CN111304517B

CN111304517B - 一种汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢及生产方法

Info

Publication number: CN111304517B
Application number: CN202010145323.5A
Authority: CN
Inventors: 谢有; 邓向阳; 叶玉奎; 袁静; 李辉成; 左锦中; 孟晓玲; 屈志东
Original assignee: Zenith Steel Group Co Ltd; Changzhou Zenith Special Steel Co Ltd
Current assignee: Zenith Steel Group Co Ltd; Changzhou Zenith Special Steel Co Ltd
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2040-03-05
Also published as: CN111304517A

Abstract

本发明公开了一种汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢及生产方法，该钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.40‑0.50％，Si 0.40‑0.60％，Mn 1.00‑1.30％，S 0.040‑0.060％，V 0.10‑0.20％，Nb 0.020‑0.035％，Cr 0.10‑0.30％，Ni 0.10‑0.30％，N 0.010‑0.020％，余为Fe及杂质元素。通过本发明的组分配比，加上控轧控冷工艺的结合，使连杆材料力学性能Rel≥850MPa，Rm≥1000MPa，屈强比可达到0.84以上，有利于汽车发动机轻量化。

Description

一种汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢及生产方法

技术领域

本发明汽车发动机涨断连杆用钢，属非调质钢领域，具体涉及一种汽车发动机涨断连杆用铌钒复合强化非调质钢。

背景技术

汽车发动机连杆是汽车发动机里的五大关键零部件之一，连杆将所承受的活塞压力传递给曲轴，与活塞一起组成运动部件。连杆作为发动机的核心受力部件，承受强烈的交变载荷，其质量直接影响到发动机的性能和可靠性。

连杆加工主要有切断和涨断两种工艺，传统的连杆机械加工工艺复杂，常因加工精度误差而影响发动机的稳定性，涨断连杆技术则较好地解决了此问题，且加工工序少，使连杆的生产成本得到显著降低。涨断连杆技术对材料的要求特殊，即在保证强韧性等综合性能的前提下，限制连杆的韧性，即要求材料在涨断过程中不能发生较大的塑性变形，使断口呈现适当的脆性断裂特征，以达到后续加工工序对大头孔的圆度要求，并具有良好的切削加工性能。

目前，国内开发了一系列涨断连杆用非调质钢，典型的有38MnV，40MnV，48MnV，C70和C70S6等。目前应用较为广泛的为高碳非调质钢C70S6，C70S6钢容易发生脆性裂解，但仍有明显的缺点：屈强比偏低；疲劳性能比调质钢低；脆性的片层状渗碳体的硬度高、含量多，使钢的切削加工性能较差。此外，随着汽车轻量化、节能的发展趋势，对涨断连杆材质提出更高的要求，除了保证涨断性能及强度外，要求连杆材料具有更高的屈强比以充分发挥材质的力学性能。

CN201510332645.X公开了汽车发动机胀断连杆用钢，通过添加0.15～0.25wt％的微合金化元素V并控制0.015～0.025wt％的N，其他元素合理匹配，可生产出具有高强度、合适脆性和良好切削加工性能的汽车涨断连杆用钢，连杆强度达到Rel≥800MPa，Rm≥1100MPa。但该材料屈强比较低，产品性能不能有效利用，不利于材料的轻量化。

CN201811175895.7公开了一种高强度胀断连杆的非调质钢及其连铸生产工艺，通过采用钛钒复合强化，Ti 0.030～0.070wt％，V 0.25～0.35wt％，并控制N 0.015～0.025％，使得连杆材料的强度进一步提升，其连杆锻件性能可达到Rel≥900MPa，Rm≥1100MPa，但在当前Ti、N含量下，凝固过程会析出数十微米的大尺寸TiN相，不但降低Ti的有利作用，还会危害连杆的疲劳性能。

CN201810637610.0公开了一种中碳非调质胀断连杆用钢及其制造方法，通过钢中添加P0.030-0.060％及V 0.17-0.24％、Nb 0.036-0.045％，在保证钢的涨断性能的前提下可使连杆用钢的抗拉强度Rm达到950～1200MPa，屈服强度≥750MPa，屈强比≥0.73。P元素对于材料抗拉强度的作用要大于屈服强度，不利于屈强比的增加；此外，V元素在0.20％以上对屈强比的影响已不大，且Nb元素在中碳钢中含量达到0.035％以上由于生成大颗粒的液析碳化物几率增加，强化效果减弱，且不利于产品疲劳性能，再加上V、Nb合金昂贵，增加了产品的成本。

CN201410421719.2公开了抗拉强度≥1200MPa的汽车连杆用易切削钢及生产方法，通过增加B来提高钢的强度，抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa；B元素主要通过在晶界偏聚提高钢的强度，但由于晶界强化钢的塑性变好，不利于钢屈强比的增加。

