微合金非调质钢在连杆锻造中的应用

文／钟勇，胡红卫，李新平·南昌齿轮锻造厂

微合金非调质钢在连杆锻造中的应用

文／钟勇，胡红卫，李新平·南昌齿轮锻造厂

钟勇，质管部技术工程师，主要从事原材料检测、故障检测、失效分析、热处理工艺制定及非调质钢控冷设备的设计与工艺制定等工作。

目前我厂连杆、控制臂、曲轴等汽车零部件使用的原材料都是微合金非调质钢，非调质钢，顾名思义就是不需要调质处理却可以达到调质作用的钢，故非调质钢又称为热处理省略钢。非调质钢之所以能达到调质钢的作用，是因为在中低碳钢中加入了强碳化物形成元素，如V、Nb、Ti等元素，利用锻造过程中的高温形变及随后的冷却，控制微合金化合物的析出及产生晶粒细化作用，从而使钢强化。非调质钢是伴随国际上能源短缺而发展起来的一种高效节能钢，与调质钢相比具有简化生产工艺流程、提高材料利用率、降低能耗和制造成本(25%～28%)的优点。非调质钢在汽车行业的应用已日趋广泛，据不完全统计，目前我国非调质钢的年用量在10～15万吨，其中汽车行业的年用量就达5～8万吨。非调质钢已先后经历了铁素体—珠光体型、贝氏体型、马氏体型等3个阶段的发展，目前工业上广泛应用的是铁素体—珠光体型非调质钢。铁素体—珠光体型非调质钢现广泛应用在我厂连杆、控制臂、曲轴等汽车零部件的生产中。现我厂已经基本掌握了铁素体—珠光体型非调质钢的锻造成形工艺，能较好地生产锻件成品，而且对其锻后控冷制度的制定也有较丰富的实践经验，可达到国内外汽车厂家技术规定的组织和性能要求。本文就我厂近年来非调质钢在连杆锻造中的生产经验和技术成果以及生产中产生的一些技术问题做个探讨，为国内非调质钢在连杆锻造中的广泛应用提供参考数据。

连杆用非调质钢

连杆是发动机的重要零件，它的作用是连接活塞和曲轴，使活塞的往复运动变换成曲轴的旋转运动，受到拉伸、压缩和弯曲应力及交互疲劳载荷的作用，由于其工作环境较为苛刻，故对其强度和韧性具有较高的要求。在我国，应用非调质钢最成功的零件是汽车发动机连杆，其使用的非调质钢数量最多，约占全国非调质钢生产总量的一半。例如，上海大众汽车连杆使用的非调质钢是30Mn2VS；江铃汽车连杆使用的非调质钢是35MnVS；天津大发TJ370Q、TJ376Q发动机连杆使用的非调质钢是进口的S43CVS1；广州标致汽车连杆使用的非调质钢是从法国进口的45M5UA2。

我厂为江铃汽车提供非调质钢连杆锻件成品，使用的非调质钢是35MnVS。我厂35MnVS非调质钢连杆锻件的生产技术成熟，经验丰富，锻件质量稳定，性能优良，得到了客户的好评。

非调质钢连杆及连杆盖的锻造工艺流程

如图1所示是我厂生产的35MnVS非调质钢连杆及连杆盖。

图1 我厂生产的35MnVS非调质钢连杆及连杆盖

连杆的锻造工艺流程具体为：

下料→中频加热→辊锻→制坯→预锻→终锻→切边→风冷→抛丸。

连杆盖的锻造工艺流程具体为：

下料→中频加热→预锻→终锻→切边→风冷→抛丸。

锻造过程中的影响因素分析

钢材化学成分的影响

我厂连杆用非调质钢35MnVS的化学成分见表1，此批连杆用35MnVS钢有炉号97CC5385和炉号97CC5386两种。

从表1可以看出，此两种炉号的原材料均符合我厂对原材料的技术要求。但是锻件在锻打并用风机风冷后，我们检测其金相组织时发现：在所处的外界环境都相同的情况下，炉号97CC5385钢锻造的连杆只能在不超过500r/min的风速下进行风冷，风速大于500r/min时，金相组织出现大量异常，锻件的硬度也偏低；而炉号97CC5386钢锻造的连杆则可以用800r/min的风速进行风冷，金相组织、锻件的硬度也都符合要求。究其原因，可能和钢铁原材料微合金元素的控制有关。从表1中可以看出，炉号97CC5385钢比炉号97CC5386钢的V含量低，在锻后冷却过程中，V的碳化物弥散析出，一方面可以阻碍奥氏体的再结晶过程，细化晶粒；另一方面也可增加材料基体强度。炉号97CC5385钢在这两方面的作用较弱，晶粒相对粗大，冷速较快时，易产生魏氏组织，同时，碳化钒弥散析出物较少，硬度相对较低。此外，也可能受其他未能检测到的微量元素Cr、Mo、Ni等的影响。故我厂跟钢铁生产厂家进行沟通，希望他们严格控制钢材的微合金元素含量。由于微合金非调质钢含有很多种微合金元素，部分检测不到，故需要钢厂在炼钢过程中严格控制每个流程，尽量减少不同炉号的成分误差，使其成分含量相同。

