汽車發(fā)動機(jī)脹斷連桿用鋼的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明汽車發(fā)動機(jī)脹斷連桿用鋼，屬非調(diào)質(zhì)鋼領(lǐng)域，具體涉及適用于汽車發(fā)動機(jī) 脹斷連桿的含磷、硫高強(qiáng)度鋼。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)動機(jī)連桿脹斷加工技術(shù)是目前國際上連桿生產(chǎn)的最新技術(shù)，于二十世紀(jì)九十年 代在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家發(fā)展起來，并逐漸應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域。和傳統(tǒng)的連桿加工技術(shù) 相比，發(fā)動機(jī)連桿脹斷加工技術(shù)具有傳統(tǒng)連桿加工方法無可比擬的優(yōu)越性，其加工工序少、 節(jié)約精加工設(shè)備、節(jié)材節(jié)能、生產(chǎn)成本低。
[0003] 隨著連桿脹斷工藝技術(shù)的成熟及應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)制造，適應(yīng)脹斷工藝的汽車連 桿材料逐漸成為脹斷工藝應(yīng)用推廣的主要矛盾。脹斷連桿材料不僅影響連桿產(chǎn)品的使用性 能和切削性，而且決定可開裂性和斷面質(zhì)量，對脹斷工藝起關(guān)鍵作用。因此，脹斷連桿材料 一般要求具有較高的強(qiáng)度、較小的塑性變形、合適的脆性和良好的切削加工性能。目前用于 連桿脹斷加工的材料主要有C70S6鍛鋼、SPLITASC0系列鍛鋼、FRACHM鍛鋼和S53CV-FS鍛 鋼等。C70S6鍛鋼是20世紀(jì)70年代德國開發(fā)的脹斷連桿材料，當(dāng)時有19種發(fā)動機(jī)連桿采 用，到目前為止有60多種不同的發(fā)動機(jī)采用。C70S6鍛鋼是一種高碳、低錳鋼，具有優(yōu)良的 裂解性能，但經(jīng)大量的生產(chǎn)實(shí)際發(fā)現(xiàn)，C70S6的可加工性能較差，刀具磨損較快。法國開發(fā) 的SPLITASC0 系列鍛鋼主要包括SPLITASC070,SPLITASC050 和SPLITASC038。SPLITASC070 具有和C70S6相似的化學(xué)成分，但添加了更多的Si元素，進(jìn)一步提高了材料的可加工性， 目前，SPLITASC070可以應(yīng)用在所有C70S6所應(yīng)用的場合；SPLITASC050的硫元素大于 0. 150%，磷元素大于0. 070%，該材料的可加工性能更好，已用于一系列小型發(fā)動機(jī)連桿的 生產(chǎn)上；SPLITASC038有和傳統(tǒng)的連桿材料38MnS5基本相同的化學(xué)成分，具有良好的抗疲 勞性能，從而廣泛用于輕型車和貨車發(fā)動機(jī)的連桿鍛件。由CES和Bromsgrove聯(lián)合研制開 發(fā)的FRACI1M鍛鋼其顯微組織幾乎為全部的珠光體結(jié)構(gòu)。與C70S6相比，F(xiàn)RACI1M鍛鋼中提 高了Mn和S的含量，相應(yīng)的減少了C的含量，這樣顯著提高了FRACTIM的可加工性。日本在 傳統(tǒng)的裂解連桿鍛鋼JISS50CVS1的基礎(chǔ)上，通過提高鋼中Si、V含量來代替部分Mn含量， 開發(fā)出了具有良好的抗疲勞性能的S53CV-FS鍛鋼，在循環(huán)次數(shù)達(dá)到了 107次時，C70S6的疲 勞極限是350MPa，而S53CV-FS的疲勞極限是420MPa，比C70S6的疲勞極限提高了 20 %，但 其材料裂解變形較嚴(yán)重，影響了裝配精度。德國發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和零部件的專家MahleGmbH公 司開發(fā)了采用脹斷工藝的新型連桿材料36MnVS4BY和70MnVS4BY，其疲勞性能和加工性能 均由于C70S6鋼，但在脹斷過程中連桿大頭變形量較大，加工余量大。
