專利名稱：汽車連桿用高強度非調(diào)質(zhì)易切削鋼及其工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車連桿用高強度非調(diào)質(zhì)易切削鋼及其工藝方法，特別涉 及用作生產(chǎn)汽車發(fā)動機連桿的高強度易切一鋼的化學(xué)成分及生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
在本發(fā)明提出之前，非調(diào)質(zhì)易切削鋼己廣泛用于汽車工業(yè)，用它制造 汽車上的曲軸、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、前梁等要求強度和一定切削性能的零件。 這些零件過去都是采用中碳鋼(碳素鋼或合金鋼)經(jīng)調(diào)質(zhì)(淬火后高溫回 火)處理的。自石油危機以來，世界各國都力圖節(jié)約能源，而且由于冶金 技術(shù)和鋼材熱加工技術(shù)的發(fā)展，各國陸續(xù)開發(fā)并生產(chǎn)了不需調(diào)質(zhì)處理，只 需控制軋制(鍛造)工藝及軋(鍛)后的冷卻速度就可以獲得所需要的強 度、韌度和切削性能的非調(diào)質(zhì)鋼。
常規(guī)的非調(diào)質(zhì)易切削鋼是在中碳鋼中.添加微量合金元素(釩、鈦和鈮 等)，通過控制軋制(鍛制)、控溫冷卻，在鐵素體和珠光體中彌散析出碳 (氮)化合物為強化相，使之在軋制(鍛制)后不經(jīng)凋質(zhì)處理，即可獲得 碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后所達到的力學(xué)性能的鋼種。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員十分清楚，影響晶粒細化的因素是多種的，凡是使
奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度Ar3降低的因素，都有使晶粒細化的趨勢。如熱 加工后的快速冷卻，相當于使Ar3降低，故可使晶粒細化。隨著鋼中含碳、 錳量的增加，則使Ar3降低，鐵素體和珠光體變細，珠光體量增加，鋼的 強度提高。鋼中添加微量的鈮、鈦、釩等合金元素，不僅有明顯的細化晶 粒的效果，而且還有較強的沉淀強化的作用。在鋼中添加微合金元素后， 在鐵素體中析出細的富氮的碳氮化合物。近來研究表明，珠光體中的鐵素 體層也受很細的碳氮化合物沉淀析出影響而強化，但使鋼的韌性變差。這 些元素析出強化作用的大小，取決于這些合金元素的碳氮化合物在奧氏體 中的固溶度、沉淀速度、沉淀物尺寸、沉淀物單位體積分數(shù)及分布等。
在汽車輕量化和安全性要求不斷提高的今天，對一些重要汽車零部件 提出了更高的要求，不但要求強度^1000MPa，而且要求有很好的切削加工 性能。國內(nèi)外雖然已有關(guān)于汽車連桿用高強度非調(diào)質(zhì)易切削鋼及其生產(chǎn)方
法的文獻與專利報道，例如日本新日鐵發(fā)明的具有優(yōu)異冷軋延展性易切削
鋼線棒材的熱軋工藝；愛知鋼鐵公司發(fā)明的具有優(yōu)異疲勞強度的易切削鋼; 日本山陽特殊鋼發(fā)明的具有優(yōu)異拉伸強度、延展性、沖擊值和彎曲疲勞強 度，汽車零部件用普通易切削鋼；住友金屬提供的用于汽車剎車零部件、 加工性能優(yōu)異的無鉛低碳硫磺易切削鋼等。國內(nèi)興澄特種鋼鐵公司采用 EAF-LF-CC工藝生產(chǎn)SAE1141汽車用易切削鋼和30MnVS易切削非調(diào)質(zhì)鋼； 萊鋼生產(chǎn)抗拉強度達到800 MPa、延伸率為17. 