專利名稱：汽車連桿用高強(qiáng)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(qiáng)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(dòng)機(jī)連桿的高強(qiáng)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(qiáng)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(jī)以來，世界各國(guó)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(guó)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(qiáng) 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(qiáng)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(dá)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(xì)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(xì)化的趨勢(shì)。如熱 加工后的快速冷卻，相當(dāng)于使Ar3降低，故可使晶粒細(xì)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(xì)，珠光體量增加，鋼的 強(qiáng)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(xì)化晶 粒的效果，而且還有較強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化的作用。在鋼中添加微合金元素后， 在鐵素體中析出細(xì)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(xì)的碳氮化合物沉淀析出影響而強(qiáng)化，但使鋼的韌性變差。這 些元素析出強(qiáng)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?jǐn)?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(duì)一些重要汽車零部件 提出了更高的要求，不但要求強(qiáng)度^1000MPa，而且要求有很好的切削加工 性能。國(guó)內(nèi)外雖然已有關(guān)于汽車連桿用高強(qiáng)度非調(diào)質(zhì)易切削鋼及其生產(chǎn)方
法的文獻(xiàn)與專利報(bào)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(qiáng)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(qiáng)度、延展性、沖擊值和彎曲疲勞強(qiáng) 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(guó)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(qiáng)度達(dá)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(qiáng)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(qiáng)度鋼；大連特殊鋼廠生產(chǎn)軋后機(jī)械性能為Rm 》700MPa、 Rel^450MPa、 A>17 %、 Z》40 %、 Ak^40J的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿 等部件用易切削非調(diào)質(zhì)35MnVSiN鋼等。但這些報(bào)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(qiáng)度都在900 MPa以下，屈服強(qiáng)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(qiáng)度的機(jī)理出發(fā)，通過調(diào)整 成分，嚴(yán)格控制鋼中V、 N、 S等元素的含量，同時(shí)通過控制軋制控制冷卻 的工藝，來獲得細(xì)小的鐵素體和珠光體組織，減小珠光體片層間距、促進(jìn) 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(qiáng)度達(dá)到lOOOMPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到750MPa。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，發(fā)明人首先從優(yōu)化高強(qiáng)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(dá)到80%以上，有利于保證鋼的強(qiáng)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(shí)，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(xì)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(qiáng)化，有利于提高鋼的強(qiáng)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(qiáng)度提高
30-80MPa，同時(shí)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(qiáng)化。通過對(duì)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(huì)優(yōu)先析出，這些優(yōu)先 析出的細(xì)小析出相可以阻止鐵素體晶粒位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而提高鋼的屈服強(qiáng)度，同 時(shí)這些細(xì)小析出相還能阻止形變奧氏體的再結(jié)晶和細(xì)化晶粒，來獲得高強(qiáng) 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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(huì)大 大加快，起到明顯地抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。而形變會(huì)明顯地提高沉 淀速度，有利于細(xì)化晶粒。
最后，熱軋棒材經(jīng)過精軋后進(jìn)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(duì)其析出物的顆粒大小和數(shù)量、晶粒大小、珠光體的相對(duì)量和片層間距都 具有一定的影響，這必將影響鋼的機(jī)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(dá)到9.5級(jí)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(duì)鋼的抗拉強(qiáng)度和
屈服強(qiáng)度做出了很大貢獻(xiàn)。
本發(fā)明進(jìn)一步展現(xiàn)汽車連桿用高強(qiáng)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(rèn)為
