本發(fā)明涉及一種ca微合金化鋼材料及其制造方法，尤其涉及一種易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼及其制造方法。

背景技術(shù)：

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展。汽車、輪船等交通工具發(fā)動(dòng)機(jī)使用高強(qiáng)度、易切削脹斷連桿鋼的比例不斷提高。能源壓力要求發(fā)動(dòng)機(jī)連桿具有更高的強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)輕量化及良好的切削性能。駕駛的舒適性又要求發(fā)動(dòng)機(jī)連桿具有良好的裝配性，而脹斷連桿具有相比于切斷連桿具有更優(yōu)的裝配性能。為滿足上述要求，發(fā)明一種ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿具有廣闊的市場(chǎng)前景。

申請(qǐng)?zhí)?01510612936.4公開的一種易切削中碳非調(diào)質(zhì)脹斷連桿用鋼及其制造方法，是一種易切削中碳非調(diào)質(zhì)脹斷連桿用鋼，其特點(diǎn)在于其微觀組織包括鐵素體+珠光體，以及第二相粒子vn；所述鋼種c：0.2～0.55%，si：0.35～1.00%，mn：0.5～1.70%，s：0.01～0.09%，p：0.03～0.15%，cr：0.05～0.50%，v：0.05～0.45%，n：0.005～0.030%其余為fe及其他不可避免的雜質(zhì)。該鋼種為一種中碳含釩非調(diào)質(zhì)鋼，用于制作脹斷連桿，該鋼種添加了元素s、p等元素，使鋼材中生成復(fù)合類型的夾雜改善材料的切削性能；同時(shí)降低材料塑性變形性能，便于連桿脹斷加工，又不明顯影響材料的強(qiáng)度及疲勞壽命。但是，夾雜物類型、大小、形貌控制不良，使得材料得不到較好的綜合性能。

申請(qǐng)?zhí)?01610396333.x公開的36mnvs4脹斷連桿用鋼制造方法，所述鋼種通過控制p含量在0.020～0.030%提高脹斷性能，同時(shí)控制殘余元素cr在0.10～0.15%，碳當(dāng)量控制在1.18～1.27%，已提高材料性能，但是該鋼種合金元素偏低，力學(xué)性能相對(duì)較低，為滿足零件設(shè)計(jì)的性能要求需使用規(guī)格更大的材料，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化要求。

申請(qǐng)?zhí)?00880118575.6公開的裂解連桿用鋼，所述鋼種c：0.25～0.5%，si：0.01～2.0%，mn：0.5～2.0%，s：0.01～0.2%，p：0.015～0.080%，v：0.02～2.0%，cr：0.05～1.0%，ti：0.01～0.10%，n：0.01%以下，其余為fe及其他不可避免的雜質(zhì)。該鋼種的切削性有所改善，但仍難解決切削性和裂解性并立的困難，而且為了提高切削性該鋼種適當(dāng)減少了合金添加量，導(dǎo)致了材料強(qiáng)度的下降。且此鋼種添加較高含量的ti元素，使得鋼中生成較大量的有害含ti夾雜物，使得材料的疲勞性能顯著降低。

綜上，為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)環(huán)保及駕駛舒適性的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的生產(chǎn)需要，能夠生產(chǎn)出一種易切削、高強(qiáng)度、易脹斷，成分簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)高效的連桿用鋼是本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼，該鋼材具有較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及較高的疲勞性能。另外，本發(fā)明所述的易切削中碳非調(diào)質(zhì)脹斷連桿用鋼切削加工性良好，且具有良好的脆性脹斷性能。

本發(fā)明另一目的是提供一種ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼的制造方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為，一種ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼，該鋼材的化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)為c：0.25～0.60%，si：0.10～1.20%，mn：0.40～1.50%，cr：0.05～0.50%，s：0.02～0.15%，p：0.02～0.15%，v：0.03～0.55%，ca：0.0005～0.0080%，n：0.002～0.035%，al：0.002～0.080%，ti：≤0.02%，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)元素，s/ca：≥15。

本發(fā)明鋼材力學(xué)性能滿足：屈服強(qiáng)度為550～650mpa，抗拉強(qiáng)度為800～950mpa，延伸率≤20%，常溫沖擊功akv≤23j。

