摘 要:對 C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線進行了合理測定,采用力學(xué)性能測 試、金相檢驗、疲勞性能測試等方法對 C70S6非調(diào)質(zhì)鋼脹斷連桿的品質(zhì)進行了分析。結(jié)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(wěn)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(xiàn)馬氏體等異常組織;最終制作的 C70S6非調(diào)質(zhì)鋼脹斷連桿的各項理化性能指標和疲勞壽命測試結(jié)果均能滿足使用要求。
關(guān)鍵詞:C70S6非調(diào)質(zhì)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(fā)動機五大核心零部件之一,其長 期工作于高溫環(huán)境,且加工制造過程復(fù)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(tǒng)的 汽 車 發(fā) 動 機 連 桿 使 用 的 是 經(jīng) 過 調(diào) 質(zhì) 后 的 40Cr,42CrMo等合金結(jié)構(gòu)鋼制造,目前汽車發(fā)動機 連桿多采用易切削非調(diào)質(zhì)鋼制造。非調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)鋼制造的連桿可 以避免因調(diào)質(zhì)熱處理帶來的連桿變形及淬火開裂問 題,提高產(chǎn)品的質(zhì)量合格率,最關(guān)鍵的是可以免去高 能耗、高污染的熱處理工序,提高生產(chǎn)效率[2],有利 于節(jié)能減排和綠色環(huán)保。此外,使用非調(diào)質(zhì)鋼后,可 以用脹斷技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)質(zhì)鋼連桿的平切技術(shù),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(diào)質(zhì)鋼主要分為中碳 MnVS和高碳 MnVS系列,按連桿強度等級區(qū)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(tǒng) 計數(shù)據(jù)顯示:目 前 國 內(nèi) 非 調(diào) 質(zhì) 鋼 脹 斷 連 桿 占 連 桿 總量的 70% 以 上,且 這 一 數(shù) 據(jù) 還 在 逐 年 遞 增,而 C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的使用量又占到連桿非調(diào)質(zhì)鋼用 量的70%,是目前汽車發(fā)動機連桿制造的主導(dǎo)鋼 鐵材料[3]。
筆者對 C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷 卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線進行了合理測定,并采用力學(xué)性 能測試、金相檢驗、疲勞性能測試等方法對 C70S6 非調(diào)質(zhì)鋼脹斷連桿的品質(zhì)進行了分析
1 C70S6非調(diào)質(zhì)鋼連桿材料的力學(xué)性能
要使 發(fā) 動 機 連 桿 在 高 溫 環(huán) 境 下 高 速、長 時 間、穩(wěn)定地 運 轉(zhuǎn),對 連 桿 材 料 的 力 學(xué) 性 能 有 很 高 的要 求[4],C70S6 非 調(diào) 質(zhì) 鋼 的 力 學(xué) 性 能 如 表 1 所示。
2 靜態(tài) CCT曲線測定試驗
物體因溫度增加而發(fā)生的體積膨脹現(xiàn)象叫“熱
膨脹”,物 體 膨 脹 大 小 用 線 (體)膨 脹 系 數(shù) 表 示,線
(體)膨脹系數(shù)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(huán)過程中線性應(yīng)變與時間和溫度的關(guān)系,來研究鋼
鐵材料固態(tài)相變的一種實用的分析方法。由于鋼的
高溫組織和其轉(zhuǎn)變產(chǎn)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(dǎo)致正常膨脹
曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點。根據(jù)轉(zhuǎn)折點可以得出鋼中各相
之間相互轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變點,以及在不同冷卻速率下所經(jīng)歷的各種轉(zhuǎn) 變和相應(yīng)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(yīng)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(nèi) 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(jié) 果 如 圖 2 所 示,圖 2 中 Ac1 為加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度,Ac3 為加 熱時轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終點溫度,Ar1 為冷卻時奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度,Ar3 為冷卻時鐵素體轉(zhuǎn)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(diào)質(zhì)鋼的靜態(tài) CCT 曲線測定試驗方
案如圖3所示,取一組9個試樣,每個規(guī)格(直徑×
長度)均為8mm×10mm,每個試樣對應(yīng)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(tài) CCT 曲線[5]。
2.2 試驗結(jié)果分析
C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的靜態(tài) 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(diào)質(zhì)鋼的碳含量為0.70%,其 CCT
曲線與共析鋼轉(zhuǎn)變曲線相近,在轉(zhuǎn)變過程中只產(chǎn)生了
珠光體與馬氏體,而無貝氏體轉(zhuǎn)變。經(jīng)過充分奧氏體
化的C70S6非調(diào)質(zhì)鋼在不同的冷卻速率下連續(xù)冷卻
時,主要發(fā)生的相變?yōu)閵W氏體向珠光體轉(zhuǎn)變(A→P)。
2.3 顯微組織變化
試樣經(jīng)過砂紙打磨、拋光后,用體積分數(shù)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(xué)顯微鏡下觀察。金相檢驗結(jié)
果表明:轉(zhuǎn)變結(jié)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(wǎng)狀 逐 步 消 除,珠 光 體 團 逐 步 細 化,從 經(jīng) 過
3 ℃/s的速率連續(xù)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(xù)增加,鐵素體消失,馬氏體出現(xiàn)
且占比逐步增加?？梢酝ㄟ^細化原奧氏體、實際鐵
素體和珠光體晶粒來消除網(wǎng)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(diào)質(zhì)鋼的顯微組織變化如圖5所示。
3 制造工藝
結(jié)合上述 對 C70S6 非 調(diào) 質(zhì) 鋼 CCT 曲 線 的 測 定,可以分析軋制與鍛造工藝,以獲得技術(shù)條件要求 的C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的顯微組織和力學(xué)性能,防止出現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。
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(yīng)加熱→輥鍛制坯→模鍛成型→切邊→吹風(fēng)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(diào)節(jié)終鍛溫度為930~980 ℃ [7]。
(2)鍛后冷卻:鍛造后使用輸送帶轉(zhuǎn)運連桿毛 坯,同時利用風(fēng)箱在傳輸轉(zhuǎn)運過程中進行吹風(fēng)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(fēng)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(fēng) 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(chǎn)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(xué)性能測試
對原材料圓鋼軋制及連桿毛坯鍛造相關(guān)工藝參 數(shù)進行合理優(yōu)化后,C70S6非調(diào)質(zhì)鋼連桿的力學(xué)性 能如表2所示。
4.2 金相檢驗
優(yōu)化工藝參數(shù)后,C70S6非調(diào)質(zhì)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(wǎng)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(jīng)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(tǒng)上對連桿進行拉-壓加載
不對稱循環(huán)疲勞強度測試,疲勞的循環(huán)基數(shù)設(shè)定為
1×10
7 次,按連桿大頭處的受力進行加載(根據(jù)連
桿的工況參數(shù)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(shù)據(jù)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(jié)果表明:在連桿小頭油孔處發(fā)
生斷裂,經(jīng)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(shù) KS50% =
1.85。
5 結(jié)語
(1)利 用 膨 脹 法 對 汽 車 發(fā) 動 機 脹 斷 連 桿 用 C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的 CCT 曲線進行測定,為后續(xù)圓鋼軋制與連桿鍛造工藝參數(shù)的合理設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
(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(xiàn)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(xiàn)馬氏體等異常組織。
(5)力學(xué)性能測試、金相檢驗、疲勞性能測試結(jié) 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。
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