激光相变刻痕后可裂解高强度中碳非调质钢的开发



激光相变刻痕后可裂解高强度中碳非调质钢的开发

刊名：Materials Science and Technology（英）

刊期：2013年第5期

作者：D.Zhang et al

编译：张英才

裂解是于1980年开始采用的一项新工艺，可以在诸如连杆、凸轮轴盖等内燃机零件的制造中采用。这项工艺的导入大大降低了制造成本并避免了两个零件之间的高强度连接。对裂解零件的最基本要求是断裂面的塑性变形极小，两个表面能完美地贴合。最初裂解连杆使用的材料是高碳钢C70S6，这种钢在通过拉削形成缺口之后可以裂解。但工具磨损会引起缺口的锐度降低，导致在裂解表面产生塑性变形和其它缺陷。为此，开发了一种非接触方法，即用激光在连杆表面形成一条狭窄的沟槽，产生应力集中。早期的激光切槽工艺与机床切槽类似，即在激光熔化与空气吹射的联合作用下形成一条物理沟槽，但这项工艺的缺点是会形成细小的熔珠颗粒。开发了一种新的引发裂解的激光刻痕方法，这种被称之为激光相变刻痕（LTN）的工艺不必去掉金属，利用高功率聚焦激光束扫过表面，在熔化和冷凝的联合作用形成脆性马氏体区。

随着汽车发动机功率的提高，使连杆的负荷增大，但又要限制连杆的质量增大，因此需要用更高强度钢种取代C70S6，新钢种还必须满足裂解工艺的要求。考虑采用添加微合金元素钒（0.09%～0.15%）的中碳非调质钢，试验用钢的化学成分见表1。研究的目的是借助夏比冲击试验考察LTN深度对这种含有适量S、P且低Si含量的非调质钢断裂的影响。

研究结果表明，①可以用高能密度激光产生LTN，并引发锻造中碳低硅非调质钢中的脆性裂纹扩展，这种钢的屈服强度为600MPa，拉伸强度为900MPa；②对于表1中所列3种不同化学成分的钢材都已确定LTN深度与夏比冲击值之间的关系，刻痕深度对力-位移曲线、夏比冲击能和断裂表面有很大影响，在LTN较浅时导致断裂表面出现窄的塑性断裂带，而在LTN较深时则不存在塑性断裂带；③含有较高S、P含量的钢在刻痕深度大于0.4mm时具有最低的夏比冲击能2.9J，而S含量较高的钢则为5.5J，正常S、P含量的基础钢为11.2J；④原始锻钢中的MnS夹杂物在LTN熔化区重新分布到再凝固的晶粒边界，P的分布虽尚未确定，但可推测在凝固期间会分割枝晶和柱状晶粒边界；⑤含有足够量S、P的试验钢种适于裂解和更高负荷领域的应用。

表1　试验用钢的化学成分　%