本發(fā)明所述的ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼，綜合改善材料的強(qiáng)度、切削加工性、脹斷性三個(gè)特性。通常為了提高材料的切削性需考慮減少合金元素，適當(dāng)降低材料硬度，但減少合金成分，又將提高鋼材塑性，不利于連桿的脹斷，兩者處于此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，很難并立。本發(fā)明目的是在確保材料強(qiáng)度滿足要求的情況下綜合協(xié)調(diào)材料的切削加工性及脹斷性。研究發(fā)現(xiàn)，通過添加ca元素并控制其微合金化，形成特定的夾雜物，既能提高材料的切削加工性，又不降低材料的脹斷性。

本發(fā)明鋼材的各元素設(shè)計(jì)原理如下：

ca：0.0005～0.0080%。本發(fā)明的ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼，ca作為合金元素添加到鋼材中，意在綜合調(diào)和鋼材的切削加工性及脹斷性能，又不明顯影響鋼材的強(qiáng)度和疲勞性能。經(jīng)試驗(yàn)表明，在該鋼種添加ca，能夠綜合改變鋼材中夾雜物的組份、尺寸、形貌，有利于提高鋼材切削性能。同時(shí)，ca的添入可脆化鋼材的晶界強(qiáng)度，極大提高鋼材的裂解性能。為充分發(fā)揮上述效果，本發(fā)明中的鋼材ca含量范圍設(shè)定為0.0005～0.0080%。

s/ca：≥15。試驗(yàn)表明，若鋼材中ca的含量過高，會(huì)導(dǎo)致材料中產(chǎn)生影響材料強(qiáng)度及疲勞性能的夾雜物，所以通過控制s/ca≥15來抵消因添加ca引起的材料強(qiáng)度及疲勞性能的降低。本發(fā)明中的鋼材s/ca設(shè)定為≥15。

s：0.02～0.15%。s是易切削元素。當(dāng)鋼中含有一定量的mn時(shí)，易形成mns或者含mns的復(fù)合夾雜物，從而提高切削材料切削性能，同時(shí)在材料脹斷時(shí)，起到切口效應(yīng)，從而提高材料的脹斷性。但含硫夾雜物通常熔點(diǎn)較低，s含量過高，材料會(huì)發(fā)生熱脆效應(yīng)及增加脫碳的傾向。為充分發(fā)揮上述效果，本發(fā)明中的鋼材s含量范圍設(shè)定為0.02～0.15%。

p：0.02～0.15%。p在鑄造凝固時(shí)會(huì)有較嚴(yán)重的微觀偏析傾向，隨后在加熱時(shí)在晶界聚集，增加鋼材脆性，特別是冷脆性能。一般的鋼材需盡可能地降低p含量，但在本發(fā)明的鋼材中，有意添加一定量的p元素來增加鋼材脆性，并使鋼中的鐵素體溶有一定含量的p，使得材料中鐵素體的塑性大大降低，從而提高材料的脹斷性。為充分發(fā)揮上述效果，本發(fā)明中的鋼材p含量范圍設(shè)定為0.02～0.15%。

n：0.002～0.035%。n在鋼中與v、al等元素形成化合物，起到強(qiáng)化及細(xì)化晶粒的作用。為充分發(fā)揮上述效果，本發(fā)明中的鋼材n含量范圍設(shè)定為0.002～0.035%。

al：0.002～0.080%。al作為脫氧有效元素，通過與n結(jié)合形成的aln可有效地防止奧氏體晶粒粗化，起到防止晶粒長(zhǎng)大的作用。但al含量過高，易形成的al2o3尖晶石類、aln類屬于硬脆的夾雜物，呈多邊形、球形特征，從而惡化材料的性能，特別是疲勞性能。為充分發(fā)揮上述效果，本發(fā)明中的鋼材al含量范圍設(shè)定為0.002～0.080%。

ti：≤0.02%。ti在鋼中雖能起到細(xì)化晶粒的作用，但易形成影響材料強(qiáng)度及疲勞的夾雜物，本發(fā)明中的鋼材ti含量范圍設(shè)定為≤0.02%。

