C70S6非调质钢胀断连杆的制造工艺及其实物质量

邓向阳, 谢 有, 李仕超

(中天钢铁集团有限公司, 常州 213011)

连杆是汽车发动机五大核心零部件之一，其长期工作于高温环境，且加工制造过程复杂，因此对连杆材料的强韧性和切削性能提出了非常高的要求。传统的汽车发动机连杆使用的是经过调质后的40Cr,42CrMo等合金结构钢制造，目前汽车发动机连杆多采用易切削非调质钢制造。非调质钢是在钢中加入钒、钛、铌等微合金化元素，而这些元素在轧制、锻造加热后的冷却过程中，将以细小的碳化物和氮化物形式在先析出的铁素体和珠光体中析出[1]，起到沉淀强化的作用。使用非调质钢制造的连杆可以避免因调质热处理带来的连杆变形及淬火开裂问题，提高产品的质量合格率，最关键的是可以免去高能耗、高污染的热处理工序，提高生产效率[2]，有利于节能减排和绿色环保。此外，使用非调质钢后，可以用胀断技术代替传统调质钢连杆的平切技术，从而提高连杆的装配精度，延长连杆的使用寿命，汽车胀断连杆用非调质钢主要分为中碳MnVS和高碳MnVS系列，按连杆强度等级区分有：750 MPa～850 MPa系列(35MnVS，38MnVS，40MnVS等)；850 MPa～1 000 MPa系列(C70S6，70MnVS)；不小于1 050 MPa(36MnVS4，46MnVS5)。最新统计数据显示：目前国内非调质钢胀断连杆占连杆总量的70%以上，且这一数据还在逐年递增，而C70S6非调质钢的使用量又占到连杆非调质钢用量的70%，是目前汽车发动机连杆制造的主导钢铁材料[3]。

笔者对C70S6非调质钢的过冷奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线进行了合理测定，并采用力学性能测试、金相检验、疲劳性能测试等方法对C70S6非调质钢胀断连杆的品质进行了分析。

1 C70S6非调质钢连杆材料的力学性能

要使发动机连杆在高温环境下高速、长时间、稳定地运转，对连杆材料的力学性能有很高的要求[4]，C70S6非调质钢的力学性能如表1所示。

表1 C70S6非调质钢的力学性能

2 静态CCT曲线测定试验

物体因温度增加而发生的体积膨胀现象叫“热膨胀”，物体膨胀大小用线(体)膨胀系数表示，线(体)膨胀系数是温度升高1 K时物体的长度(体积)的相对增加量。热膨胀法是通过测量金属材料热循环过程中线性应变与时间和温度的关系，来研究钢铁材料固态相变的一种实用的分析方法。由于钢的高温组织和其转变产物具有不同的比热容，所以钢在加热或冷却时，除了热膨胀、冷收缩引起的体积变化之外，还有因相变引起的体积变化，导致正常膨胀曲线上出现转折点。根据转折点可以得出钢中各相之间相互转化的温度和所需时间。

笔者以C70S6圆钢为试验材料，用膨胀法测定其CCT曲线，由此直观描述在一定冷却速率下的临界转变点，以及在不同冷却速率下所经历的各种转变和相应的组织。

2.1 试验方案

采用GLEEBLE 3800型热模拟试验机开展CCT曲线测定试验，在试验前，需知道C70S6材料的奥氏体化温度，因此用DIL805L型热膨胀仪准确测定材料的相变点，该仪器使用真空高频感应加热，温度控制为室温至1 200 ℃。最大加热速率为100 ℃/s，最大冷却速率为10 000 ℃/s，温度控制精度为±1 ℃，冷却气体为氮气。 C70S6钢相变点测定试验方案如图1所示，将制备的2个试样在加热炉内迅速加热升温至600 ℃，随后再以200 ℃/h的升温速率加热至900 ℃，并随炉保温5 min，最后取出试样并快速冷却至室温(20 ℃)。C70S6钢相变点的测定结果如图2所示，图2中Ac1为加热时珠光体向奥氏体转变的温度，Ac3为加热时转变为奥氏体的终点温度，Ar1为冷却时奥氏体向珠光体转变的温度，Ar3为冷却时铁素体转变的开始温度，由图2可知：C70S6钢的Ac1为731 ℃，Ac3为750 ℃。最终选定C70S6钢奥氏体化的加热温度为900 ℃。

图1 C70S6钢相变点测定试验方案

图2 C70S6钢相变点的测定结果

C70S6非调质钢的静态CCT曲线测定试验方案如图3所示，取一组9个试样，每个规格(直径×长度)均为8 mm×10 mm，每个试样对应1个冷却速率，将所取试样以10 ℃/s的升温速率加热至900 ℃，并保温 5 min，使材料能够充分奥氏体化，接下来再以0.3，1，3，5，10，20，30，40，50 ℃/s等9种不同的冷却速率将材料冷却至室温，并测定材料的静态CCT曲线[5]。

图3 C70S6非调质钢的静态CCT曲线测定试验方案

2.2 试验结果分析

C70S6非调质钢的静态CCT曲线如图4所示，图中A,F,P,M分别为奥氏体、铁素体、珠光体、马氏体。从右往左的冷却速率依次为0.3，1，3，5，10，20，30，40，50 ℃/s。

图4 C70S6非调质钢的静态CCT曲线

测定C70S6非调质钢的碳含量为0.70%，其CCT曲线与共析钢转变曲线相近，在转变过程中只产生了珠光体与马氏体，而无贝氏体转变。经过充分奥氏体化的C70S6非调质钢在不同的冷却速率下连续冷却时，主要发生的相变为奥氏体向珠光体转变(A→P)。

