摘 要:對(duì) C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)進(jìn)行了合理測(cè)定,采用力學(xué)性能測(cè) 試、金相檢驗(yàn)、疲勞性能測(cè)試等方法對(duì) C70S6非調(diào)質(zhì)鋼脹斷連桿的品質(zhì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:軋 鋼過(guò)程中采用高溫?cái)U(kuò)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(yuǎn)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(xiàng)理化性能指標(biāo)和疲勞壽命測(cè)試結(jié)果均能滿(mǎn)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(lèi)號(hào):TG115.5                                   文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A                                                    文章編號(hào):1001-4012(2022)08-0016-05 

連桿是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)五大核心零部件之一,其長(zhǎng) 期工作于高溫環(huán)境,且加工制造過(guò)程復(fù)雜,因此對(duì)連 桿材料的強(qiáng)韌性和切削性能提出了非常高的要求。 傳統(tǒng)的 汽 車(chē) 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 連 桿 使 用 的 是 經(jīng) 過(guò) 調(diào) 質(zhì) 后 的 40Cr,42CrMo等合金結(jié)構(gòu)鋼制造,目前汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī) 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(guò)程中,將以細(xì)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(qiáng)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(lái)的連桿變形及淬火開(kāi)裂問(wèn) 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(zhǎng)連桿的使用壽命,汽車(chē) 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(qiáng)度等級(jí)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(jì)數(shù)據(jù)顯示:目 前 國(guó) 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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿制造的主導(dǎo)鋼 鐵材料[3]。

筆者對(duì) C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷 卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線(xiàn)進(jìn)行了合理測(cè)定,并采用力學(xué)性 能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、疲勞性能測(cè)試等方法對(duì) C70S6 非調(diào)質(zhì)鋼脹斷連桿的品質(zhì)進(jìn)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(dòng) 機(jī) 連 桿 在 高 溫 環(huán) 境 下 高 速、長(zhǎng) 時(shí) 間、穩(wěn)定地 運(yùn) 轉(zhuǎn),對(duì) 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(xiàn)測(cè)定試驗(yàn) 

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(xiàn) (體)膨 脹 系 數(shù) 表 示,線(xiàn) (體)膨脹系數(shù)是溫度升高1K 時(shí)物體的長(zhǎng)度(體積) 的相對(duì)增加量。熱膨脹法是通過(guò)測(cè)量金屬材料熱循 環(huán)過(guò)程中線(xiàn)性應(yīng)變與時(shí)間和溫度的關(guān)系,來(lái)研究鋼 鐵材料固態(tài)相變的一種實(shí)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(shí),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(xiàn)上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以得出鋼中各相 之間相互轉(zhuǎn)化的溫度和所需時(shí)間。 

筆者以 C70S6圓鋼為試驗(yàn)材料,用膨脹法測(cè)定 其 CCT 曲線(xiàn),由此直觀描述在一定冷卻速率下的臨 界轉(zhuǎn)變點(diǎn),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(yàn)方案 

采用 GLEEBLE3800 型 熱 模 擬 試 驗(yàn) 機(jī) 開(kāi) 展 CCT 曲線(xiàn)測(cè)定試驗(yàn),在試驗(yàn)前,需知道 C70S6材料 的奧氏體化溫度,因此用 DIL805L型熱膨脹儀準(zhǔn)確 測(cè)定材料的相變點(diǎn),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?dú)狻70S6鋼相變點(diǎn) 測(cè)定試驗(yàn)方案如圖1所示,將制備的2個(gè)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(diǎn) 的 測(cè) 定 結(jié) 果 如 圖 2 所 示,圖 2 中 Ac1 為加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度,Ac3 為加 熱時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終點(diǎn)溫度,Ar1 為冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度,Ar3 為冷卻時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變 的開(kāi) 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(xiàn)測(cè)定試驗(yàn)方 案如圖3所示,取一組9個(gè)試樣,每個(gè)規(guī)格(直徑× 長(zhǎng)度)均為8mm×10mm,每個(gè)試樣對(duì)應(yīng)1個(gè)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(lái)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(cè)定材 料的靜態(tài) CCT 曲線(xiàn)[5]。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析 