C:對(duì)于汽車用非調(diào)質(zhì)易切削鋼，都要求有一定的強(qiáng)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(xì)，并由于珠光體量增加，使鋼的強(qiáng)度提高，因此，中碳 非調(diào)質(zhì)易切削鋼的碳含量設(shè)計(jì)為O. 30-0.40%，進(jìn)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(qiáng)度性能。 為了保證汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的脹斷性能，設(shè)計(jì)的鋼中Si含量為0. 50-0. 70%， 進(jìn)一步在O. 55-0. 70%。
Mn:在鐵素體中，Mn的固溶強(qiáng)化作用僅次于P和Si，但含量低于0. 80 %時(shí)，其強(qiáng)化效果不明顯；Mn還能擴(kuò)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(qiáng)度，同時(shí)降低 鋼的相變溫度，減緩?qiáng)W氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變速度，細(xì)化鐵素體晶粒、珠光 體團(tuán)和珠光體片層間距，提高鋼的強(qiáng)度，但當(dāng)鋼中Mn含量超過1.5X時(shí)， 有促進(jìn)鋼貝氏體化的作用，因此設(shè)計(jì)的鋼中Mn含量為0.80-1. 20%，進(jìn)一 步在0. 90-1. 10%。
P: P能強(qiáng)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(duì)鋼的表面成型性能表現(xiàn)不
利，因此設(shè)計(jì)鋼中P含量《0. 040%，進(jìn)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(shí)，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(xì)化了鐵素體-珠光體組織，因此設(shè)計(jì)的S含 量為0. 030-0. 060 % ，進(jìn)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(qiáng)化，提高鐵素體的強(qiáng)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(jì)的Cr含量為0. 10-0. 40 %，進(jìn)一步為0. 10-0. 30%。
Al: A1在鋼中易于形成細(xì)小的A1N顆粒阻礙奧氏體晶粒粗大化，因此， 有時(shí)要在鋼中主動(dòng)地加入一部分A1，但過高的A1提高了鋼的延展性，對(duì)鋼 的脹斷性能不利，所以設(shè)計(jì)的Al含量為0.010-0.040%，進(jìn)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(kuò)散速度相當(dāng)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(shí)彌散沉淀析出使鋼的強(qiáng)度增加，隨著鋼中釩含量的增加，鋼的強(qiáng) 度呈直線上升，但更多的釩含量對(duì)鋼的進(jìn)一步強(qiáng)化作用并不大，因此設(shè)計(jì)V 的含量為0. 10-0. 30% ，進(jìn)一步為0, 20-0: 30% 。
N: N在鋼中主要是加強(qiáng)沉淀強(qiáng)化效果和細(xì)化晶粒作用，N與V有很強(qiáng) 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(xì)小質(zhì)點(diǎn)存在，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化效果，提高鋼的強(qiáng)度。當(dāng)向含釩鋼中添 加氮時(shí)，其沉淀強(qiáng)化作用明顯提高，N含量從50X10-6增加到250X10-6 時(shí)，鋼的屈服強(qiáng)度提高100-150MPa，即10X10-6的N提高鋼的屈服強(qiáng)度約 5MPa。鋼中的VN，不但是強(qiáng)化相，還可以抑制奧氏體晶界的遷移，細(xì)化奧 氏體晶粒，從而細(xì)化鐵素體晶粒和珠光體團(tuán)，在相變時(shí)，又起核心作用，
進(jìn)一步使鐵素體晶粒細(xì)化。但鋼中過高的N含量對(duì)連鑄生產(chǎn)不利，易形成
連鑄坯裂紋，因此，設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)度沒有降低，提高了產(chǎn)品的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng) 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(dá)到 采用最簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工序就能生產(chǎn)出具有高強(qiáng)度的汽車連桿用非調(diào)質(zhì)易切削 鋼的目的。
具體實(shí)施例方式
實(shí)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(shí)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(jí)，珠光體比例為80%，珠光體片 層間距為230nm，機(jī)械性能為Rm: lOOOMPa， Rel: 750MPa， A: 18%， Z: 30%。
實(shí)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(shí)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(jí)，珠光體比例為84%，珠光體片 層間距為200nm，機(jī)械性能為Rm: 1050MPa， Rel: 770MPa， A: 16%， Z: 25%。
實(shí)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(shí)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(jí)，珠光體比例為86%，珠光體片 層間距為170nm，機(jī)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(shí)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(jí)，珠光體比例為85%，珠光體片 層間距為170nm，機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度的機(jī)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(qiáng)度達(dá)到1000MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到750MPa。本發(fā)明技術(shù)方案是這種汽車連桿用高強(qiáng)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(shí)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(hào)C22C38/24GK101338398SQ20081004880
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)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(guó)秋, 王虎祥, 談知良, 郭元奎, 陳慶豐, 馬啟紅, 駱志平 申請(qǐng)人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司