[0004] 專利"一種脹斷連桿用中碳非調(diào)質(zhì)鋼"(CN101892424A)報(bào)道了一種制作抗拉強(qiáng)度 900MPa級以上的脹斷連桿用中碳非調(diào)質(zhì)鋼，其金相組織為：鐵素體+珠光體。與現(xiàn)有技術(shù) 相比，該鋼不僅塑性低，而且脹斷性能和疲勞性能優(yōu)良，經(jīng)過鍛造和加工后，可用來制作脹 斷連桿，具有良好的經(jīng)濟(jì)性；但該鋼中含有一定的Ti元素，易在鋼中形成菱形的TiN相，影 響連桿的疲勞強(qiáng)度，另外，鋼中高的A1含量不利于澆鑄。
[0005] 文獻(xiàn)"汽車裂解連桿用鋼的開發(fā)"（汽車工藝與材料，2004)介紹了一種用于汽 車連桿脹斷工藝的微合金鋼，其化學(xué)成分包括（重量％ ) :C0.70%，Si0.22%，Mn0.50%， P0. 010%，SO. 063%。其特點(diǎn)是脹斷性能優(yōu)良，但強(qiáng)度小于lOOOMPa，且切削性能不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種汽車發(fā)動機(jī)脹斷連桿用鋼，通過控制脹斷用鋼的碳、硅、 錳、磷、硫、釩、氮元素的含量，使該鋼具有高強(qiáng)度、低塑性、合適脆性和優(yōu)越的切削加工性 能，從而滿足汽車發(fā)動機(jī)連桿的疲勞、脹斷及切削加工方面的綜合性能要求。
[0007] 本發(fā)明技術(shù)方案：
[0008] 本發(fā)明汽車發(fā)動機(jī)脹斷連桿用鋼，包括：C、Si、Mn、P、S、Cr、V、N、Fe化學(xué)元素， 其化學(xué)元素的質(zhì)量百分比為：C:0. 40~0. 50%、Si:0. 60~0. 80%、Mn:1. 10~1. 30%、 P:0. 030 ~0. 050%、S:0. 025 ~0. 045%、Cr:0. 10 ~0. 20%、V:0. 15 ~0. 25%、N: 0.0150~0. 0250%，其余量為鐵和不可避免的夾雜；該連桿用鋼的相關(guān)力學(xué)性能數(shù)據(jù)為： Rel彡800MPa，Rm彡llOOMPa，A彡10%，Z彡20%，滿足汽車發(fā)動機(jī)連桿疲勞、脹斷及切削 加工的綜合性能需求。
[0009] -種根據(jù)上述技術(shù)方案的汽車發(fā)動機(jī)脹斷連桿用鋼，其質(zhì)量百分比的化學(xué)成份 為：C:0? 46、Si:0? 65、Mn:1. 20、Cr:0? 15、P:0? 045、S:0? 040、V:0? 20、N:0? 0200,余量為Fe 和不可避免的夾雜；其圓鋼棒材的力學(xué)性能為：Rel彡800MPa，Rm彡llOOMPa，A彡10%， Z彡 20%〇
[0010] 一種根據(jù)上述技術(shù)方案的汽車發(fā)動機(jī)脹斷連桿用鋼，其質(zhì)量百分比的化學(xué)成份 為：C:0? 42、Si:0? 62、Mn:1. 15、Cr:0? 12、P:0? 035、S:0? 030、V:0? 17、N:0? 0160、其余量為 Fe和不可避免的夾雜；其圓鋼棒材的力學(xué)性能為：Rel彡800MPa，Rm彡1100MPa，A彡10%， Z彡 20%〇
[0011] -種根據(jù)上述技術(shù)方案的汽車發(fā)動機(jī)脹斷連桿用鋼，其質(zhì)量百分比的化學(xué)成份 為：C:0? 40、Si:0? 70、Mn:1. 25、Cr:0? 18、P:0? 030、S:0? 035、V:0? 25、N:0? 0250、其余量為 Fe和不可避免的夾雜；其圓鋼棒材的力學(xué)性能為：Rel彡800MPa，Rm彡1100MPa，A彡10%， Z彡 20%〇
[0012] 一種根據(jù)上述技術(shù)方案的汽車發(fā)動機(jī)脹斷連桿用鋼，其質(zhì)量百分比的化學(xué)成份 為：C:0? 44、Si:0? 75、Mn:1. 30、Cr:0? 20、P:0? 033、S:0? 025、V:0? 22、N:0? 0220、其余量為 Fe和不可避免的夾雜；其圓鋼棒材的力學(xué)性能為：Rel彡800MPa，Rm彡1100MPa，A彡10%， Z彡 20%〇
