汽车连杆用高强度非调质易切削钢及其工艺方法

摘要

本发明公开一种汽车连杆用高强度非调质易切削钢及其工艺方法，本发明从提高非调质易切削钢强度的机理出发，通过调整成分，使含碳在0.30－0.40％的非调质易切削钢的抗拉强度达到1000MPa，屈服强度达到750MPa。本发明技术方案是：这种汽车连杆用高强度非调质易切削钢包括：C、Si、Mn、Al、P、S、Cr、V、N、Fe元素组成，组成元素的重量百分比为：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％其余量为铁和不可避免的夹杂。连铸坯加热温度：1200℃，加热时间160min，开轧温度：1100℃，终轧温度：900℃，压下量：16；轧后冷却速度：40℃/min，打捆后入坑缓冷。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车连杆用高强度非调质易切削钢及其工艺方法，特别涉及用作生产汽车发动机连杆的高强度易切削钢的化学成分及生产工艺。

背景技术

在本发明提出之前，非调质易切削钢已广泛用于汽车工业，用它制造汽车上的曲轴、连杆、转向节、前梁等要求强度和一定切削性能的零件。这些零件过去都是采用中碳钢(碳素钢或合金钢)经调质(淬火后高温回火)处理的。自石油危机以来，世界各国都力图节约能源，而且由于冶金技术和钢材热加工技术的发展，各国陆续开发并生产了不需调质处理，只需控制轧制(锻造)工艺及轧(锻)后的冷却速度就可以获得所需要的强度、韧度和切削性能的非调质钢。

常规的非调质易切削钢是在中碳钢中添加微量合金元素(钒、钛和铌等)，通过控制轧制(锻制)、控温冷却，在铁素体和珠光体中弥散析出碳(氮)化合物为强化相，使之在轧制(锻制)后不经凋质处理，即可获得碳素结构钢或合金结构钢经调质处理后所达到的力学性能的钢种。

本领域的技术人员十分清楚，影响晶粒细化的因素是多种的，凡是使奥氏体向铁素体转变温度Ar3降低的因素，都有使晶粒细化的趋势。如热加工后的快速冷却，相当于使Ar3降低，故可使晶粒细化。随着钢中含碳、锰量的增加，则使Ar3降低，铁素体和珠光体变细，珠光体量增加，钢的强度提高。钢中添加微量的铌、钛、钒等合金元素，不仅有明显的细化晶粒的效果，而且还有较强的沉淀强化的作用。在钢中添加微合金元素后，在铁素体中析出细的富氮的碳氮化合物。近来研究表明，珠光体中的铁素体层也受很细的碳氮化合物沉淀析出影响而强化，但使钢的韧性变差。这些元素析出强化作用的大小，取决于这些合金元素的碳氮化合物在奥氏体中的固溶度、沉淀速度、沉淀物尺寸、沉淀物单位体积分数及分布等。

在汽车轻量化和安全性要求不断提高的今天，对一些重要汽车零部件提出了更高的要求，不但要求强度≥1000MPa，而且要求有很好的切削加工性能。国内外虽然已有关于汽车连杆用高强度非调质易切削钢及其生产方法的文献与专利报道，例如日本新日铁发明的具有优异冷轧延展性易切削钢线棒材的热轧工艺；爱知钢铁公司发明的具有优异疲劳强度的易切削钢；日本山阳特殊钢发明的具有优异拉伸强度、延展性、冲击值和弯曲疲劳强度，汽车零部件用普通易切削钢；住友金属提供的用于汽车刹车零部件、加工性能优异的无铅低碳硫磺易切削钢等。国内兴澄特种钢铁公司采用EAF-LF-CC工艺生产SAE1141汽车用易切削钢和30MnVS易切削非调质钢；莱钢生产抗拉强度达到800MPa、延伸率为17.7％、断面收缩47％的钙硫镁系易切削钢和抗拉强度超过500MPa、延伸率为15～30％、断面收缩率为25～40％的钙稀土锡系复合易切削钢；首钢采用转炉-炉外精炼-连铸工艺生产含硫非调质易切削高强度钢；大连特殊钢厂生产轧后机械性能为Rm≥700MPa、Rel≥450MPa、A≥17％、Z≥40％、Ak≥40J的汽车发动机连杆等部件用易切削非调质35MnVSiN钢等。但这些报道都属于传统C70S6、35MnVS、38MnVS6等系列的汽车连杆用易切削钢或非调质易切削钢的研究，其抗拉强度都在900MPa以下，屈服强度小于600MPa。因此，不能满足一些重要汽车零部件的技术条件。

发明内容

本发明的目的在于从提高非调质易切削钢强度的机理出发，通过调整成分，严格控制钢中V、N、S等元素的含量，同时通过控制轧制控制冷却的工艺，来获得细小的铁素体和珠光体组织，减小珠光体片层间距、促进增多弥散分布的(C、N)V析出相，使含碳在0.30-0.40％的非调质易切削钢的抗拉强度达到1000MPa，屈服强度达到750MPa。

