專利名稱：用于連桿的非調質鋼及由其制成的連桿的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于連桿的非調質鋼(non-heat treated steel)的改進，更特別地，涉及由非調質鋼制成的連桿。將此鋼通過熱鍛成形為機器部件，然后利用沖擊力使其斷裂并分為兩個或多個部分，其后，利用諸如螺栓的緊固件對其進行重新裝配以用作連桿。
背景技術：
通常，通過下列步驟制造車輛內燃機中用于連接活塞和曲軸的連桿通過鍛造整體成形鋼件以具有成品形狀；對鋼件進行精加工；利用切削加工將鋼件分割為帽部分、小端和桿的部分。然而，加工工序的數(shù)量和通過切削要損失的部分的存在不可避免地提高了傳統(tǒng)連桿的制造成本。
鑒于此，日本專利臨時公布No.2002-275578公開了一種制造連桿的方法作為斷裂分離方法，其中利用沖擊力且不通過精加工對連桿進行分離。斷裂分離方法減少了加工工序的數(shù)量以及切削造成的損失部分，因而預期具有降低生產成本的優(yōu)點。

發(fā)明內容
然而，上述傳統(tǒng)連桿已遇到了問題。在上述斷裂分離方法中，通過利用大量C和V高度硬化鋼材，賦予鋼材斷裂分離能力，這將導致與硬度相比條件屈服強度并未提高和切削性能下降的缺點。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供用于連桿的改進的非調質鋼以及由其制成的連桿，其可有效克服用于連桿的傳統(tǒng)非調質鋼及由其制成的傳統(tǒng)連桿中遇到的問題。
本發(fā)明另一目的是提供用于連桿的改進的非調質鋼以及由其制成的改進的連桿，其鋼可確保切削性能和條件屈服強度，并適于斷裂分離。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的發(fā)明人對用于連桿的鋼材的主要成分以及添加的合金元素的種類和數(shù)量進行了積極研發(fā)。結果，發(fā)現(xiàn)通過繪出橢圓度和鋼材成分及硬度的關系可預測橢圓度，由此可實現(xiàn)本發(fā)明。上述橢圓度意指由連桿大端確定的內孔(截面中)與完美圓形的偏離度，并對應于內孔縱向直徑與垂直于縱向直徑的直徑之差(mm)。
本發(fā)明的一方面在于用于熱鍛和用于連桿的非調質鋼，其包含按質量百分比計的0.3至0.8％的C；0.1至2.0％的Si；0.5至1.5％的Mn、0.01至0.15％的P、低于或等于1.0％的Cr、低于或等于0.4％的V，低于或等于0.05％的Al、0.005至0.03％的N，以及余量的鐵和不可避免的雜質。此非調質鋼具有不大于150的E值，該E值由下式計算E＝2804-1549×Ceq-8862×P-23.4×H其中，H為該非調質鋼制成的連桿的洛氏硬度值(C標尺)；P為該連桿中磷的含量(％)；Ceq為碳當量值，該Ceq值由下式計算Ceq＝C(％)+0.166Si(％)+0.22Mn(％)+0.25Cr(％)+1.8V(％)本發(fā)明的另一方面在于連桿，其包含按質量百分比計的0.3至0.8％的C、0.1至2.0％的Si、0.5至1.5％的Mn、0.01至0.15％的P、低于或等于1.0％的Cr、低于或等于0.4％的V，低于或等于0.05％的Al、0.005至0.03％的N，以及余量的鐵和不可避免的雜質。此連桿具有不大于150的E值，該E值由下式計算E＝2804-1549×Ceq-8862×P-23.4×H其中，H為該連桿的洛氏硬度值(C標尺)；P為該連桿中磷的含量(％)，Ceq為碳當量值，該Ceq值由下式計算
