CN106939391A - 一种Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢，该钢材的化学成分按质量百分比计为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%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。该钢材经冶炼、连铸、加热、热轧、冷却，组织特征为均匀的铁素体+珠光体。钢材通过优化钢材中关键元素，特别采用Ca微合金化，获得一种具备高强度、良好的切削加工性、良好的胀断性综合性能优良的胀断连杆用钢，满足了发动机轻量化、经济性及驾驶舒适性的设计要求。

Description

一种Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢及制造方法

技术领域

本发明涉及一种Ca微合金化钢材料及其制造方法，尤其涉及一种易切削高强度胀断连杆用钢及其制造方法。

背景技术

随着交通运输业的快速发展。汽车、轮船等交通工具发动机使用高强度、易切削胀断连杆钢的比例不断提高。能源压力要求发动机连杆具有更高的强度以实现轻量化及良好的切削性能。驾驶的舒适性又要求发动机连杆具有良好的装配性，而胀断连杆具有相比于切断连杆具有更优的装配性能。为满足上述要求，发明一种Ca微合金化易切削高强度胀断连杆具有广阔的市场前景。

申请号201510612936.4公开的一种易切削中碳非调质胀断连杆用钢及其制造方法，是一种易切削中碳非调质胀断连杆用钢，其特点在于其微观组织包括铁素体+珠光体，以及第二相粒子VN；所述钢种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%其余为Fe及其他不可避免的杂质。该钢种为一种中碳含钒非调质钢，用于制作胀断连杆，该钢种添加了元素S、P等元素，使钢材中生成复合类型的夹杂改善材料的切削性能；同时降低材料塑性变形性能，便于连杆胀断加工，又不明显影响材料的强度及疲劳寿命。但是，夹杂物类型、大小、形貌控制不良，使得材料得不到较好的综合性能。

申请号 201610396333.X公开的36MnVS4胀断连杆用钢制造方法，所述钢种通过控制P含量在0.020～0.030%提高胀断性能，同时控制残余元素Cr在0.10～0.15%，碳当量控制在1.18～1.27%，已提高材料性能，但是该钢种合金元素偏低，力学性能相对较低，为满足零件设计的性能要求需使用规格更大的材料，不利于发动机轻量化要求。

申请号200880118575.6公开的裂解连杆用钢，所述钢种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，其余为Fe及其他不可避免的杂质。该钢种的切削性有所改善，但仍难解决切削性和裂解性并立的困难，而且为了提高切削性该钢种适当减少了合金添加量，导致了材料强度的下降。且此钢种添加较高含量的Ti元素，使得钢中生成较大量的有害含Ti夹杂物，使得材料的疲劳性能显著降低。

综上，为了适应经济环保及驾驶舒适性的发动机连杆的生产需要，能够生产出一种易切削、高强度、易胀断，成分简单、工艺简单、生产高效的连杆用钢是本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢，该钢材具有较高的屈服强度、抗拉强度及较高的疲劳性能。另外，本发明所述的易切削中碳非调质胀断连杆用钢切削加工性良好，且具有良好的脆性胀断性能。

本发明另一目的是提供一种Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢的制造方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢，该钢材的化学成分按质量百分比计为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%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素，S/Ca：≥15。

本发明钢材力学性能满足：屈服强度为550～650 MPa，抗拉强度为800 ～950MPa，延伸率≤20%，常温冲击功AKv≤23J。

本发明所述的Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢，综合改善材料的强度、切削加工性、胀断性三个特性。通常为了提高材料的切削性需考虑减少合金元素，适当降低材料硬度，但减少合金成分，又将提高钢材塑性，不利于连杆的胀断，两者处于此消彼长的关系，很难并立。本发明目的是在确保材料强度满足要求的情况下综合协调材料的切削加工性及胀断性。研究发现，通过添加Ca元素并控制其微合金化，形成特定的夹杂物，既能提高材料的切削加工性，又不降低材料的胀断性。

本发明钢材的各元素设计原理如下：

Ca：0.0005～0.0080%。本发明的Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢，Ca作为合金元素添加到钢材中，意在综合调和钢材的切削加工性及胀断性能，又不明显影响钢材的强度和疲劳性能。经试验表明，在该钢种添加Ca，能够综合改变钢材中夹杂物的组份、尺寸、形貌，有利于提高钢材切削性能。同时，Ca的添入可脆化钢材的晶界强度，极大提高钢材的裂解性能。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材Ca含量范围设定为0.0005～0.0080%。

S/Ca：≥15。试验表明，若钢材中Ca的含量过高，会导致材料中产生影响材料强度及疲劳性能的夹杂物，所以通过控制S/Ca≥15来抵消因添加Ca引起的材料强度及疲劳性能的降低。本发明中的钢材S/Ca设定为≥15。

S：0.02～0.15%。S是易切削元素。当钢中含有一定量的Mn时，易形成MnS或者含MnS的复合夹杂物，从而提高切削材料切削性能，同时在材料胀断时，起到切口效应，从而提高材料的胀断性。但含硫夹杂物通常熔点较低，S含量过高，材料会发生热脆效应及增加脱碳的倾向。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材S含量范围设定为0.02～0.15%。