为了实现本发明的目的，发明人首先从优化高强度非调质易切削钢的成分入手，通过控制碳含量在0.30-0.40％，可以得到铁素体-珠光体组织，且使珠光体比例达到80％以上，有利于保证钢的强度、切削加工性能；添加S元素(0.030-0.060％)，使钢中形成MnS夹杂物，特别是使钢中不易变形的氧化物夹杂被硫化物包裹而使钢的切削加工性能增加，同时，铁素体除在原奥氏体晶界析出外，也以MnS为核心析出，由于增加了铁素体形成的核心而增加了铁素体的块数，从而细化了铁素体-珠光体组织；控制钢中的V(0.10-0.30％)和N(0.010-0.015％)含量，使其固溶于奥氏体中，在冷却过程中析出碳氮化钒，在钢中产生析出强化，有利于提高钢的强度，据资料介绍，含碳0.36％的钢，钒含量从0.15％提高到0.20％，强度提高30-80MPa，同时N含量的增加，也有利于析出相的增加和在基体中的弥散强化。通过对铸坯的高温加热(1100-1300℃)，使钢中的V充分固溶于奥氏体中，在随后的轧制和快速冷却过程中，沉淀相会优先析出，这些优先析出的细小析出相可以阻止铁素体晶粒位错运动而提高钢的屈服强度，同时这些细小析出相还能阻止形变奥氏体的再结晶和细化晶粒，来获得高强度的非调质易切削钢。

本发明的具体技术方案是：这种汽车连杆用高强度非调质易切削钢包括：C、Si、Mn、Al、P、S、Cr、V、N、Fe元素组成，组成元素的重量百分比为：

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％

其余量为铁和不可避免的夹杂。

本发明按上述元素组合的进一步配比，其组成元素的重量百分比为：

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％

其余量为铁和不可避免的夹杂。

生产本发明汽车连杆用高强度非调质易切削钢的工艺方法：

本发明采用高温加热工艺，连铸方坯的加热温度为1100-1300℃，提高V(C、N)的沉淀相溶解于奥氏体中速度，使其呈弥散分布。

其次，优化轧制工艺，开轧温度保持在1050-1150℃，终轧温度保持在800-950℃，压下量≥12，使沉淀析出优先于再结晶，这样沉淀速度便会大大加快，起到明显地抑制奥氏体晶粒长大的作用。而形变会明显地提高沉淀速度，有利于细化晶粒。

最后，热轧棒材经过精轧后进行穿水冷却，冷却速度为20-100℃/min，打捆后入坑缓冷。精轧后的冷却速度，特别是在Ar3-Ar1之间的冷却速度，对其析出物的颗粒大小和数量、晶粒大小、珠光体的相对量和片层间距都具有一定的影响，这必将影响钢的机械性能，通过冷却速度为20-100℃/min的轧后穿水冷却，晶粒度得到很好改善，达到9.5级以上，珠光体片层间距170-250nm，析出的V(C、N)弥散分布于铁素体中，对钢的抗拉强度和屈服强度做出了很大贡献。

本发明进一步展现汽车连杆用高强度非调质易切削钢，所含元素组合的内含，发明人认为：

C：对于汽车用非调质易切削钢，都要求有一定的强度和硬度，而基体钢的硬度取决于含碳量，一般为中碳钢。随着碳含量的增加，使钢中的铁素体和珠光体变细，并由于珠光体量增加，使钢的强度提高，因此，中碳非调质易切削钢的碳含量设计为0.30-0.40％，进一步在0.33-0.38％，可以保证铁素体-珠光体比例在1∶4左右。

Si：Si在钢中不形成碳化物，能固溶于铁素体中影响钢的强度性能。为了保证汽车发动机连杆的胀断性能，设计的钢中Si含量为0.50-0.70％，进一步在0.55-0.70％。

Mn：在铁素体中，Mn的固溶强化作用仅次于P和Si，但含量低于0.80％时，其强化效果不明显；Mn还能扩大γ区域，增加钢中Mn含量，将降低钢的共析成分碳的含量，导致珠光体量的增多，提高钢的强度，同时降低钢的相变温度，减缓奥氏体向珠光体的转变速度，细化铁素体晶粒、珠光体团和珠光体片层间距，提高钢的强度，但当钢中Mn含量超过1.5％时，有促进钢贝氏体化的作用，因此设计的钢中Mn含量为0.80-1.20％，进一步在0.90-1.10％。

P：P能强化铁素体相，因此在材料加工过程中表现出很好的抑制变形的能力，但P在钢中的饱和度有限，过高的P对钢的表面成型性能表现不利，因此设计钢中P含量≤0.040％，进一步≤0.035％。

