AC514发动机非调质钢连杆试验研究

邓向阳 林俊 李仕超 谢有 朱飞

（中天钢铁集团有限公司，常州 213011）

1 前言

发动机连杆是发动机的重要零件，对材料要求很高，以往发动机连杆材料大多用调质钢制造，目前调质钢连杆大多被非调质钢代替，不仅提高了连杆的装配精度，还省去了一道费时、高能耗、高污染的热处理工序，节约了能源，提高了生产效率[1]。

用于发动机连杆制造的非调质钢钢种有中碳MnV、高碳MnV 系列非调质钢，按抗拉强度区分750～850 MPa，代表钢种有35MnV、40MnV；强度为 850～950 MPa 的代表钢种有 36MnV、38MnV、C70S6、C70S6BY。据最新统计，在这些钢种中C70S6 钢的用量最大，占非调质钢用量的60%[2]，是目前制造发动机胀断连杆的最主要材料。

本项目以高碳MnV 系非调质钢为研发目标，首先开发C70S6 连杆用非调质钢，应用于国内某知名汽车发动机厂D19(AC514)发动机连杆。

2 试验用钢的技术要求

2.1 试验用钢牌号及化学成分

试验用钢牌号为C70S6，试验用钢牌号及化学成分如表1 所示，碳当量要求0.88%～0.97%。

表1 试验用钢牌号及化学成分(质量分数） %

碳当量按公式（1）计算。

式中，Ceq 为碳当量；C 为 C 质量分数；Si 为 Si 质量分数；Mn 为 Mn 质量分数；Cr 为 Cr 质量分数；V 为 V质量分数。

2.2 试验用钢的技术要求

采用电炉冶炼，经LF（精炼炉）精炼和VD（真空处理炉）真空处理。连铸坯中心疏松≤2.0 级。非金属夹杂物按表2 要求。热轧圆钢规格为Φ42 mm，以滚磨状态交货，轧材奥氏体晶粒度要求优于5 级。钢材表面要求探伤，表面缺陷深度≤0.3 mm；超声探伤标准按GB/T 4162—2008《锻轧钢棒超声检测方法》[3]执行，合格级别为 B 级[4]。

表2 非金属夹杂物要求 级

3 试验钢材的冶炼

3.1 试验用钢的冶炼成分

试验用钢在中天特钢电炉厂进行，采用90 t 电炉冶炼，经LF 精炼和VD 真空处理，共冶炼2 炉，炉号为685、686。其中难控元素S 主要通过电炉出钢过程添加硫铁，然后LF 过程补喂硫线，控制VD 过程的S 损耗，VD 真空处理后不需要再补加[5]。N 元素的控制，主要是通过LF 炉添加钒氮合金，VD 真空后喂入氮锰线来控制[6]。

试验用钢的熔炼化学成分检验结果如表3 所示。从熔炼成分检验结果看，试验用钢的化学成分和碳当量符合内控技术指标。同时分析了德国乔治马林钢厂和国内其它钢厂C70S6 钢材的化学成分和碳当量，也列入表3。

表3 试验用钢和对比钢的化学成分（质量分数） %

3.2 连铸坯的低倍形态及化学成分偏析

连铸坯的规格为220 mm×260 mm 矩形坯。为改善连铸低倍质量，连铸过程采用慢拉速（0.70 m/min），低过热度（15～30 ℃），大的电磁搅拌电流（末端搅拌电流为400 A），并采用国际先进的脉冲磁致振荡技术（PMO），低倍缺陷评级如表4，低倍评级符合技术要求。

表4 低倍评级情况 级

铸坯偏析情况委托上海大学材料学院进行分析，本次检测采用11 点取样检测，从铸坯中心向铸坯两侧每隔3 cm 取1 个检测点（图1）。为提高准确度，在距离中心1.5 cm 处（两侧）加取2 点，共11点，并采用碳硫分析仪对C、S 成分进行检测，结果如图2、表 5 所示。

图1 铸坯偏析取样示意

图2 铸坯偏析结果

表5 连铸坯的碳硫偏析指数(CS仪)

