S是易切削元素。当钢中具有较高含量的Mn时，容易在钢中形成MnS夹杂物， 能使钢中不易变形的氧化物夹杂被硫化物包裹而提升钢的切削加工性能。同时，MnS还增 加了铁素体的形核核屯、，从而细化铁素体和珠光体组织。由于本发明的连杆用钢需要具备 优良的切削性能，因此，本发明的技术方案中需要含有硫，但是考虑到硫化物夹杂对于钢的 综合性能会产生不利影响，钢中的硫含量又不能太高。综合考量钢的切削加工性能和力学 性能，需要将本发明的易切削中碳非调质裂解连杆用钢中的硫含量设计为0.Ol~0. 09%。
[0024]憐：P在钢液凝固时会形成微观偏析，随后在高溫加热时偏聚在晶界，使得钢的脆 性显著增大。不同于现有技术中尽可能地降低钢中P的含量，本发明的技术方案而是采用 增加钢种中的P元素的设计思路，来脆化钢材的晶界强度，并使得P元素固溶于a-Fe中，W 此来降低钢材的塑性，极大地提高钢材的裂解性能。同时，P元素也能在一定程度上改善钢 的切削性能。综合考虑各方面因素，将P元素控制在0. 03~0. 15%范围之间。
[00巧]铭：化也是固溶强化元素，其可W提高钢材的强度。但是，如果化含量过高，会增 加钢材的切削难度。在非调质钢含有铁素体和珠光体的前提下，仍需要钢具备较高的强度， 因此在本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢需要控制化在0.05~0.50%范围之 间。
[0026] 饥：V能够在钢中形成碳化物和氮化物，可W形成弥散的析出物，提高强度。V的使 用可W显著提高钢的强度，同时也能提高钢的裂解性能。如果V加入的过多，会导致钢的切 削性能下降，并提高钢的成本。鉴于此，需要将本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用 钢中的V含量设定为0. 05~0. 45 %。
[0027]氮：N在钢中与V、Nb、Ti、Al会形成氮化物。N的添加可W增加V、Nb、Ti的析出 量，加强沉淀强化和细化晶粒作用。因此，本发明所述的易切削中碳非调质裂解连杆用钢中 的N含量为0. 005~0. 030 %。
[0028] 本发明的技术方案的主要设计思路在于：降低传统高碳裂解连杆用钢的碳含量， W复相的铁素体+珠光体组织代替较单一的珠光体组织，同时W微合金化方式来提高钢材 强度所要达到的连杆用钢的综合力学性能。然而，传统的铁素体+珠光体组织中，铁素体的 初性和塑性较好，缺口根部的铁素体区域容易发生延性断裂，胀断性能很差，为此需要通过 上述合金元素的复合添加所产生的效果来降低铁素体相的初性，并提高铁素体相的硬度， 同时适当脆化原奥氏体晶界，使得本发明的钢在具备较高强度的情况下还兼具有优良的裂 解断裂性能。
[0029] 铁：Ti在钢中会形成碳化物和氮化物。Ti的碳化物和氮化物属于同一晶型，点阵 常数接近，