P：0.02～0.15%。P在铸造凝固时会有较严重的微观偏析倾向，随后在加热时在晶界聚集，增加钢材脆性，特别是冷脆性能。一般的钢材需尽可能地降低P含量，但在本发明的钢材中，有意添加一定量的P元素来增加钢材脆性，并使钢中的铁素体溶有一定含量的P，使得材料中铁素体的塑性大大降低，从而提高材料的胀断性。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材P含量范围设定为0.02～0.15%。

N：0.002～0.035%。N在钢中与V、Al等元素形成化合物，起到强化及细化晶粒的作用。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材N含量范围设定为0.002～0.035%。

Al：0.002～0.080%。Al作为脱氧有效元素，通过与N结合形成的AlN可有效地防止奥氏体晶粒粗化，起到防止晶粒长大的作用。但Al含量过高，易形成的Al2O3尖晶石类、AlN类属于硬脆的夹杂物，呈多边形、球形特征，从而恶化材料的性能，特别是疲劳性能。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材Al含量范围设定为0.002～0.080%。

Ti：≤0.02%。Ti在钢中虽能起到细化晶粒的作用，但易形成影响材料强度及疲劳的夹杂物，本发明中的钢材Ti含量范围设定为≤0.02%。

为了满足材料的强度等综合性能，钢材又添入如下主要合金元素。

C：0.25～0.60%。C是用于确保强度以及用于提高胀断性所需的重要合金元素，特别在提高材料强度方面，是一种非常有效又经济的添加元素。将C含量的下限设定为0.25%。C含量优选为0.28%以上，更优选为0.30%以上。但C含量太高，将降低材料的切削性能，将C含量上限设定为0.60%，C含量优选为0.55%以下，更优选为0.50%以下。

Si：0.10～1.20%。Si在炼钢时作为脱氧元素，同时Si在钢中有较强的固溶强化作用，能够显著地提高钢的强度，同时降低钢的塑性和韧性。Si能够促进元素P、S的晶界偏聚，使得晶界适当脆化，有利于钢材的脆性胀断。若Si含量过高，则会恶化棒材的热成型性，影响钢材锻成连杆毛坯的表面质量。因此，本发明中的钢材Si含量范围设定为0.10～1.20%。

Mn：0.40～1.50%。Mn作为脱氧剂作用的元素，通过固溶强化提高钢材的强度，添加一定量的Mn对确保材料的力学性能非常重要。此外Mn将钢中的S等结合形成硫化物系夹杂物，在胀断时发挥切口效应，使胀断性提高。Mn需要控制在0.40%以上；另一方面Mn是容易偏析元素，对钢的过热敏感，Mn含量过高，易生成贝氏体组织，切削性及胀断性均会降低。综上，本发明中的钢材Mn含量范围设定为0.40～1.50%。

Cr：0.05～0.50%。Cr元素增加淬透性，并且细化珠光体的片层间距，有利于提高细片状珠光体组织的形成比例及显微组织的均匀性，从而有效提高材料的强度及疲劳等性能。本发明中的钢材Cr含量范围设定为0.05～0.50%。

V：0.03～0.55%。V能在钢中形成碳化物及氮化物，在钢中起到弥散强化的作用，而且V能一定程度上提高材料的胀断性能。但V含量过多，会降低材料切削性能，同时增加钢材生产成本。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材V含量范围设定为0.03～0.55%。

本发明所得钢材的金相组织为铁素体+珠光体。

本发明的另一目的在于提供上述Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢的制造方法，主要包括如下具体流程：

冶炼、连铸、坯料加热、热轧（含火焰清理）、冷却，

冶炼符合钢材化学成分的钢水，炼钢采用高性能精炼合成渣，控制钢材各类夹杂物的数量及形态，同时去除有害夹杂，特别是外来大颗粒夹杂物；钢包保持长时间的夹杂物去除过程，使非金属夹杂物充分上浮，保证外来大颗粒夹杂物的去除；选择专用的精炼渣和中间包保护渣更好地吸附夹杂物；连铸采用矩形坯，解决表面质量问题，均质化问题，夹杂物数量得到有效控制。连铸采用先进的末端电磁搅拌、轻压下先进装备工序，控制材料的晶界偏析。同时，为了保证铸坯内部质量，浇注时过热度控制在10～40℃。

在步进式加热炉中将坯料加热，预热段温度控制在760～860℃，第一加热段温度控制在960～1060℃，第二加热段温度控制在1050～1200℃，均热段温度控制在1080～1250℃，为坯料充分均匀受热，总加热时间2.5小时及以上。

高压水除鳞后进行单相区轧制：开轧温度为980～1100℃。因为钢材中添加了较高含量的S、P等元素，钢材表面裂纹敏感性强，所以开轧前先经火焰清理，利用高压氧气流“熔削”坯料表层金属，“熔削”深度为0.5～4mm，去除坯料表面裂纹、凹坑、脱碳等表面缺陷，确保轧材表面质量；然后采用12架二辊轧机+5架KOCKS三辊轧机轧制，单道次最大压下量控制在25～30mm之间；轧制时采用控冷，控制终轧温度在800～900℃；