4 试验钢材的轧制

4.1 试验用钢的轧制

试验用钢在中天特钢小棒线生产，该生产线配备德国KOCKS 机组，可以保证轧材的尺寸精度和表面质量。

试验钢用炉批号为686 的钢坯，首次轧制6支，轧制规格为Φ42 mm，成材为4.13 t。

为减轻材料偏析，均匀材料组织，此次生产C70S6 采用高温扩散加热工艺，过钢节奏参考轴承钢轧制工艺，现场设定轧制节拍为120 s/支，轧制钢坯在炉时间为5 h，在加热Ⅰ段及均热段高温区共经过3 h，加热温度控制在工艺上限为1 200～1 250 ℃。

开轧温度较高，钢坯在除鳞水后温度在1 130 ℃左右，当钢坯经过第一架轧机时，钢坯后半部温度在1 110 ℃左右，剪切温度在410～505 ℃。

为提高表面质量，并防止出现心部贝氏体、马氏体等异常组织，轧制采用控轧控冷工艺。

考虑滚磨工序，尺寸控制在Φ42.2～Φ42.6 mm 范围之内，滚磨按单边0.2 mm 进行，滚磨后实际尺寸约Φ41.8～Φ42.2 mm，满足客户的尺寸精度要求。

4.2 硫化物的形态及能谱分析

试验用钢与国内知名钢厂材料进行硫化物形貌对比（图3、图4），从图片对比情况来看，试验钢材与国内先进钢厂等材料无明显差异。

图3 试验钢轧材硫化物形态

图4 对比钢轧材硫化物形貌（500×）

对试验钢硫化物进行了能谱分析，结果如图5、表6 所示，能谱分析结果显示，硫化物相结构为硫化锰。

表6 硫化物成分组成（质量分数） %

图5 硫化物能谱分析

为提高材料的切削加工性能，一般需要提高纺锤体状硫化物比例，而纺锤体状硫化物主要组成为：里层为氧化物核心，外层包裹硫化锰，因此下步还需要进一步对硫化物进行改质变性处理，以便提高纺锤体状硫化物的比例[7]。

4.3 轧材的气体含量测定

测定了轧材的气体含量（表7），N 含量平均145×10-6，O 含量平均9×10-6，符合技术要求。

表7 成品材气体含量对比 ×10-6

5 热轧材的表面质量和力学性能

5.1 表面脱碳

检查了钢材表面脱碳情况，由于本次轧钢生产采用高温扩散加热工艺，因此脱碳层偏深，达0.30～0.48 mm（图6）。经滚磨处理后脱碳层深度降低到0.09～0.11 mm（图7），同规格国内B 公司脱碳层深度0.14 mm。

图6 滚磨前脱碳层组织（100×）

图7 单边滚磨0.20 mm后脱碳层组织（100×）

5.2 C70S6试验材料的锻造工艺模拟试验

将试验材料（Φ42 mm 圆钢）分别加热到不同的锻造温度（1 180 ℃、1 210 ℃、1 240 ℃、1 300 ℃）保温30 min，改锻成Φ25 mm 棒料。终锻温度900 ℃左右，改锻后采用空冷和风冷2 种不同的冷却速度冷却，测定钢材的金相组织和力学性能[8]。同时选择了德国进口钢材和国内某企业钢材进行对比试验。

5.2.1 锻造工艺对锻件金相组织的影响

从不同锻造温度试样的金相组织来看，随着锻造温度的升高，奥氏体晶粒增大，铁素体析出量减少。对比风冷和空冷2 种冷却速度的金相组织，相差不大，冷却速度对金相组织的影响较少[9]。

试验钢和德国钢、国内B 公司的C70S6 钢对比，在1 210 ℃锻造风冷试样的金相组织，基本相差不大（图8）。

图8 不同生产厂1 210 ℃锻造后风冷试样的金相组织（500×）

5.2.2 锻造工艺对钢材力学性能的影响

图9 是试验钢和对比钢不同锻造温度风冷试样的力学性能测试结果，图10 是不同锻造温度空冷试样的力学性能测试结果，从试验结果看，随着锻造温度的升高，2 种冷却速度的强度略有升高，韧性略有下降，但相差不大。图11 是试验钢和对比钢的2 种冷却（空冷和风冷）试样屈服强度、抗拉强度和硬度的对比，基本在同一水平。