7 %、斷面收縮47 %的鈣硫 鎂系易切削鋼和抗拉強度超過500 MPa、延伸率為15 30 %、斷面收縮率 為25 40 %的鈣稀土錫系復(fù)合易切削鋼；首鋼采用轉(zhuǎn)爐-爐外精煉-連鑄工 藝生產(chǎn)含硫非調(diào)質(zhì)易切削高強度鋼；大連特殊鋼廠生產(chǎn)軋后機械性能為Rm 》700MPa、 Rel^450MPa、 A>17 %、 Z》40 %、 Ak^40J的汽車發(fā)動機連桿 等部件用易切削非調(diào)質(zhì)35MnVSiN鋼等。但這些報道都屬于傳統(tǒng)C70S6、 35MnVS、 38MnVS6等系列的汽車連桿用易切削鋼或非調(diào)質(zhì)易切削鋼的研究， 其抗拉強度都在900 MPa以下，屈服強度小于600 MPa。因此，不能滿足一 些重要汽車零部件的技術(shù)條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于從提高非調(diào)質(zhì)易切削鋼強度的機理出發(fā)，通過調(diào)整 成分，嚴格控制鋼中V、 N、 S等元素的含量，同時通過控制軋制控制冷卻 的工藝，來獲得細小的鐵素體和珠光體組織，減小珠光體片層間距、促進 增多彌散分布的(C、 N) V析出相，使含碳在0.30-0. 40%的非調(diào)質(zhì)易切削 鋼的抗拉強度達到lOOOMPa，屈服強度達到750MPa。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，發(fā)明人首先從優(yōu)化高強度非調(diào)質(zhì)易切削鋼的 成分入手，通過控制碳含量在0.30-0. 40%，可以得到鐵素體-珠光體組織， 且使珠光體比例達到80%以上，有利于保證鋼的強度、切削加工性能；添 加S元素(0. 030-0. 060%)，使鋼中形成MnS夾雜物，特別是使鋼中不易 變形的氧化物夾雜被硫化物包裹而使鋼的切削加工性能增加，同時，鐵素 體除在原奧氏體晶界析出外，也以MnS為核心析出，由于增加了鐵素體形 成的核心而增加了鐵素體的塊數(shù)，從而細化了鐵素體-珠光體組織；控制鋼 中的V (0. 10-0.30%)和N (0.010-0.015%)含量，使其固溶于奧氏體中， 在冷卻過程中析出碳氮化釩，在鋼中產(chǎn)生析出強化，有利于提高鋼的強度， 據(jù)資料介紹，含碳0.36%的鋼，釩含量從.O. 15%提高到0.20%，強度提高
30-80MPa，同時N含量的增加，也有利于析出相的增加和在基體中的彌散 強化。通過對鑄坯的高溫加熱(1100-130CTC)，使鋼中的V充分固溶于奧 氏體中，在隨后的軋制和快速冷卻過程中，沉淀相會優(yōu)先析出，這些優(yōu)先 析出的細小析出相可以阻止鐵素體晶粒位錯運動而提高鋼的屈服強度，同 時這些細小析出相還能阻止形變奧氏體的再結(jié)晶和細化晶粒，來獲得高強 度的非調(diào)質(zhì)易切削鋼。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案是這種汽車連桿用高強度非調(diào)質(zhì)易切削鋼包 括C、 Si、 Mn、 Al、 P、 S、 Cr、 V、 N、 Fe元素組成，組成元素的重量百分 比為-
C: 0.30-0.40%
Si: 0.50-0.70%
Mn: 0.80-1.20%
P:《0.040%
S: 0.030-0.060%
Al: 0.010-0.040%
Cr: 0.10-0.40%
V: 0.10-0.30%
N: 0.010-0.015%
其余量為鐵和不可避免的夾雜。
本發(fā)明按上述元素組合的進一步配比，其組成元素的重量百分比為
C: 0.33-0.38% .