轧制结束后，实行快速冷却，平均冷速控制在40～80℃/min，以减轻轧材的带状组织，终冷温度为300～480℃，终冷之后材料可自由冷却至室温。

本发明所述的Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢的制造方法通过控制冶炼、低温浇注、高温加热轧制、高温终轧及合理冷却，使钢材获得铁素体+珠光体的金相组织。按上述制造过程生产出的钢材，组织中的S系夹杂物确保钢材具有良好的切削性，而在晶界处弥散分布的细小含Ca的复合夹杂物，则非常有利于连杆的胀断。本申请的钢材同时具有高强度、切削加工性、胀断性三个特性。

附图说明：

图1为本发明实施例1中Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢的微观组织图。

图2为本发明实施例1中Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢有利于提高切削性的S系夹杂物图片。

图3为本发明实施例1中Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢晶界中含Ca复合夹杂物。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢及其制造方法作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-3

按下面工序制造本发明实施例1-3中Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢：

1）冶炼：100吨炼钢炉冶炼后进行炉外精炼，钢液再经真空脱气处理，各化学元素质量百分比严格按要求控制。

2）连铸：连铸成200mm×200mm的方坯，控制中间包过热度为10～40℃。为控制材料的偏析，连铸时则采用先进的末端电磁搅拌、连铸轻压下先进装备及工艺。所得连铸坯化学成分百分比见下表1所示：

表1.（wt.%,余量为Fe及其他不可避免的杂质元素）

3）加热：坯料在步进式加热炉中加热，包括预热段、第一加热段、第二加热段、均热段，其中预热段温度控制在760～860℃，第一加热段温度控制在960～1060℃，第二加热段温度控制在1050～1200℃，均热段温度控制在1080～1250℃，总加热时间2.5小时以上。

4）热轧：开轧温度为980～1100℃，终轧温度为800～900℃，单相区内轧制, 单道次最大压下量控制在25～30mm之间。

5）冷却：热轧后快速冷却，平均冷速控制在40～80℃/min，终冷温度为300～480℃，然后空冷至室温。

上述各实施例中的Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢的制造方法具体工艺参数如下表2所示：

表2.（加热、热轧、冷却的具体工艺参数）

对实施例1-3中的Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢进行相关测试，测得的力学性能如下表3所示：

表3

从表3中可见，实施例中的力学性能完全满足设计要求，说明连杆具有较高的强度。另外实施例中的Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢延伸率≤17%，常温冲击功≤25AKv，说明实施例中钢材塑性低，大大有利于连杆的胀断，获得一种具备高强度、良好的切削加工性、良好的胀断性综合性能优良的胀断连杆用钢。

图1显示了实施例1中的Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢的微观组织。从图1可知，该连杆用钢的微观组织为铁素体+珠光体。

需要指出的是，以上例举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，而是根据需要有许多类似的变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢，其特征在于：该钢材的化学成分按质量百分比计为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%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素，S/Ca：≥15。

2.根据权利要求1所述的Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用钢，其特征在于：钢材屈服强度为550～650 MPa，抗拉强度为800 ～950MPa，延伸率≤20%，常温冲击功AKv≤23J。

3.如权利要求1或2所述的Ca微合金化易切削高强度胀断连杆用的制造方法，步骤如下：（1）冶炼→（2）连铸→（3）加热→（4）热轧→（5）冷却，

冶炼符合钢材化学成分的钢水，炼钢采用高性能精炼合成渣，控制钢材各类夹杂物的数量及形态，同时去除有害夹杂，特别是外来大颗粒夹杂物；钢包保持长时间的夹杂物去除过程让非金属夹杂物充分上浮，保证外来大颗粒夹杂物的去除；选择专用的精炼渣和中间包保护渣更好地吸附夹杂物；连铸采用矩形坯，解决表面质量问题，均质化问题，让夹杂物数量得到有效控制；

连铸采用先进的末端电磁搅拌、轻压下先进装备工序，控制材料的晶界偏析，浇注过热度控制在10～40℃；

在步进式加热炉中将坯料加热，预热段温度控制在760～860℃，第一加热段温度控制在960～1060℃，第二加热段温度控制在1050～1200℃，均热段温度控制在1080～1250℃，为坯料充分均匀受热，总加热时间2.5小时及以上；

高压水除鳞后进行单相区轧制：开轧温度为980～1100℃，开轧前先经火焰清理，利用高压氧气流“熔削”坯料表层金属，“熔削”深度为0.5～4mm，去除坯料表面裂纹、凹坑、脱碳等表面缺陷，确保轧材表面质量；然后采用12架二辊轧机+5架KOCKS三辊轧机轧制，单道次最大压下量控制在25～30mm之间；轧制时采用控冷，控制终轧温度在800～900℃；

轧制结束后，快速冷却，实行快速冷却，平均冷速控制在40～80℃/min，以减轻轧材的带状组织，终冷温度为300～480℃，终冷之后材料可自由冷却至室温。

4.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述终冷温度为350～480℃。