CN201510092255.X公开了一种适用于复合锻造成型的高强韧性非调质钢中，通过添加V 0.01～0.15％、Nb 0.005～0.05％、RE 0.001～0.0075、P 0.005～0.03、N 0.008～0.02、Ti 0.01～0.15％，并降低C含量至0.25-0.40％，锻件抗拉强度R_m≥900MPa，屈服强度R_p0.2≥750MPa，屈强比可达0.85及以上，强度偏低，且炼钢过程稀土的加入难度较大，生成的稀土氧化物不易上浮去除从而降低钢的洁净度。

从上述现有技术可知，想要保持高强度的同时还能获得高屈强比的连杆材料并不是一件容易的事。这是由于即使得知元素对强度的影响，但各元素对于屈强比的影响尚不明确且在目前文献存在不同观点。所以如何获得高强度、高屈强比的涨断连杆用材料是本发明所要解决的技术问题。

本专利旨在获得一种低成本、高强度、高屈强比的涨断连杆材料，通过C、N、Nb、V元素的合理匹配，在保证连杆材料所需的涨断、强度等性能外，进一步提高材料的屈强比。

发明内容

本发明涉及一种高强度高屈强比汽车涨断连杆用非调质钢，为保证钢的强度并进一步提高屈强比，各元素合理分工，所采用的成分设计方案为：通过合理选择基础元素C、Si、Mn及Cr、Ni保证钢的强度；采用微合金化元素铌钒复合强化，Nb元素含量不高于0.035％，V元素控制在0.10-0.20％，高温下部分Nb元素与C、N结合析出碳氮化铌，轧制过程可起到增加位错、细化晶粒的作用，从而提高钢的屈强比，剩余Nb及V在后续相变过程及相变后析出强化软相铁素体，从而进一步提高钢的屈强比；匹配合适的控轧控冷工艺，连杆材料力学性能Rel≥850MPa，Rm≥1000MPa，Rel/Rm可达到0.84以上，有利于汽车发动机轻量化。

本发明所涉及的一种汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢及生产方法，其特征在于：该钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.40-0.50％，Si 0.40-0.60％,Mn1.00-1.30％,S 0.040-0.060％，V 0.10-0.20％,Nb 0.020-0.035％，Cr 0.10-0.30％，Ni0.10-0.30％，N 0.010-0.020％，余为Fe及杂质元素。

C 0.40-0.50％

C：碳是非调质钢中提高强度性价比最高的元素，随着C含量的增加，铁素体量减少，珠光体量增多，钢的强度和硬度随之提高，但钢的塑性、韧性以及屈强比随之降低。综合考虑产品的性能及成本，C含量限定在0.40-0.50％范围内。

Si 0.40-0.60％

Si：Si在低铝钢中可以作为脱氧元素，同时在铁中的固溶度较大，具有较强的固溶强化作用。但Si含量过高，会恶化棒材的热成型性，影响锻造毛坯的表面质量。Si含量限定为0.40-0.60％。

Mn 1.00-1.30％

Mn：锰铁合金的价格较低，而Mn元素在钢中主要以固溶的形式存在，具有较强的固溶强化效果。此外，对于含硫非调质钢，Mn元素可以与S结合形成硫化锰，从而抑制钢的热脆，并提高切削性能，减少刀具磨损。但Mn含量过高，珠光体量增加，降低屈强比，此外会促进贝氏体组织出现，因此Mn含量限定为1.00-1.30％。

S 0.040-0.060％

为改善切学性能，非调质钢中常添加一定含量的S，与钢中的Mn结合成MnS，起到应力集中源的作用，使得钢材在切削加工过程中容易断屑，同时又可起到润滑刀具的作用，减少刀具磨损、延长刀具寿命。但硫化物易于变形，在轧制过程中变形为长条状，使钢的力学性能呈现方向性，同时S元素为强偏析元素，偏析富集区域不利于钢的力学性能。本发明S含量的范围确定为0.040-0.060％。

V 0.10％-0.20％

V：微合金化元素V是非调质钢中的重要强化元素，与C结合形成细小弥散分布的碳化物第二相强化钢基体，V强化的效果受轧制工艺的影响显著。V含量增加，可有效提高钢的屈强比，但含量过高，其作用趋势与饱和，再加上V元素价格高，综合考虑钢的性能要求，将V的含量限定在0.10％-0.20％。

