46MnVS5材料连杆应用研究

万文华 邓向阳

（中天钢铁集团有限公司，常州 213011）

1 前言

传统的发动机连杆材料为40Cr、42CrMo 等合金结构钢，使用前需要经过淬火+回火的热处理工序，热处理过程能耗高、环境污染严重；此外，该类钢加工工艺复杂，尺寸精度差[1-2]。为了降低能耗，提高生产效率，从而降低生产成本，无需热处理工序的非调质钢材料得到了广泛运用。与调质钢材料相比，非调质钢材料加工连杆省去了热处理工序并采用胀断技术，绿色环保、低成本，且尺寸精度高。

当前应用较为广泛的胀断连杆用非调质钢为C70S6 高碳类钢，近来为了满足高强度、高爆发力的大功率发动机连杆要求，更高强度、更高疲劳性能等级的非调质钢材料也得到了快速发展，如46MnVS5 等。46MnVS5 材料虽然综合性能优于C70S6，但是生产制造难度加大，主要是随着其合金含量的增多（如V、Mn 等）奥氏体稳定性增加，在随后的轧制与锻造过程易出现异常组织，最终会影响连杆的胀断及使用性能，因此迫切需要解决这一难点问题。

2 用户对性能指标的相关要求

为满足汽车不断轻量化的需求，对发动机连杆等运动件的强度、塑性等性能指标提出了越来越高的要求，46MnVS5 胀断连杆用非调质钢材料的具体要求见表1。

表1 材料相关性能指标要求

3 胀断连杆用高强度非调质钢46MnVS5应用研究

3.1 成分设计

为满足胀断连杆材料高强度的要求，将46Mn⁃VS5 的化学元素成分进行研究，Mn 和Si 质量分数控制在中上限，起到固溶强化的作用；C 质量分数也控制在中上限以提高材料的强度与脆断性能；添加一定质量分数的V、Nb、N 元素，使得V、Nb 与C、N 结合的化合物具有沉淀强化的作用，并能明显细化材料的晶粒度[3]。具体化学成分见表2。

表2 46MnVS5钢化学成分要求（质量分数）%

3.2 冷却曲线的测定

为制定合理的轧制、锻造及冷却等工艺参数，对46MnVS5 的连续冷却转变（Continuous Cooling Transformation，CCT）曲线进行测定，采用的仪器为DIL805L 热膨胀仪，加热方式为真空高频感应加热，将试样以5 ℃/s 加热到900 ℃，保温10 min 后分别以0.3 ℃/s、0.5 ℃/s、0.7 ℃/s、1.0 ℃/s、2.0 ℃/s、3.5℃/s、5.0 ℃/s、10.0 ℃/s、20.0 ℃/s、40.0 ℃/s、60.0 ℃/s 的速率降温至室温，得到45MnVS5 钢的热膨胀数据。根据热膨胀原始数据中长度变化转折处的温度，将不同冷却速度下的相变温度连接起来得到46MnVS5 钢的静态CCT 曲线如图1 所示。

图1 46MnVS5连续冷却曲线

图2 不同冷却速率下金相组织

结合图2 所示的腐蚀金相，从46MnVS5 钢的静态CCT 曲线来看，可以得到以下结论。

a.在冷却速度0.3～60 ℃/s 的温度范围，钢依次发生了铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的组织转变。

b.冷却速度小于0.5 ℃/s 时，试样的室温组织为铁素体和珠光体。钢从高温状态冷却时，先共析铁素体优先沿奥氏体晶界析出，同时碳向周围扩散，冷却速度越高，碳扩散速度越慢，铁素体珠光体分布状态也更加均匀。

c.当冷却速度为1.0～3.5 ℃/s 时，发生了珠光体和贝氏体转变，此时组织为铁素体、珠光体和贝氏体。随着冷却速度的增加，贝氏体含量逐渐增加，铁素体和珠光体减少。

d.当冷却速度为5.0 ℃/s 时，珠光体转变消失，此时组织为铁素体、贝氏体和马氏体。

e.冷却速度继续增加时，马氏体和贝氏体含量继续增加，同时组织更加细化。CCT 曲线显示结果可知，46MnVS5 钢的连续冷却经过了4 个相变区，即高温铁素体、珠光体转变区，中温贝氏体转变区和低温马氏体转变区。

因此为防止冷却过程出现贝氏体、马氏体等异常组织，并抑制先共析铁素体析出，得到细片状的珠光体[4-5]，采用0.3～0.5 ℃/s的冷却速率比较合理。

4 胀断连杆用非调质钢及其锻件生产工艺研究

4.1 生产工艺流程

120 t 转炉冶炼→LF 炉精炼→RH 真空炉处理→大断面连铸机浇注→初轧机组开坯→连轧机组轧制→轧材探伤精整→连杆毛坯锻造。

4.2 冶炼过程成分的精确控制

为保证46MnVS5 具有均匀的成分和稳定的力学性能，需进行化学成分的精确控制，要求成分尽量按照目标值控制。具体措施为稳定控制装入转炉的铁水和废钢质量，对钢包进行称重，从而对出钢量进行准确计算。LF 炉精炼前期加强造渣与脱氧，降低钢水氧含量，从而提高Mn、Si 等易氧化元素的收得率；RH 真空处理过程采用氮气作为提升气体，以防止RH 过程氮元素出现比较大的损失。