Ceq＝C(％)+0.166Si(％)+0.22Mn(％)+0.25Cr(％)+1.8V(％)


圖1為鍛造形成的連桿材料的形狀圖示。
圖2為示出E值與實測橢圓度值之間相互關系的實驗數(shù)據(jù)圖，E值是可用其預測連桿是否具有低于標準值的實測橢圓度值的值；以及圖3為示出洛氏硬度(C標尺)和實測橢圓度值之間相互關系的實驗數(shù)據(jù)圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明，用于熱鍛和用于連桿的非調質鋼包含按質量百分比計的0.3至0.8％的C、0.1至2.0％的Si、0.5至1.5％的Mn、0.01至0.15％的P、低于或等于1.0％的Cr、低于或等于0.4％的V，低于或等于0.05％的Al、0.005至0.03％的N，以及余量的鐵和不可避免的雜質。此非調質鋼具有不大于150的E值，該E值可由下式計算E＝2804-1549×Ceq-8862×P-23.4×H其中H為該非調質鋼制成的連桿的洛氏硬度值(C標尺)；P為該連桿中磷的含量(％)；Ceq為碳當量值，該Ceq值由下式計算Ceq＝C(％)+0.166Si(％)+0.22Mn(％)+0.25Cr(％)+1.8V(％)除了限制根據(jù)本發(fā)明的連桿的各種合金成分的原因之外，通過對橢圓度(連桿具有的)進行多重回歸分析得到的等式此后將進行詳細討論。上述橢圓度意指由連桿大端確定的內孔(截面中)與完美圓形的偏離度，并對應于內孔縱向直徑與垂直于縱向直徑的直徑之差(mm)。此外，還將討論根據(jù)本發(fā)明的連桿的一個實施方案。在本說明書中，除非另有說明，所有百分比(％)均為質量比。
C0.3至0.8％碳是一種廉價并有效確保鋼硬度和強度的元素。C含量低于0.3％的鋼不能獲得預期的強度。同時，C含量超過0.8％導致過度的硬度提高而降低鋼的切削性能，盡管由此能獲得預期的強度。因此，有必要將碳的含量設定在上述范圍之內。
Si0.1至2.0％硅是一種可溶于鐵素體相而顯現(xiàn)強化鋼材作用的元素。為了獲得足夠的斷裂分離能力，要求Si的添加量不低于0.1％。然而，大量的添加Si提高熱態(tài)下的變形阻力，即降低可鍛性，因而Si添加量的上限設定為2.0％。
Mn0.5至1.5％錳具有提高熱加工性的作用。為了獲得足夠的熱加工性，要求Mn的添加不低于0.5％。此外，錳具有提高硬化度的作用，因而為硬化連桿的目的而添加。然而，過量添加錳導致鍛造后產生貝氏體相，即導致過度的硬度提高而降低了切削性能，因而將Mn添加量的上限設定為1.5％。
P0.01至0.15％磷增強鐵素體相因而斷裂分離時顯現(xiàn)抑制變形的作用，因而添加量不低于0.01％。然而，大量添加P將使該作用飽和。此外，隨著磷含量的提高，很可能使斷裂分離時形成的表面平滑而降低分離后重裝時所需的接合性能，因而P添加量的上限設定為0.15％。
Cr低于或等于1.0％鉻具有提高鍛造后強度并提高硬化度的作用，因而為硬化連桿而添加。然而，大量添加Cr導致鍛造后貝氏體相的產生，即導致過度的硬度提高而降低了切削性能，因而Cr添加量的上限設定為1.0％。
V低于或等于0.4％釩與氮和碳反應生成碳氮化物因而提高鍛造后的強度，從而顯現(xiàn)出提高條件屈服強度的作用。此外，釩的碳氮化物為沉積物，其增強鐵素體相以抑制斷裂時的變形，因而顯現(xiàn)出提高斷裂分離能力的作用。然而該作用將隨著V添加量的增加而飽和。即，大量添加V導致切削性能的下降并提高成本，因而V添加量的上限設定為0.4％。