Si: 0.55-0.70%
Mn: 0. 90-1. 10%
P:《0.035%
S: 0.030-0.050%
Al: 0.015-0.035%
Cr: 0. 15-0. 30%
V: 0.20-0.30%
N: 0.010—0.015%
其余量為鐵和不可避免的夾雜。
生產(chǎn)本發(fā)明汽車連桿用高強度非調(diào)質(zhì)易切削鋼的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明采用高溫加熱工藝，連鑄方坯的加熱溫度為1100-1300°C，提高 V (C、 N)的沉淀相溶解于奧氏體中速度，使其呈彌散分布。
其次，優(yōu)化軋制工藝，開軋溫度保持在1050-115(TC，終軋溫度保持在 800-95(TC，壓下量》12，使沉淀析出優(yōu)先于再結(jié)晶，這樣沉淀速度便會大 大加快，起到明顯地抑制奧氏體晶粒長大的作用。而形變會明顯地提高沉 淀速度，有利于細化晶粒。
最后，熱軋棒材經(jīng)過精軋后進行穿水冷卻，冷卻速度為20-100°C/min， 打捆后入坑緩冷。精軋后的冷卻速度，特別是在Ar3-Arl之間的冷卻速度， 對其析出物的顆粒大小和數(shù)量、晶粒大小、珠光體的相對量和片層間距都 具有一定的影響，這必將影響鋼的機械性能，通過冷卻速度為20-10(TC/min 的軋后穿水冷卻，晶粒度得到很好改善，達到9.5級以上，珠光體片層間 距170-250nm，析出的V (C、 N)彌散分布于鐵素體中，對鋼的抗拉強度和
屈服強度做出了很大貢獻。
本發(fā)明進一步展現(xiàn)汽車連桿用高強度非調(diào)質(zhì)易切削鋼，所含元素組合 的內(nèi)含，發(fā)明人認為
C:對于汽車用非調(diào)質(zhì)易切削鋼，都要求有一定的強度和硬度，而基體 鋼的硬度取決于含碳量， 一般為中碳鋼。隨著碳含量的增加，使鋼中的鐵 素體和珠光體變細，并由于珠光體量增加，使鋼的強度提高，因此，中碳 非調(diào)質(zhì)易切削鋼的碳含量設(shè)計為O. 30-0.40%，進一步在O. 33-0. 38%，可 以保證鐵素體-珠光體比例在1: 4左右。
Si: Si在鋼中不形成碳化物，能固溶于鐵素體中影響鋼的強度性能。 為了保證汽車發(fā)動機連桿的脹斷性能，設(shè)計的鋼中Si含量為0. 50-0. 70%， 進一步在O. 55-0. 70%。
Mn:在鐵素體中，Mn的固溶強化作用僅次于P和Si，但含量低于0. 80 %時，其強化效果不明顯；Mn還能擴大Y區(qū)域，增加鋼中Mn含量，將降低 鋼的共析成分碳的含量，導(dǎo)致珠光體量的增多，提高鋼的強度，同時降低 鋼的相變溫度，減緩奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變速度，細化鐵素體晶粒、珠光 體團和珠光體片層間距，提高鋼的強度，但當鋼中Mn含量超過1.5X時， 有促進鋼貝氏體化的作用，因此設(shè)計的鋼中Mn含量為0.80-1. 20%，進一 步在0. 90-1. 10%。
P: P能強化鐵素體相，因此在材料加工過程中表現(xiàn)出很好的抑制變形 的能力，但P在鋼中的飽和度有限，過高加P對鋼的表面成型性能表現(xiàn)不
利，因此設(shè)計鋼中P含量《0. 040%，進一步gO. 035%。
S:添加S元素，使鋼中形成MnS夾雜物，特別是使鋼中不易變形的氧 化物夾雜被硫化物包裹而使鋼的切削加工性能增加，同時，鐵素體除在原 奧氏體晶界析出外，也以MnS為核心析出，由于增加了鐵素體形成的核心 而增加了鐵素體的塊數(shù)，從而細化了鐵素體-珠光體組織，因此設(shè)計的S含 量為0. 030-0. 060 % ，進一步為0. 030-0. 050 % 。
Cr:鋼中的Cr, 一部分置換鐵形成合金滲碳體，提高其穩(wěn)定性； 一部 分溶入鐵素體中，產(chǎn)生固溶強化，提高鐵素體的強度和硬度，但鋼中過高 的使C曲線明顯右移，易獲得貝氏體組織，因此設(shè)計的Cr含量為0. 10-0. 40 %，進一步為0. 10-0. 30%。