4.3 轧制工艺的试验

该非调质钢采用二火轧制，采用大断面的连铸坯，最终轧制圆钢尺寸为Φ35～Φ42 mm，从而提高轧制压缩比，提高材料致密性。工艺包括加热炉加热、开坯轧制、中间坯精整、中间坯加热、二火轧制、冷却、无损探伤，轧制步骤如下。

a.加热炉加热。大断面连铸坯开坯加热采用高温扩散加热工艺，提高加热温度并显著延长加热时间尤其是高温段加热时间，以便对C、P、S、Mn等易偏析元素进行充分均匀化扩散，从而保证材料性能的一致性。

b.开坯轧制。提高开轧温度及终轧温度，控制锯切温度，得到160 mm×160 mm 断面轧坯，轧后对轧坯进行避风堆冷。

c.轧坯精整。为控制轧材最终的脱碳层深度并提高材料的表面质量，对轧坯表面进行剥皮，并进行倒角处理。

d.第二火加热。160 mm×160 mm 断面轧坯采用低温加热工艺，在目前工艺基础上适当降低加热温度并缩短二火加热时间，在该条件下才能达到控制圆钢表面脱碳层深度的作用。

e.第二火轧制。采用控轧控冷工艺降低开轧温度及终轧温度；轧后采用穿水冷却，降低圆钢上冷床温度，通过控轧控冷工艺的有效实施提高了轧材表面质量并得到细晶粒组织。轧材下线后进行避风堆冷，以防止出现异常组织。

4.4 连杆锻造工艺的试验

a.下料后圆钢采用感应加热方式，加热温度1 200～1 230 ℃，此温度既能保证V、Nb 等强化元素能够充分固溶析出，起到沉淀强化的作用，从而提高材料的强度，又可以防止加热温度过高造成晶粒粗大，影响材料的使用性能[6-7]；

b.加热后进行锻造，控制终锻温度900～950 ℃，锻造成连杆毛坯；

c.控制冷却，锻造结束后在风冷线上进行冷却，通过调节风冷却速度度0.3～0.5 ℃/S，控制下风冷线温度580～620 ℃，然后将毛坯放入料框中进行避风堆冷，通过合适的冷却得到优良的细片状珠光体加铁素体组织，防止出现贝氏体及马氏体非平衡状态的异常组织，实际控制铁素体比例≤20%。

5 试验结果和分析

通过对成分的精确控制、轧钢及锻造工艺参数的合理优化后，46MnVS5 的检测结果如下。

5.1 原材料力学等性能检测

热轧圆钢经过1 100 ℃正火后，保温45 min，再空冷，然后检测其力学性能如下表3 所示。

表3 46MnVS5非调质钢力学性能检测结果

5.2 原材料疲劳寿命检测

连杆材料46MnVS5 钢的疲劳试验在液压伺服疲劳试验机上进行，采用拉压对称加载，并将成组法疲劳测试的试验数据以logN（N为循环周次）为x轴，试验应力为y轴绘制于图3 中，根据数据点近似拟合出46MnVS5 钢拉压交变载荷下的S-N曲线。用升降法求疲劳极限，试验结果，46MnVS5 钢材试样的疲劳极限为530 MPa，满足设计要求。

图3 46MnVS5非调质钢S-N曲线

5.3 连杆锻件金相组织检测

连杆锻件不同部位的金相组织如图4 所示。

5.4 连杆产品的疲劳性能试验

本次连杆疲劳强度试验按某1.4 t 连杆总成在MTS370液压伺服疲劳试验机上进行。平均负荷（静负荷）为-11.3 kN，交变负荷采用4 个级别，36 kN、46 kN、56 kN、61 kN，循环基数1 000万次，正弦波加载，见图5。

采用对比法评价连杆产品的安全系数。用户要求在-11.3±36 kN 负荷下通过1 000 万次循环即满足安全系数要求。试验结果，46MnVS5 材料连杆，在-11.3±36 kN 的负荷下，3 件试样通过了1 000万次循环，满足用户要求。

从上述检测结果可以看出非调质钢的强韧性指标良好，锻造后的连杆组织均匀，且无贝氏体马氏体等异常组织出现，疲劳强度较高。轧材低倍、表面质量、尺寸公差、探伤合格率等指标均好于技术条件要求。

图4 锻造后连杆组织

图5 正弦波加载示意

6 结论

a.通过对Mn、Si 等固溶强化元素的合理设计，添加V、Nb、N 等微量元素利用其沉淀强化作用来提高材料的强韧性，同时在冶炼过程对元素成分进行精准控制，来提高材料性能的稳定性。

b.采用二火材轧制工艺，并通过轧钢过程的高温扩散加热工艺，来减轻C、P、S 元素偏析，达到均匀组织从而均匀性能的目的。

c.通过CCT 连续冷却曲线的测定，为制定轧制、锻造后的冷却工艺提供了依据，通过采用合理的冷却速度，既避免了贝氏体、马氏体非平衡组织的出现，又抑制了先共析铁素体的析出，得到细片状的珠光体组织，从而提高了材料的强韧性。

d.连杆产品的疲劳性能试验结果表明，46MnVS5 非调质钢连杆的疲劳寿命满足产品要求。