2.3 显微组织变化

试样经过砂纸打磨、抛光后，用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液侵蚀5～10 s，直至表面变灰为止，将其冲洗吹干后在光学显微镜下观察。金相检验结果表明：转变结束后的显微组织主要为珠光体加少量铁素体。随着冷却速率的增加，铁素体析出得到抑制，网状逐步消除，珠光体团逐步细化，从经过3 ℃/s的速率连续冷却后的显微组织可以明显看出，冷却速率慢的原奥氏体晶粒在冷却过程中长大。随着冷却速率的继续增加，铁素体消失，马氏体出现且占比逐步增加。可以通过细化原奥氏体、实际铁素体和珠光体晶粒来消除网状，细化珠光体片层，从而改善材料的强塑性。不同冷却速率下C70S6非调质钢的显微组织变化如图5所示。

图5 不同冷却速率下C70S6非调质钢的显微组织变化

3 制造工艺

结合上述对C70S6非调质钢CCT曲线的测定，可以分析轧制与锻造工艺，以获得技术条件要求的C70S6非调质钢的显微组织和力学性能，防止出现马氏体等异常组织。

3.1 轧制工艺

铸坯加热过程采用的是高温扩散加热工艺，目的是：提高加热二段及均热段加热温度；延长这2个高温段的加热保温时间；为防止高温长时间加热带来的材料表面脱碳，适当降低加热炉内的空燃比。高温长时间加热时，对碳、磷、硫等易偏析元素进行充分扩散，可减轻材料偏析，均匀材料组织，防止材料带状组织超标和心部出现马氏体等异常组织。

圆钢轧制过程采用控轧控冷工艺，可实现低温终轧；控制轧后穿水冷却速率为5～10 ℃/s，获得细晶组织，并有效防止异常组织出现。

3.2 连杆毛坯锻造及冷却工艺

连杆毛坯锻件的工艺流程为[6]：圆钢下料→感应加热→辊锻制坯→模锻成型→切边→吹风冷却→装箱堆冷。

(1) 加热温度：控制圆钢锻造前的加热温度为1 170～1 230 ℃，调节终锻温度为930～980 ℃[7]。

(2) 锻后冷却：锻造后使用输送带转运连杆毛坯，同时利用风箱在传输转运过程中进行吹风冷却，控制锻件冷却速率为5～10 ℃/s，然后将连杆毛坯装入铁箱堆冷并避风放置，装箱温度为：连杆大头处为(500±20)℃，连杆杆部为(450±20)℃。用锻后吹风均匀强冷的方法控制冷却速率为5～10 ℃/s，这样既可以有效地抑制先共析铁素体组织的析出，得到连杆锻件显微组织中的铁素体占比不大于10%，也可以防止冷却速率过快产生马氏体异常组织[8-9]。

4 连杆锻件实物的理化检验

4.1 力学性能测试

对原材料圆钢轧制及连杆毛坯锻造相关工艺参数进行合理优化后，C70S6非调质钢连杆的力学性能如表2所示。

表2 优化工艺参数后C70S6非调质钢连杆的力学性能

4.2 金相检验

优化工艺参数后，C70S6非调质钢连杆的铁素体占比及晶粒度如表3所示，其显微组织如图6所示。

表3 优化工艺参数后C70S6非调质钢连杆的铁素体占比及晶粒度

图6 优化工艺参数后C70S6非调制钢连杆的显微组织

连杆的显微组织为珠光体+少量铁素体，虽然大、小头部位的网状铁素体析出量高于杆部，但均不超过10%。

4.3 疲劳性能测试

连杆毛坯锻件经过磨削、镗孔、胀断等机械加工后制作成连杆，然后使用升降法在型号为MTS880的电液伺服疲劳试验系统上对连杆进行拉-压加载不对称循环疲劳强度测试，疲劳的循环基数设定为1×107次，按连杆大头处的受力进行加载(根据连杆的工况参数得到名义工况载荷：连杆大头处最大拉力为20.67 kN，大头处最大压力为-74.84 kN，载荷为±47.76 kN)，加载波形为正弦波，疲劳性能测试数据如表4所示，疲劳性能测试升降图如图7所示。连杆疲劳测试结果表明：在连杆小头油孔处发生断裂，经过计算得出连杆在50%存活率下的疲劳极限(载荷)为88.33 kN，标准偏差为7.18 kN，因此得到连杆在50%存活率下的安全系数KS50%=1.85。

表4 连杆疲劳性能测试数据

图7 连杆疲劳性能测试升降图

5 结语

(1) 利用膨胀法对汽车发动机胀断连杆用C70S6非调质钢的CCT曲线进行测定，为后续圆钢轧制与连杆锻造工艺参数的合理设计奠定了基础。

(2) 轧制加热过程采用高温扩散加热工艺，并延长了高温加热时间，可对易偏析元素进行充分扩散，减轻材料偏析，从而减轻带状组织，尤其防止圆钢心部出现马氏体异常组织。

(3) 采用控轧控冷轧制工艺，得到细晶粒组织。

(4) 锻造过程要控制冷却速率为5～10 ℃/s，从而有效抑制铁素体的析出，细化组织晶粒，同时防止出现马氏体等异常组织。

(5) 力学性能测试、金相检验、疲劳性能测试结果显示，成品连杆的强韧性、疲劳寿命完全满足用户的使用要求。