Al低于或等于0.05％鋁具有形成細小氮化物顆粒以阻止晶粒變粗的作用，因而有時要積極地添加。然而，鋁提高延展性，從而增加斷裂分離時的變形，其可當添加目的為確保斷裂分離能力時導致弊端。因而，Al添加量的上限設定為0.05％。
N0.005至0.03％氮是不可避免的雜質并具有在鍛造工藝過程中形成氮化物以防止晶粒變粗的作用。然而，大量添加N導致鍛造時形成缺陷。因此，N的添加量設定在從工藝所需的下限0.005％至不形成缺陷的上限0.03％的范圍內。
S0.03至0.15％Pb低于或等于0.3％Ca低于或等于0.01％這些元素(S、Pb和Ca)用于提高切削性能。它們可按需要單獨或組合添加。
更具體地，硫是具有與錳生成硫化物和提高切削性能作用的元素。為了實現(xiàn)該作用，硫的添加需要不低于0.03％。同時，大量添加S降低熱加工性，因而上限設定為0.15％。此外，鉛是要添加以提高易切削性能的元素，但添加大量Pb使得難于將鉛在鋼中均勻分散。團聚的鉛導致缺陷，因而Pb添加量的上限設定為0.3％。此外，鈣是取代MnS中部分錳以形成溶有鈣的MnS的元素，并且以這樣的方式提高切削性能的作用在切削時溶有鈣的MnS附著于工具，因而為了獲得該作用而添加。然而，添加大量鈣形成了具有如此高熔點以致阻礙澆鑄的CaS，因而，上限設定為0.01％。
洛氏硬度(HRC)24至35在本說明書中，硬度值以洛氏硬度(C標尺)或HRC表示。
根據(jù)本發(fā)明的連桿由用于連桿的非調質鋼制成，此鋼具有上述組成。優(yōu)選連桿的洛氏硬度(HRC)在24至35范圍內。
當連桿的洛氏硬度低于C標尺的24時，斷裂分離后橢圓度值(或由連桿大端確定的內孔(截面中)與完美圓形的偏離度)增大并超過標準值(1mm)，使得連桿難于確保斷裂分離能力。同時，當連桿的洛氏硬度超過35時，降低切削性能并可能增加成形成本。因此，優(yōu)選連桿的洛氏硬度在上述范圍內。
由斷裂而形成的橢圓度意指由大端確定的內孔(截面中)與完美圓形的偏離度。橢圓度對斷裂分離后所需的重裝能力有很大的影響。當連桿橢圓度大時，重裝后通過加工去除的部分也大，因而降低了產率。因此，要求連桿的橢圓度不超過標準值。
如圖3所見，優(yōu)選連桿的洛氏硬度不低于24，以使連桿可獲得不超過標準值的橢圓度。洛氏硬度不低于24的連桿可確保斷裂分離能力。同時，具有洛氏硬度高于35的連桿，其切削性能下降，因而洛氏硬度的上限優(yōu)選設定為35。
通過碳當量(Ceq)、磷的量、硬度、珠光體和鐵素體相中的晶粒尺寸、以及鐵素體的面積百分數(shù)作為參數(shù)，進行多重回歸分析，可得到表示連桿中化學組成和結構之間關系的等式，其關系對橢圓度(mm)有大的影響。該等式表示如下E＝2804-1549×Ceq-8862×P-23.4×H≤150......Eq.(E)
其中，H為連桿的洛氏硬度值(HRC)；P為連桿中磷的含量(％)；Ceq為碳當量值，該Ceq值可由下式計算Ceq＝C(％)+0.166Si(％)+0.22Mn(％)+0.25Cr(％)+1.8V(％)更具體地，可根據(jù)從Eq.(E)計算的結果預測連桿是否具有不超過標準值的橢圓度。當調整鋼的組成使連桿的E值(或Eq.(E)的計算結果)不大于150時，如上述所討論的，該連桿可確保斷裂分離后所需的重裝能力。
實施例參考下列實施例及對比例，本發(fā)明將更易理解；然而，這些實施例意欲說明本發(fā)明而不可理解為限定本發(fā)明的范圍。
熔融具有如表1所示的化學組成的11種鋼(A至K)的每種，然后將其鑄成直徑為40mm的桿狀。其后，將桿狀錠坯熱鍛為連桿形狀(圖1所示，包括小端S、截面中為I形的部分I和大端M)，因而制成測試件。