為了滿足材料的強(qiáng)度等綜合性能，鋼材又添入如下主要合金元素。

c：0.25～0.60%。c是用于確保強(qiáng)度以及用于提高脹斷性所需的重要合金元素，特別在提高材料強(qiáng)度方面，是一種非常有效又經(jīng)濟(jì)的添加元素。將c含量的下限設(shè)定為0.25%。c含量?jī)?yōu)選為0.28%以上，更優(yōu)選為0.30%以上。但c含量太高，將降低材料的切削性能，將c含量上限設(shè)定為0.60%，c含量?jī)?yōu)選為0.55%以下，更優(yōu)選為0.50%以下。

si：0.10～1.20%。si在煉鋼時(shí)作為脫氧元素，同時(shí)si在鋼中有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，能夠顯著地提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)降低鋼的塑性和韌性。si能夠促進(jìn)元素p、s的晶界偏聚，使得晶界適當(dāng)脆化，有利于鋼材的脆性脹斷。若si含量過高，則會(huì)惡化棒材的熱成型性，影響鋼材鍛成連桿毛坯的表面質(zhì)量。因此，本發(fā)明中的鋼材si含量范圍設(shè)定為0.10～1.20%。

mn：0.40～1.50%。mn作為脫氧劑作用的元素，通過固溶強(qiáng)化提高鋼材的強(qiáng)度，添加一定量的mn對(duì)確保材料的力學(xué)性能非常重要。此外mn將鋼中的s等結(jié)合形成硫化物系夾雜物，在脹斷時(shí)發(fā)揮切口效應(yīng)，使脹斷性提高。mn需要控制在0.40%以上；另一方面mn是容易偏析元素，對(duì)鋼的過熱敏感，mn含量過高，易生成貝氏體組織，切削性及脹斷性均會(huì)降低。綜上，本發(fā)明中的鋼材mn含量范圍設(shè)定為0.40～1.50%。

cr：0.05～0.50%。cr元素增加淬透性，并且細(xì)化珠光體的片層間距，有利于提高細(xì)片狀珠光體組織的形成比例及顯微組織的均勻性，從而有效提高材料的強(qiáng)度及疲勞等性能。本發(fā)明中的鋼材cr含量范圍設(shè)定為0.05～0.50%。

v：0.03～0.55%。v能在鋼中形成碳化物及氮化物，在鋼中起到彌散強(qiáng)化的作用，而且v能一定程度上提高材料的脹斷性能。但v含量過多，會(huì)降低材料切削性能，同時(shí)增加鋼材生產(chǎn)成本。為充分發(fā)揮上述效果，本發(fā)明中的鋼材v含量范圍設(shè)定為0.03～0.55%。

本發(fā)明所得鋼材的金相組織為鐵素體+珠光體。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼的制造方法，主要包括如下具體流程：

冶煉、連鑄、坯料加熱、熱軋（含火焰清理）、冷卻，

冶煉符合鋼材化學(xué)成分的鋼水，煉鋼采用高性能精煉合成渣，控制鋼材各類夾雜物的數(shù)量及形態(tài)，同時(shí)去除有害夾雜，特別是外來大顆粒夾雜物；鋼包保持長(zhǎng)時(shí)間的夾雜物去除過程，使非金屬夾雜物充分上浮，保證外來大顆粒夾雜物的去除；選擇專用的精煉渣和中間包保護(hù)渣更好地吸附夾雜物；連鑄采用矩形坯，解決表面質(zhì)量問題，均質(zhì)化問題，夾雜物數(shù)量得到有效控制。連鑄采用先進(jìn)的末端電磁攪拌、輕壓下先進(jìn)裝備工序，控制材料的晶界偏析。同時(shí)，為了保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，澆注時(shí)過熱度控制在10～40℃。

在步進(jìn)式加熱爐中將坯料加熱，預(yù)熱段溫度控制在760～860℃，第一加熱段溫度控制在960～1060℃，第二加熱段溫度控制在1050～1200℃，均熱段溫度控制在1080～1250℃，為坯料充分均勻受熱，總加熱時(shí)間2.5小時(shí)及以上。