S：添加S元素，使钢中形成MnS夹杂物，特别是使钢中不易变形的氧化物夹杂被硫化物包裹而使钢的切削加工性能增加，同时，铁素体除在原奥氏体晶界析出外，也以MnS为核心析出，由于增加了铁素体形成的核心而增加了铁素体的块数，从而细化了铁素体-珠光体组织，因此设计的S含量为0.030-0.060％，进一步为0.030-0.050％。

Cr：钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高其稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度，但钢中过高的使C曲线明显右移，易获得贝氏体组织，因此设计的Cr含量为0.10-0.40％，进一步为0.10-0.30％。

Al：Al在钢中易于形成细小的AlN颗粒阻碍奥氏体晶粒粗大化，因此，有时要在钢中主动地加入一部分Al，但过高的Al提高了钢的延展性，对钢的胀断性能不利，所以设计的Al含量为0.010-0.040％，进一步为0.015-0.035％。

V：V作为主要添加的合金元素，可以使γ相向α相的相变温度降低，形成较弥散的珠光体。钒在奥氏体中固溶温度较低，但扩散速度相当快，在加热和均热阶段，沉淀物发生溶解，在热加工期间保持溶解状态，而随后冷却时弥散沉淀析出使钢的强度增加，随着钢中钒含量的增加，钢的强度呈直线上升，但更多的钒含量对钢的进一步强化作用并不大，因此设计V的含量为0.10-0.30％，进一步为0.20-0.30％。

N：N在钢中主要是加强沉淀强化效果和细化晶粒作用，N与V有很强的亲和力，可以形成极稳定的间隙相。氮化物和碳化物可以互相溶解，形成碳氮化物，氮化物之间也可以互相溶解，形成复合氮化物，这些化合物常以细小质点存在，产生弥散强化效果，提高钢的强度。当向含钒钢中添加氮时，其沉淀强化作用明显提高，N含量从50×10-6增加到250×10-6时，钢的屈服强度提高100-150MPa，即10×10-6的N提高钢的屈服强度约5MPa。钢中的VN，不但是强化相，还可以抑制奥氏体晶界的迁移，细化奥氏体晶粒，从而细化铁素体晶粒和珠光体团，在相变时，又起核心作用，进一步使铁素体晶粒细化。但钢中过高的N含量对连铸生产不利，易形成连铸坯裂纹，因此，设计的N含量为0.010-0.015％。

与现有技术相比，本发明其性能为：Rm≥1000MPa，Rel≥750MPa，A≥15％，Z≥20％。完全适应于汽车连杆制造的胀断工艺和汽车轻量化及安全性的要求。尤其是本发明中N含量的设计为0.010-0.015％，既避免了由于需要大量的含N合金而节约了成本，又减少了连铸由于高N含量而形成的裂纹废品，还保证了钢的强度没有降低，提高了产品的性价比和市场竞争力。

所以，本发明在优化成分的基础上，结合合理的工序工艺控制，达到采用最简单的生产工序就能生产出具有高强度的汽车连杆用非调质易切削钢的目的。

具体实施方式

实施例1：

本发明钢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％，其余为铁和不可避免的杂质；连铸坯加热温度：1200℃，加热时间160min，开轧温度：1100℃，终轧温度：900℃，压下量：16；轧后冷却速度：40℃/min，打捆后入坑缓冷。热轧材晶粒度为9.0级，珠光体比例为80％，珠光体片层间距为230nm，机械性能为：Rm：1000MPa，Rel：750MPa，A：18％，Z：30％。

实施例2：

本发明钢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％，其余为铁和不可避免的杂质；连铸坯加热温度：1250℃，加热时间160min，开轧温度：1120℃，终轧温度：910℃，压下量：16；轧后冷却速度：60℃/min，打捆后入坑缓冷。热轧材晶粒度为9.5级，珠光体比例为84％，珠光体片层间距为200nm，机械性能为：Rm：1050MPa，Rel：770MPa，A：16％，Z：25％。

实施例3：

本发明钢C，含有C：0.38％，Si：0.60％，Mn：1.00％，P：0.010％，S：0.040％，Cr：0.25％，V：0.25％，N：0.013％，Al：0.035％，其余为铁和不可避免的杂质；连铸坯加热温度：1150℃，加热时间160min，开轧温度：1050℃，终轧温度：850℃，压下量：14；轧后冷却速度：70℃/min，打捆后入坑缓冷。热轧材晶粒度为9.5级，珠光体比例为86％，珠光体片层间距为170nm，机械性能为：Rm：1100MPa，Rel：790MPa，A：16％，Z：24％。

实施例4：

本发明钢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％，其余为铁和不可避免的杂质；连铸坯加热温度：1150℃，加热时间150min，开轧温度：1050℃，终轧温度：840℃，压下量：16；轧后冷却速度：75℃/min，打捆后入坑缓冷。热轧材晶粒度为9.5级，珠光体比例为85％，珠光体片层间距为170nm，机械性能为：Rm：1110MPa，Rel：800MPa，A：17％，Z：30％。