[0013] 一種根據(jù)上述技術(shù)方案的汽車發(fā)動機(jī)脹斷連桿用鋼，其質(zhì)量百分比的化學(xué)成份 為：C:0? 50、Si:0? 60、Mn:1. 10、Cr:0? 10、P:0? 032、S:0? 045、V:0? 15、N:0? 0150,其余量為 Fe和不可避免的夾雜；其圓鋼棒材的力學(xué)性能為：Rel彡800MPa，Rm彡1100MPa，A彡10%， Z彡 20%〇
[0014] 一種根據(jù)上述技術(shù)方案的汽車發(fā)動機(jī)脹斷連桿用鋼，其質(zhì)量百分比的化學(xué)成份 為：C:0? 48、Si:0? 80、Mn:1. 22、Cr:0? 16、P:0? 050、S:0? 042、V:0? 18、N:0? 0190、其余量為 Fe和不可避免的夾雜；其圓鋼棒材的力學(xué)性能為：Rel彡800MPa，Rm彡1100MPa，A彡10%， Z彡 20%〇
[0015] 本發(fā)明從設(shè)計(jì)脹斷連桿用鋼的化學(xué)成分入手，使鋼的珠光體組織比例達(dá)到 70-80 %，其20-30 %鐵素體在鋼中呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布，通過添加V、N元素，使鋼中生成大量析 出相，提高鋼的強(qiáng)度，同時，向鋼中添加適量的P、S元素，在提高切削加工性能的同時，適當(dāng) 提高鋼的脆性，有利于脹斷加工，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)脹斷連桿用鋼在疲勞性能、脹斷性能 和切削加工性能方面存在的綜合性能不佳的缺陷，滿足了汽車發(fā)動機(jī)連桿疲勞、脹斷及切 削加工綜合性能需求。
[0016]本發(fā)明技術(shù)方案的化學(xué)成分設(shè)計(jì)如下：
[0017]C:非調(diào)質(zhì)鋼中的碳含量是影響最終組織的主要因素，過低的碳，鋼中的珠光體組 織比例較少，鐵素體組織比例較多，不利于在鋼材中形成斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，影響脹斷性能； 同時，過低的碳也不利于提高鋼的強(qiáng)度；但鋼中過高的碳含量會惡化鋼的切削加工性能，因 此，碳含量設(shè)計(jì)為〇. 40-0. 50 %，可以保證珠光體組織比例為70-80 %。
[0018]Si:Si在鋼中不形成碳化物，能固溶于鐵素體中顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度。因此， 設(shè)計(jì)的鋼中Si含量為0. 60-0. 80%。
[0019]Mn:Mn在鋼中主要以固溶的形式存在，具有$父強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，能有效地提尚 鋼的強(qiáng)度。但含量低于〇. 80%時，其強(qiáng)化效果不明顯；增加鋼中Mn含量，將降低鋼的共析 成分碳的含量，導(dǎo)致珠光體量的增多，提高鋼的強(qiáng)度；但當(dāng)鋼中Mn含量超過1. 5%時，有促 進(jìn)鋼貝氏體化的作用。因此，設(shè)計(jì)的鋼中Mn含量為1. 10-1. 30%。
[0020] p:p是非碳化物形成元素，它在鋼中的存在形式主要是溶入鐵素體。在配位數(shù) 都是12時，它的原子半徑為0. 13nm，比鐵原子大0. 003nm，因此當(dāng)它溶于鐵素體時能夠取 代鐵原子形成置換固溶體。在諸多置換固溶體形成元素中，磷的固溶強(qiáng)化能力最大，提 高鋼的強(qiáng)度；同時，P能降低鋼的塑性和韌性，提高鋼的脆性。因此，設(shè)計(jì)鋼中P含量為 0. 030-0. 050%。
[0021] S:在鋼中添加S元素，使鋼中形成MnS夾雜物，在切削加工時，使切削容易斷開，改 善工件光潔度；同時，鐵素體除在原奧氏體晶界析出外，也以MnS為核心析出，由于增加了 鐵素體形成的核心而增加了鐵素體的塊數(shù)，從而細(xì)化了鐵素體-珠光體組織，因此設(shè)計(jì)的S 含量為 〇? 025-0. 045%。
[00