Al: A1在鋼中易于形成細小的A1N顆粒阻礙奧氏體晶粒粗大化，因此， 有時要在鋼中主動地加入一部分A1，但過高的A1提高了鋼的延展性，對鋼 的脹斷性能不利，所以設(shè)計的Al含量為0.010-0.040%，進一步為 0.015-0.035%。
V: V作為主要添加的合金元素，可以使Y相向a相的相變溫度降低， 形成較彌散的珠光體。釩在奧氏體中固溶溫度較低，但擴散速度相當快， 在加熱和均熱階段，沉淀物發(fā)生溶解，在熱加工期間保持溶解狀態(tài)，而隨 后冷卻時彌散沉淀析出使鋼的強度增加，隨著鋼中釩含量的增加，鋼的強 度呈直線上升，但更多的釩含量對鋼的進一步強化作用并不大，因此設(shè)計V 的含量為0. 10-0. 30% ，進一步為0, 20-0: 30% 。
N: N在鋼中主要是加強沉淀強化效果和細化晶粒作用，N與V有很強 的親和力，可以形成極穩(wěn)定的間隙相。氮化物和碳化物可以互相溶解，形 成碳氮化物，氮化物之間也可以互相溶解，形成復(fù)合氮化物，這些化合物 常以細小質(zhì)點存在，產(chǎn)生彌散強化效果，提高鋼的強度。當向含釩鋼中添 加氮時，其沉淀強化作用明顯提高，N含量從50X10-6增加到250X10-6 時，鋼的屈服強度提高100-150MPa，即10X10-6的N提高鋼的屈服強度約 5MPa。鋼中的VN，不但是強化相，還可以抑制奧氏體晶界的遷移，細化奧 氏體晶粒，從而細化鐵素體晶粒和珠光體團，在相變時，又起核心作用，
進一步使鐵素體晶粒細化。但鋼中過高的N含量對連鑄生產(chǎn)不利，易形成
連鑄坯裂紋，因此，設(shè)計的N含量為0.010-0. 015%。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明其性能為Rm^l000MPa, ReD750MPa， 15%, Z》20%。完全適應(yīng)于汽車連桿制造的脹斷工藝和汽車輕量化及安全 性的要求。尤其是本發(fā)明中N含量的設(shè)計為0.010-0.015%，既避免了由于 需要大量的含N合金而節(jié)約了成本，又減少了連鑄由于高N含量而形成的 裂紋廢品，還保證了鋼的強度沒有降低，提高了產(chǎn)品的性價比和市場競爭 力。
所以，本發(fā)明在優(yōu)化成分的基礎(chǔ)上，結(jié)合合理的工序工藝控制，達到 采用最簡單的生產(chǎn)工序就能生產(chǎn)出具有高強度的汽車連桿用非調(diào)質(zhì)易切削 鋼的目的。
具體實施例方式
實施例1:
本發(fā)明鋼A，含有C: 0.33%， Si: 0.60%， Mn: 0.95%， P: 0.010%， S: 0.035%， Cr: 0.20%, V: 0.22%, N: 0.011%， Al: 0.030%，其余
為鐵和不可避免的雜質(zhì)；連鑄坯加熱溫度1200°C，加熱時間160min，開 軋溫度1離C，終軋溫度900°C，壓下量16;軋后冷卻速度40°C/min， 打捆后入坑緩冷。熱軋材晶粒度為9.0級，珠光體比例為80%，珠光體片 層間距為230nm，機械性能為Rm: lOOOMPa， Rel: 750MPa， A: 18%， Z: 30%。
實施例2:
本發(fā)明鋼B，含有C: 0.36%， Si: 0.66%， Mn: 1.01%， P: 0.011%， S: 0.045。％， Cr: 0.27%， V: 0.27%， N: 0.012%， Al: 0.035°%，其余 為鐵和不可避免的雜質(zhì)；連鑄坯加熱溫度1250°C，加熱時間160min，開 軋溫度1120。C，終軋溫度910。C，壓下量16;軋后冷卻速度60°C/min， 打捆后入坑緩冷。熱軋材晶粒度為9.5級，珠光體比例為84%，珠光體片 層間距為200nm，機械性能為Rm: 1050MPa， Rel: 770MPa， A: 16%， Z: 25%。
實施例3:
本發(fā)明鋼C，含有C: 0.38%, Si: 0.60%， Mm 1.00%， P: 0.010%, S: 0.040%， Cr: 0.25%， V: 0.25%， N: 0.013%, Al: 0.035%，其余