Nb 0.020-0.035％

Nb与C的结合能力强于V，其析出温度也高于V，在常规加热温度下可抑制晶粒长大，轧制过程中可以固定位错、细化晶粒，从而提高材料的屈强比，此外，部分固溶Nb在随后相变及相变后析出强化软相铁素体，进一步提高屈强比。但Nb元素为强偏析元素，中碳钢种Nb含量超过0.035％时，在液相析出一次碳化物的几率增加，不利于钢的性能提升，同时造成合金的浪费，再加上Nb元素价格较高，综合考虑，Nb含量限定在0.020-0.035％。

Cr 0.10-0.30

Cr固溶于钢基体中可显著提升淬透性，提高钢的强度；Cr还是碳化物形成元素，在钢中可形成碳化物第二相粒子强化钢基体，同时还可以降低C的扩散速率，抑制热处理过程的表面脱碳现象。但其含量过高，会产生贝氏体等组织，降低韧性，Cr含量限定为0.10-0.30％。

Ni 0.10-0.30％

Ni是非碳化物形成元素，主要固溶于钢基体中起到固溶强化的效果，同时可提高奥氏体稳定性，显著提升钢的淬透性。同样，Ni含量过高，更容易导致钢中出现非平衡组织，降低钢的韧性。本发明Ni含量限定为0.10-0.30％。

N 0.010-0.020％

N是非调质钢中重要的强化元素，可与微合金化元素Nb、V结合形成第二相粒子，一方面可以钉扎奥氏体晶界，抑制晶粒长大，另一方面起到析出强化作用。但N含量如果添加过高会给炼钢带来不利，导致铸坯产生气泡、气孔。本发明N含量控制为0.010-0.020％。

生产一种汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢，该生产工艺包括下列步骤：电炉/转炉冶炼-LF精炼-VD/RH真空处理-连铸-缓冷-检验-加热炉加热-控轧-冷却-超声+漏磁探伤-包装-称重-入库。

其中电炉/转炉冶炼时，控制初炼终点C≥0.08％，防止钢水过氧化，严禁下渣；出钢过程依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料；

LF精炼时进行成分微调，保持炉内还原气氛，控制炉渣碱度2.0-3.0，底吹氩气搅拌，均匀温度及成分，并促进钢中非金属夹杂物上浮去除，保证钢水纯净度；控制LF终点Mn含量，为真空后调整Mn、N含量留出合适余量。

真空处理过程，保证高真空(≤67Pa)时间≥10min，破空后依据检测成分喂入N-Mn线及S线；软吹时间控制在15分钟以上。

连铸采用结晶器电磁搅拌+末端检测搅拌控制连铸坯低倍组织、成分偏析，二冷采用弱冷方式；连铸出坯后入坑加盖缓冷，入坑温度≥450℃，缓冷时间按照铸坯大小进行选择。

控轧工艺中，控制开轧温度1080-1180℃，终轧温度850-950℃，轧制完成后空冷。

本发明的有益效果为：

本发明的一种汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢及生产方法，在保证连杆产品的强度、韧性外，着重针对屈强比进行合理的成分设计，除了基本元素的合理匹配外，通过添加Nb、V元素并合理设计其含量进一步提高钢的屈强比：因为对汽车零部件而言，屈强比越高材料利用率越大，越有利于汽车轻量化。本发明利用部分Nb在高温下析出第二相可以起到增加位错、细化晶粒、析出强化以此提高材料屈强比的效果，与其他微合金化元素如Ti相比析出强化效果更好，而且不会生成大尺寸的液相氮化钛，进一步保证了产品的疲劳强度；此外，V元素与剩余Nb元素在奥氏体向铁素体的相变过程及相变后析出，提高软相铁素体的强度，进一步提高产品的屈强比。除了组分配比外，还结合控轧控冷工艺，最终保障连杆材料力学性能满足涨断连杆的需求，其Rel≥850MPa，Rm≥1000MPa，Rel/Rm达到0.84以上，有利于汽车发动机轻量化。

附图说明

图1为实施例1生产得到连杆材料制成连杆毛坯后涨断断口图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步阐述，但本发明的保护范围并非限于下列实施例。下述实施例中未注明的具体条件，没有特别限制的为常规条件，本领域技术人员可根据实际情况灵活选择。所用材料(如增碳剂、渣料等)或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1：

一种汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢及生产方法，该钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.45％，Si 0.56％，Mn 1.23％，S 0.049％，V 0.15％，Nb0.029％，Cr 0.20％，Ni 0.13％，N 0.016％，余为Fe及杂质元素。

初炼终点C 0.20％，防止钢水过氧化，严禁下渣；出钢过程依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料；LF精炼进行成分微调，保持炉内还原气氛，炉渣碱度2.5，底吹氩气搅拌，均匀温度及成分，并促进钢中非金属夹杂物上浮去除，保证钢水纯净度；LF终点Mn含量1.08％，为真空后调整Mn、N含量留出合适余量。