此外，熱鍛時的加工和加熱條件對應于連桿實際生產時的條件。另外，為了確定由于冷卻條件的變化(表1的備注中示出)對硬度改變的影響，通過調節(jié)風機的輸出，控制鍛造后提供的冷卻空氣的量。
對由此獲得的鍛件(或連桿材料)在其大端M處進行洛氏硬度測量。此外，通過激光束加工，在大端M處形成深0.5mm的切口。其后，將用于分割的楔形夾具裝配到由大端確定的圓柱形鉆孔中，然后對夾具施加沖擊力使得大端M隨夾具分離。重裝分離的大端M，然后測量其橢圓度。
此外，在熱鍛條件下，通過使用11種鋼(A至K)分別制成片材樣品。各個片材樣品均具有相應于實際制品的金相結構和硬度。對片材樣品進行鉆孔。然后，測量鉆磨損的量以評定鉆孔的效率，即評價切削性能。
表1

在傳統(tǒng)冷卻條件下制造如實施例1的試樣。其洛氏硬度不低于24并滿足Eq.(E)，并進一步具有不超過1mm的標準值的實測橢圓度。
制造如實施例2的試樣，其目的是以相對于實施例1提高冷卻空氣的量的方式提高硬度。該實施例滿足Eq.(E)，并顯示出優(yōu)異的斷裂分離能力。
在傳統(tǒng)冷卻條件下，分別制造如實施例3至6的試樣。它們任何一種的洛氏硬度都不低于24且滿足Eq.(E)，因此實測橢圓度均不超過標準值。
雖然磷含量相對較低，但由于含有大量碳，如實施例7的試樣硬度高，因而顯示出優(yōu)異的斷裂分離能力。在此情況下，該試樣的E值不高于150。
相反，制造如對比例I和II的試樣，該試樣由與實施例1和3相同類型的鋼(型號A和B的鋼)制成，鍛造后以低于傳統(tǒng)冷卻條件的速度對其進行冷卻。這樣降低了硬度而提高了橢圓度。
含有大量磷的材料，諸如如對比例III的試樣，其如此地脆以致顯示出優(yōu)異的斷裂分離能力并獲得不超過標準值的橢圓度。然而，這樣的材料不可能期望確保足夠的硬度，并可能在鋼材熔融時導致斷裂，因此制造為機器部件的能力下降。
如對比例IV的試樣含有大量碳且硬度高，使其甚至即使磷的量低也獲得不超過標準值的橢圓度。然而，如對比例IV的試樣切削性能下降。
如對比例V的試樣的洛氏硬度不低于24；然而，由于含磷量低使其斷裂分離能力下降。
圖2為示出E值和實測橢圓度值之間相互關系的實驗數(shù)據(jù)分散圖，基于實施例和對比例。使用E值可進行預測試樣的實測橢圓度是否低于標準值。
實測橢圓度低于標準值的連桿滿足Eq.(E)。一些連桿并不滿足Eq.(E)，盡管它們實測橢圓度低于標準值；然而，從硬度、切削性能、以及制成機器部件的能力的觀點來看，它們在本發(fā)明范圍之外。
圖3為示出洛氏硬度和實測橢圓度之間相互關系的實驗數(shù)據(jù)分散圖，基于實施例和對比例。
洛氏硬度不低于24的連桿顯示出優(yōu)異的斷裂分離能力。對于含磷量低于規(guī)定量的連桿，即使其洛氏硬度不低于24，其斷裂分離能力也下降。此外，含過大量的磷的連桿顯示出優(yōu)異的斷裂分離能力，同時其制成機器部件的能力下降。此外，用于實施例的A至F型鋼具有非常優(yōu)異的易切削性，這是因為其中添加了能夠有效改善易切削性能的Ca和S。
根據(jù)本發(fā)明，規(guī)定C(碳)、Mn(錳)、Cr(鉻)、V(釩)等的含量，其對硬度即連桿材料的斷裂分離能力和切削性能產生影響。此外，為得到表示鋼材組成和硬度之間關系的等式，進行多重回歸分析，其關系對橢圓度(或由大端確定的內孔(截面中)與完美圓形的偏離度)產生很大影響。由多重回歸分析等式計算的E值和實測橢圓度之間的相互關系為基礎，如此調整鋼材組成，以使連桿具有這樣的E值用它可預測連桿的橢圓度是否低于標準值。采用這種具有已調整成分的鋼材產生制造斷裂分離能力和切削性能優(yōu)異的連桿的極其優(yōu)異的效果。