图9 风冷——锻造温度对力学性能的影响

图10 空冷——锻造温度对力学性能的影响

图11 1 210 ℃锻打试样的抗拉强度与布氏硬度

6 发动机连杆试制

6.1 连杆的技术要求及制造工艺

试制发动机连杆为国内某内燃机厂D19 发动机连杆，该连杆材料设计为C70S6，连杆的硬度要求为260～320 HBS 5/750/15，抗拉强度为950～1 080 MPa。材料规格为Φ42 mm，下料长度146 mm，坯料质量1.57 kg，连杆质量1.079～1.125 kg，材料利用率为68.7%。

连杆锻件的生产工艺如下：下料、感应加热、辊锻制坯、模锻成型、切边、空气冷却、强力喷丸、探伤、硬度检查、质量检查。

连杆的机械加工工艺如下：粗磨端面、精磨端面、辊锻制坯、模锻成型、切边（从辊锻制坯开始到完成锻件切边，时间为10～12 s）、空气冷却、强力喷丸、探伤、硬度检查、质量检查。

6.2 连杆的试制及检验

6.2.1 连杆锻件试制

首批投入试验材料2.10 t，生产锻件1 100 余件，锻造的加热温度1 210 ℃，终锻温度960 ℃。从辊锻制坯开始到锻件切边完成时间40 s，生产节拍10～12 s。锻后风冷，装箱温度连杆大头500 ℃，杆部460 ℃。

6.2.2 连杆锻件的金相组织

试制连杆锻件的金相组织为珠光体加少量铁素体，大小头部位铁素体析出量高于杆部，但＜10%（图12）。表面有轻微的脱碳，深度在0.05～0.08 mm，满足技术要求。

图12 连杆的金相组织

6.2.3 连杆锻件的硬度

连杆的硬度要求为260～320 HBS 5/750/15，测试了25 件试制连杆锻件硬度，其硬度范围在281～296 HBS 5/750/15 之间，试验连杆的硬度符合产品要求且分布比较均匀。

6.2.4 连杆的强度

采用连杆整体拉伸，测定试验连杆最小横截面的抗拉强度，试验设备为德国兹韦克（Zwick Roell）Z600 型静态电子万能材料实验机，拉伸断面在连杆杆部，用图像扫描仪分析计算其断面面积为292.57 mm2。表8 是连杆整体拉伸断裂力及计算的连杆杆部强度，符合950～1 080 MPa 的技术要求。

表8 连杆抗拉强度对比

6.2.5 连杆的切削和裂解试验

试验连杆的切削工艺如下：锻件、探伤、粗磨两平面、精磨两平面、钻小头孔、镗小头孔、粗镗大头孔、半精镗大头孔、精铣搭子面、钻扩镗双孔攻丝、激光开槽、胀断连杆大头孔分开面、合装连杆、精铣两侧面、精磨两平面、半精镗大头孔、精镗大小头孔、珩磨大头孔、检验（连杆综合测量装置）、称重分组（符合图纸要求，打印质量标识）、合件清洗、装箱检验贮存[10]。

首批切削、裂解试验24 件，切削性能良好，胀断工序正常，裂解面没有发现任何缺陷，通过了用户的疲劳寿命检测。

7 结论

a.通过对成分的精确控制、连铸采用慢拉速、低过热度、加大电磁搅拌力度、引进国际先进的PMO 技术和轧钢过程采用高温扩散加热及控轧控冷工艺，原材料的力学性能、组织均匀性得到了有效控制；

b.通过用户锻造工艺模拟对比、检测对比，中天特钢C70S6 试验钢材各项技术指标满足汽车发动机连杆要求；

c.应用于国内某知名内燃机厂D19(AC514)发动机连杆的试验表明，中天特钢C70S6 钢材工艺适应性良好，锻件性能稳定，切削性能良好，裂解工艺也满足要求。

d.试验钢的元素偏析及硫化物形貌还有进一步改善的空间，以进一步提升材料的质量水平。