如图2所示是我厂非调质钢35MnVS连杆锻后控冷线。

图2 非调质钢35MnVS连杆锻后控冷线

表1 35MnVS钢的化学成分

加热温度的影响

提高锻造加热温度，即提高奥氏体化温度，可使V、Ti的固溶量增大，V、Ti的碳氮化物逐渐溶入奥氏体中，大量溶解的微合金碳氮化物在冷却过程中弥散析出，可提高钢的强度和硬度；但另一方面，温度升高，奥氏体晶粒长大，组织粗化，韧性下降。

连杆下料直径为φ50mm，连杆盖为φ38mm，有效厚度比较小，内外容易达到锻造温度并且均匀，此外由于锻件比较小，金属容易充满模具型腔，故加热温度不需要太高，设置加热温度不超过1200℃。如果超过此温度，奥氏体晶粒迅速长大，会导致风冷后晶粒度不合格，强度和硬度降低，韧性下降。

形变的影响

连杆盖在初期试制的过程中，其锻造工艺中包括辊锻这道工序，但是最终的锻件金相组织不合格，后来删掉该工序，直接进行预锻工序，却发现锻件最终金相组织符合要求。这可能是由于锻造工序较多时，每个锻造工序的形变量相对较小所导致的。特别是辊锻时中间停留时间较长，而且在高温下锻造时，形变量太小，晶粒畸变能小的材料容易发生再结晶，奥氏体晶粒容易粗化，完全恢复了初始的等轴晶粒状态。在随后的锻造过程中，变形量可能没有达到合理的技术要求范围，导致形变奥氏体晶粒粗大，先共析铁素体呈网状析出，组织分布不均匀。

冷却速度的影响

在非调质钢的锻后风冷过程中，风冷速度对于组织的转变有决定性的影响作用，在一定程度上，冷却速度的控制是对钢铁材料最终组织性能影响最大、最明显的一个环节，其决定了铁素体和珠光体的分配情况、形态，铁素体晶粒度的大小，珠光体的片层间距等。如图3所示是通过相变仪测定得出的35MnVS钢的连续冷却转变曲线。

由图3可以看到，不同的冷却速度，得到的组织是不同的。冷却速度不超过3℃/s时，组织为铁素体＋珠光体；冷却速度在7～17℃/s范围内时，组织为铁素体＋珠光体＋贝氏体＋马氏体；冷却速度大于23℃/s时，全部生成马氏体。

图3 35MnVS钢不同冷却速度的组织转变图

我厂某35MnVS连杆锻件风冷后的金相组织如图4所示。

图4 35MnVS连杆锻件风冷后的金相组织

由图4可以看出，35MnVS连杆锻件风冷后产生了大量的贝氏体组织，这是由于风量开得太大、吹风时间过长而导致冷却速度过快造成的。

生产实践中也发现，当冷却速度过慢，低于40℃/min时，锻件的硬度往往达不到要求。由于这时属于缓慢冷却，相变过冷度较小，所以就会使得先共析铁素体形核率减小，先共析铁素体在晶界处析出充分，且先共析铁素体晶粒尺寸大，铁素体含量也较高，珠光体含量相对减少。此外，由于冷却速度小，高温停留时间长，故V的碳化物容易聚集长大，起不到弥散强化的作用，这都将会导致锻件的硬度降低。

图5 35MnVS连杆在较合理的冷却速度下的金相组织

如图5所示是35MnVS连杆在80～180℃/min冷却速度范围内的金相组织，由图5可以看出，将冷却速度控制在80～180℃/min，会获得比较理想的珠光体＋铁素体组织。由于此冷却速度较大，故先共析铁素体晶粒变得细小，且铁素体含量也会下降，珠光体含量会增加，但珠光体团直径变化不大。同时，由于过冷度较大，故V的碳化物形核率也较高，容易较均匀地弥散析出，可以起到弥散强化的作用。因此锻件硬度较高，可以达到技术要求规定的标准。

结束语

除连杆及连杆盖外，我厂的控制臂、曲轴等汽车零部件也采用非调质钢生产。在最初的生产过程中，出现了许多技术问题，如产生异常组织、晶粒粗大、强度和硬度偏高、韧性低、硬度不均匀等。针对这些出现的问题，我们不断摸索和开发新工艺，例如锻造加热温度、保温时间的合理控制，控冷线的结构设计及冷速、保温合理化等。通过对生产线工艺流程的严格控制和反复试验，得出了我厂连杆及连杆盖、控制臂、曲轴等非调质钢汽车零部件，以及符合我厂具体环境条件情况的工艺参数和生产规律。现在这些零部件的锻造工艺及控冷的实施效果等都比较良好，基本上能满足生产的要求。