高壓水除鱗后進(jìn)行單相區(qū)軋制：開軋溫度為980～1100℃。因?yàn)殇摬闹刑砑恿溯^高含量的s、p等元素，鋼材表面裂紋敏感性強(qiáng)，所以開軋前先經(jīng)火焰清理，利用高壓氧氣流“熔削”坯料表層金屬，“熔削”深度為0.5～4mm，去除坯料表面裂紋、凹坑、脫碳等表面缺陷，確保軋材表面質(zhì)量；然后采用12架二輥軋機(jī)+5架kocks三輥軋機(jī)軋制，單道次最大壓下量控制在25～30mm之間；軋制時(shí)采用控冷，控制終軋溫度在800～900℃；

軋制結(jié)束后，實(shí)行快速冷卻，平均冷速控制在40～80℃/min，以減輕軋材的帶狀組織，終冷溫度為300～480℃，終冷之后材料可自由冷卻至室溫。

本發(fā)明所述的ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼的制造方法通過控制冶煉、低溫澆注、高溫加熱軋制、高溫終軋及合理冷卻，使鋼材獲得鐵素體+珠光體的金相組織。按上述制造過程生產(chǎn)出的鋼材，組織中的s系夾雜物確保鋼材具有良好的切削性，而在晶界處彌散分布的細(xì)小含ca的復(fù)合夾雜物，則非常有利于連桿的脹斷。本申請(qǐng)的鋼材同時(shí)具有高強(qiáng)度、切削加工性、脹斷性三個(gè)特性。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼的微觀組織圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼有利于提高切削性的s系夾雜物圖片。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼晶界中含ca復(fù)合夾雜物。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說明和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼及其制造方法作進(jìn)一步的解釋和說明，然而該解釋和說明并不對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案構(gòu)成不當(dāng)限定。

實(shí)施例1-3

按下面工序制造本發(fā)明實(shí)施例1-3中ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼：

1）冶煉：100噸煉鋼爐冶煉后進(jìn)行爐外精煉，鋼液再經(jīng)真空脫氣處理，各化學(xué)元素質(zhì)量百分比嚴(yán)格按要求控制。

2）連鑄：連鑄成200mm×200mm的方坯，控制中間包過熱度為10～40℃。為控制材料的偏析，連鑄時(shí)則采用先進(jìn)的末端電磁攪拌、連鑄輕壓下先進(jìn)裝備及工藝。所得連鑄坯化學(xué)成分百分比見下表1所示：

表1.（wt.%,余量為fe及其他不可避免的雜質(zhì)元素）

3）加熱：坯料在步進(jìn)式加熱爐中加熱，包括預(yù)熱段、第一加熱段、第二加熱段、均熱段，其中預(yù)熱段溫度控制在760～860℃，第一加熱段溫度控制在960～1060℃，第二加熱段溫度控制在1050～1200℃，均熱段溫度控制在1080～1250℃，總加熱時(shí)間2.5小時(shí)以上。

4）熱軋：開軋溫度為980～1100℃，終軋溫度為800～900℃，單相區(qū)內(nèi)軋制,單道次最大壓下量控制在25～30mm之間。

5）冷卻：熱軋后快速冷卻，平均冷速控制在40～80℃/min，終冷溫度為300～480℃，然后空冷至室溫。

上述各實(shí)施例中的ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼的制造方法具體工藝參數(shù)如下表2所示：

表2.（加熱、熱軋、冷卻的具體工藝參數(shù)）

對(duì)實(shí)施例1-3中的ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，測(cè)得的力學(xué)性能如下表3所示：

表3

從表3中可見，實(shí)施例中的力學(xué)性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，說明連桿具有較高的強(qiáng)度。另外實(shí)施例中的ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼延伸率≤17%，常溫沖擊功≤25akv，說明實(shí)施例中鋼材塑性低，大大有利于連桿的脹斷，獲得一種具備高強(qiáng)度、良好的切削加工性、良好的脹斷性綜合性能優(yōu)良的脹斷連桿用鋼。

圖1顯示了實(shí)施例1中的ca微合金化易切削高強(qiáng)度脹斷連桿用鋼的微觀組織。從圖1可知，該連桿用鋼的微觀組織為鐵素體+珠光體。

需要指出的是，以上例舉的僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，顯然本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，而是根據(jù)需要有許多類似的變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員如果從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到所有變形，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。