為鐵和不可避免的雜質(zhì)；連鑄坯加熱溫度1150°C，加熱時間160min，開 軋溫度1050°C，終軋溫度850°C，壓下量14;軋后冷卻速度70°C/min， 打捆后入坑緩冷。熱軋材晶粒度為9.5級，珠光體比例為86%，珠光體片 層間距為170nm，機械性能為Rm: llOOMPa， Rel: 7Pa， A: 16%, Z:
24%。
本發(fā)明鋼D，含有C: 0.36%， Si: 0.70%, Mn: 1.10%， P: 0.012%， S: 0.030%， Cr: 0.24%， V: 0.27%， N: 0.014%， Al: 0.030%，其余 為鐵和不可避免的雜質(zhì)；連鑄坯加熱溫度1150°C，加熱時間150min，開 軋溫度1050°C，終軋溫度840°C，壓下量16;軋后冷卻速度75°C/min， 打捆后入坑緩冷。熱軋材晶粒度為9.5級，珠光體比例為85%，珠光體片 層間距為170nm，機械性能為Rm: lllOMPa， Rel: 800MPa， A: 17%， Z: 30%。
權(quán)利要求
1.汽車連桿用高強度非調(diào)質(zhì)易切削鋼，包括C、Si、Mn、Al、P、S、Cr、V、N、Fe元素組成，其特征在于組成元素的重量百分比為C0.30-0.40％、Si0.50-0.70％、Mn0.80-1.20％、P≤0.040％、S0.030-0.060％、Al0.010-0.040％、Cr0.10-0.40％、V0.10-0.30％、N0.010-0.015％其余量為鐵和不可避免的夾雜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車連桿用高強度非調(diào)質(zhì)易切削鋼及其工藝方法，其特征在于所述組成元素的重量百分比為C: 0.33-0.38%、 Si:0.55-0.70%、 Mn: 0.90-1.10%、 P:《0.035%、 S: 0.030-0.050%、 Al: 0.015-0.035%、 Cr: 0.15-0. 30。％、 V: 0.20-0.30%、 N: 0.010-0.015%其余量為鐵和不可避免的夾雜。
3. —種生產(chǎn)權(quán)利要求1汽車連桿用高強度非調(diào)質(zhì)易切削鋼的工藝方法， 其特征是用高溫加熱工藝，連鑄方坯的加熱溫度為1100-1300°C，加熱時間 160min，開軋溫度保持在1050-1150°C，終軋溫度保持在800_950°C ，壓下 量》12，熱軋棒材經(jīng)過精軋后進行穿水冷卻，冷卻速度為20-100°C/min， 打捆后入坑緩冷。
全文摘要
本發(fā)明公開一種汽車連桿用高強度非調(diào)質(zhì)易切削鋼及其工藝方法，本發(fā)明從提高非調(diào)質(zhì)易切削鋼強度的機理出發(fā)，通過調(diào)整成分，使含碳在0.30-0.40％的非調(diào)質(zhì)易切削鋼的抗拉強度達到1000MPa，屈服強度達到750MPa。本發(fā)明技術(shù)方案是這種汽車連桿用高強度非調(diào)質(zhì)易切削鋼包括C、Si、Mn、Al、P、S、Cr、V、N、Fe元素組成，組成元素的重量百分比為C0.30-0.40％、Si0.50-0.70％、Mn0.80-1.20％、P≤0.040％、S0.030-0.060％、Al0.010-0.040％、Cr0.10-0.40％、V0.10-0.30％、N0.010-0.015％其余量為鐵和不可避免的夾雜。連鑄坯加熱溫度1200℃，加熱時間160min，開軋溫度1100℃，終軋溫度900℃，壓下量16；軋后冷卻速度40℃/min，打捆后入坑緩冷。
文檔編號C22C38/24GK101338398SQ20081004880
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月14日
發(fā)明者尹志香, 張賢忠, 徐冠宇, 熊玉彰, 王國秋, 王虎祥, 談知良, 郭元奎, 陳慶豐, 馬啟紅, 駱志平 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司