盡管通過參考本發(fā)明某些實施方案和實施例如上描述本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于上述實施方案和實施例。在上述教導下，對于本領域技術人員，可對上述實施方案和實施例進行調整和改變。
在此引入日本專利申請P2005-311365(2005年10月26日提交)的全部內容以作參考。參照下列權利要求書限定本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種用于熱鍛和用于連桿的非調質鋼，其包含按質量百分比計的0.3至0.8％的C；0.1至2.0％的Si；0.5至1.5％的Mn；0.01至0.15％的P；低于或等于1.0％的Cr；低于或等于0.4％的V；低于或等于0.05％的Al；0.005至0.03％的N；以及余量的Fe和不可避免的雜質，其中，該非調質鋼的E值不大于150，該E值由下式計算E＝2804-1549×Ceq-8862×P-23.4×H其中，H為該非調質鋼制成的連桿的洛氏硬度值(C標尺)；P為該連桿中磷的含量(％)；Ceq為碳當量值，該Ceq值由下式計算Ceq＝C(％)+0.166Si(％)+0.22Mn(％)+0.25Cr(％)+1.8V(％)。
2.根據(jù)權利要求1所述的非調質鋼，其進一步包含選自由下列組成的組中的至少一種0.03至0.15％的S、低于或等于0.3％的Pb、以及低于或等于0.01％的Ca。
3.一種連桿，其包含按質量百分比計的0.3至0.8％的C；0.1至2.0％的Si；0.5至1.5％的Mn；0.01至0.15％的P；低于或等于1.0％的Cr；低于或等于0.4％的V；低于或等于0.05％的Al；0.005至0.03％的N；以及余量的Fe和不可避免的雜質，其中，該連桿的E值不大于150，該E值由下式計算E＝2804-1549×Ceq-8862×P-23.4×H其中，H為該連桿的洛氏硬度值(C標尺)；P為該連桿中磷的含量(％)；Ceq為碳當量值，該Ceq值由下式計算Ceq＝C(％)+0.166Si(％)+0.22Mn(％)+0.25Cr(％)+1.8V(％)。
4.根據(jù)權利要求3所述的連桿，其進一步包含選自由下列組成的組中的至少一種0.03至0.15％的S、低于或等于0.3％的Pb、以及低于或等于0.01％的Ca。
5.根據(jù)權利要求3所述的連桿，其中，該連桿具有從24至35的洛氏硬度(C標尺)。
全文摘要
一種用于熱鍛和用于連桿的非調質鋼，其含有按質量百分比計的0.3至0.8％的C；0.1至2.0％的Si；0.5至1.5％的Mn；0.01至0.15％的P；低于或等于1.0％的Cr；低于或等于0.4％的V；低于或等于0.05％的Al；0.005至0.03％的N；以及余量的Fe和不可避免的雜質。此非調質鋼的E值不大于150，該E值由下式計算E＝2804－1549×Ceq－8862×P－23.4×H其中，H為該非調質鋼制成的連桿的洛氏硬度值；P為該連桿中磷的含量(％)；Ceq為碳當量值。
文檔編號C22C38/00GK1955498SQ20061015031
公開日2007年5月2日 申請日期2006年10月26日 優(yōu)先權日2005年10月26日
發(fā)明者相原一石, 山田雄一, 宮澤智則, 臼木秀樹, 岡田義夫, 加藤進一郎, 速石正和 申請人:日產自動車株式會社