真空处理过程，高真空(≤67Pa)时间12min，破空后依据检测成分喂入N-Mn线及S线；软吹时间20分钟。

连铸采用结晶器电磁搅拌+末端检测搅拌，二冷采用弱冷方式，比水量0.20L/kg；铸坯断面220mm*260mm，连铸出坯后入坑加盖缓冷，入坑温度510℃，缓冷时间38h。

开轧温度1130℃，终轧温度920℃，轧制完成后空冷。

图1为实施例1生产得到连杆材料制成连杆毛坯后涨断断口图，从断口图看出生产得到材料涨断断口的断面平整，无掉肉和毛刺。

实施例2：

一种汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢及生产方法，该钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.47％，Si 0.54％,Mn 1.25％,S 0.047％，V 0.14％,Nb0.030％，Cr 0.21％，Ni 0.15％，N 0.016％，余为Fe及杂质元素。

初炼终点C 0.21％，防止钢水过氧化，严禁下渣；出钢过程依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料；LF精炼进行成分微调，保持炉内还原气氛，炉渣碱度2.3，底吹氩气搅拌，均匀温度及成分，并促进钢中非金属夹杂物上浮去除，保证钢水纯净度；LF终点Mn含量1.08％，为真空后调整Mn、N含量留出合适余量。

真空处理过程，高真空(≤67Pa)时间13min，破空后依据检测成分喂入N-Mn线及S线；软吹时间25分钟。

连铸采用结晶器电磁搅拌+末端检测搅拌，二冷采用弱冷方式，比水量0.20L/kg；铸坯断面220mm*260mm，连铸出坯后入坑加盖缓冷，入坑温度530℃，缓冷时间40h。

开轧温度1120℃，终轧温度925℃，轧制完成后空冷。

为进一步说明本发明成分间的协同关系，特举对比例如下：

对比例1：

化学成分按重量百分比计为：C 0.35％，Si 0.50％,Mn 1.21％,S 0.045％，V0.15％,Nb 0.025％，Cr 0.21％，Ni 0.15％，N 0.016％，余为Fe及杂质元素。

炼钢工艺及轧钢工艺与实施例2相同。

对比例2：

化学成分按重量百分比计为：C 0.47％，Si 0.31％,Mn 0.91％，S 0.050％，V0.10％,Cr 0.18％，Ni 0.20％，N 0.015％，余为Fe及杂质元素。

炼钢工艺及轧钢工艺与对比例1相同。

对比例3：

化学成分按重量百分比计为：C 0.38％，Si 0.69％，Mn 1.48％,S 0.047％，V0.11％，Cr 0.21％，Ni 0.15％，N 0.016％，余为Fe及杂质元素。

炼钢工艺及轧钢工艺与对比例1相同。

表1实施例轧材力学性能(正火态)

以上皆为本发明优选的具体实施例而已，但本发明并不局限于上述具体实施例。本领域技术人员完全可以在不背离本发明技术思想的情况下，可以对前述实施例方案中的部分技术特征做出显而易见的改进、变更和修改，本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢的生产方法，其特征在于：

所述非调质钢的Rel≥850MPa，Rm≥1000MPa，屈强比达到0.84以上；

所述非调质钢的化学成分按重量百分比计为C 0.40-0.50%，Si 0.40-0.60%, Mn1.00-1.30%, S 0.040-0.060%，V 0.10-0.20%, Nb 0.020-0.035%，Cr 0.10-0.30%，Ni0.10-0.30%， N 0.010-0.020%，余量为Fe及杂质元素；

生产工艺包括下列步骤：电炉或转炉冶炼-LF精炼-VD或RH真空处理-连铸-缓冷-加热炉加热-控轧-冷却；

其中，控制开轧温度1080-1180℃，终轧温度850-950℃，轧制完成后空冷。

2.如权利要求1所述的汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢的生产方法，其特征在于，控制初炼终点C≥0.08%，防止钢水过氧化，严禁下渣；出钢过程依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料。

3.如权利要求1所述的汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢的生产方法，其特征在于， LF精炼时进行成分微调，保持炉内还原气氛，控制炉渣碱度2.0-3.0，底吹氩气搅拌；控制LF终点Mn含量< 1.00%。

4.如权利要求1所述的汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢的生产方法，其特征在于，真空处理过程，保证在高真空时间≥10min，破空后依据检测成分喂入N-Mn线及S线；软吹时间控制在15分钟以上。

5.如权利要求1所述的汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢的生产方法，其特征在于，连铸采用结晶器电磁搅拌+末端检测搅拌，二冷采用弱冷冷却方式；连铸出坯后入坑加盖缓冷。

6.如权利要求1所述的汽车发动机涨断连杆用高强度高屈强比非调质钢的生产方法，其特征在于，入坑温度≥450℃。