C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的靜態(tài) CCT 曲線(xiàn)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(cè)定C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的碳含量為0.70%,其 CCT 曲線(xiàn)與共析鋼轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)相近,在轉(zhuǎn)變過(guò)程中只產(chǎn)生了 珠光體與馬氏體,而無(wú)貝氏體轉(zhuǎn)變。經(jīng)過(guò)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(shí),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(guò)砂紙打磨、拋光后,用體積分?jǐn)?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(yàn)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(tuán) 逐 步 細(xì) 化,從 經(jīng) 過(guò) 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(guò)程中長(zhǎng)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^(guò)細(xì)化原奧氏體、實(shí)際鐵 素體和珠光體晶粒來(lái)消除網(wǎng)狀,細(xì)化珠光體片層,從 而改善材料的強(qiáng)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(duì) C70S6 非 調(diào) 質(zhì) 鋼 CCT 曲 線(xiàn) 的 測(cè) 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(guò)程采用的是高溫?cái)U(kuò)散加熱工藝,目 的是:提高加熱二段及均熱段加熱溫度;延長(zhǎng)這2個(gè) 高溫段的加熱保溫時(shí)間;為防止高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱帶 來(lái)的材料表面脫碳,適當(dāng)降低加熱爐內(nèi)的空燃比。 高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱時(shí),對(duì)碳、磷、硫等易偏析元素進(jìn)行 充分?jǐn)U散,可減輕材料偏析,均勻材料組織,防止材 料帶狀組織超標(biāo)和心部出現(xiàn)馬氏體等異常組織。 

圓鋼軋制過(guò)程采用控軋控冷工藝,可實(shí)現(xiàn)低溫 終軋;控制軋后穿水冷卻速率為5~10 ℃/s,獲得細(xì) 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(yùn)連桿毛 坯,同時(shí)利用風(fēng)箱在傳輸轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中進(jìn)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(qiáng)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(guò)快產(chǎn)生馬氏體異常組織[8-9]。

4 連桿鍛件實(shí)物的理化檢驗(yàn)

4.1 力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)原材料圓鋼軋制及連桿毛坯鍛造相關(guān)工藝參 數(shù)進(jìn)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(yàn) 

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(guò)10%。

4.3 疲勞性能測(cè)試 

連桿毛坯鍛件經(jīng)過(guò)磨削、鏜孔、脹斷等機(jī)械加工 后制作成連桿,然后使用升降法在型號(hào)為 MTS880 的電液伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)上對(duì)連桿進(jìn)行拉-壓加載 不對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞強(qiáng)度測(cè)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(jìn)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(cè) 試數(shù)據(jù)如表4所示,疲勞性能測(cè)試升降圖如圖7所 示。連桿疲勞測(cè)試結(jié)果表明:在連桿小頭油孔處發(fā) 生斷裂,經(jīng)過(guò)計(jì)算得出連桿在50%存活率下的疲勞 極限(載荷)為88.33kN,標(biāo)準(zhǔn)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(yǔ) 

(1)利 用 膨 脹 法 對(duì) 汽 車(chē) 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 脹 斷 連 桿 用 C70S6非調(diào)質(zhì)鋼的 CCT 曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)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(jì)奠定了基礎(chǔ)。

(2)軋制加熱過(guò)程采用高溫?cái)U(kuò)散加熱工藝,并 延長(zhǎng)了高溫加熱時(shí)間,可對(duì)易偏析元素進(jìn)行充分?jǐn)U 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(xì)晶粒組織。

(4)鍛造過(guò)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(xì)化組織晶粒,同時(shí)防 止出現(xiàn)馬氏體等異常組織。

(5)力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、疲勞性能測(cè)試結(jié) 果顯示,成品連桿的強(qiáng)韌性、疲勞壽命完全滿(mǎn)足用戶(hù) 的使用要求。

參考文獻(xiàn): 

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

[2] 曹正,史萬(wàn)富,王敢利,等.高碳微合金非調(diào)質(zhì)鋼連桿 研究[J].汽車(chē)工藝與材料,2000(12):24-27. 

[3] 王秋冰,馬鳴,盧震鳴,等.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿用材料與工藝 的發(fā)展趨勢(shì)[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2007,15(1):40- 44. 

[4] 車(chē)從榮,蔣棟初.C70S6BY 開(kāi)發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐[J].現(xiàn)代冶 金,2017,45(5):28-30. 

[5] 王明旭,王振華,厲勇,等.一種連桿用高碳非調(diào)質(zhì)鋼 熱變 形 奧 氏 體 的 連 續(xù) 冷 卻 轉(zhuǎn) 變 [J].熱 加 工 工 藝, 2009,38(16):48-49,52. 

[6] 劉景順.汽車(chē)零件鍛造技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué) 出版社,2001. 

[7] 岳海軍.連桿鍛件的生產(chǎn)工藝與質(zhì)量控制[J].機(jī)械工 程師,2009(10):126-127.

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