文/鐘勇,胡紅衛(wèi),李新平·南昌齒輪鍛造廠
微合金非調(diào)質(zhì)鋼在連桿鍛造中的應(yīng)用
文/鐘勇,胡紅衛(wèi),李新平·南昌齒輪鍛造廠
鐘勇,質(zhì)管部技術(shù)工程師,主要從事原材料檢測、故障檢測、失效分析、熱處理工藝制定及非調(diào)質(zhì)鋼控冷設(shè)備的設(shè)計與工藝制定等工作。
目前我廠連桿、控制臂、曲軸等汽車零部件使用的原材料都是微合金非調(diào)質(zhì)鋼,非調(diào)質(zhì)鋼,顧名思義就是不需要調(diào)質(zhì)處理卻可以達(dá)到調(diào)質(zhì)作用的鋼,故非調(diào)質(zhì)鋼又稱為熱處理省略鋼。非調(diào)質(zhì)鋼之所以能達(dá)到調(diào)質(zhì)鋼的作用,是因為在中低碳鋼中加入了強(qiáng)碳化物形成元素,如V、Nb、Ti等元素,利用鍛造過程中的高溫形變及隨后的冷卻,控制微合金化合物的析出及產(chǎn)生晶粒細(xì)化作用,從而使鋼強(qiáng)化。非調(diào)質(zhì)鋼是伴隨國際上能源短缺而發(fā)展起來的一種高效節(jié)能鋼,與調(diào)質(zhì)鋼相比具有簡化生產(chǎn)工藝流程、提高材料利用率、降低能耗和制造成本(25%~28%)的優(yōu)點。非調(diào)質(zhì)鋼在汽車行業(yè)的應(yīng)用已日趨廣泛,據(jù)不完全統(tǒng)計,目前我國非調(diào)質(zhì)鋼的年用量在10~15萬噸,其中汽車行業(yè)的年用量就達(dá)5~8萬噸。非調(diào)質(zhì)鋼已先后經(jīng)歷了鐵素體—珠光體型、貝氏體型、馬氏體型等3個階段的發(fā)展,目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的是鐵素體—珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼。鐵素體—珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼現(xiàn)廣泛應(yīng)用在我廠連桿、控制臂、曲軸等汽車零部件的生產(chǎn)中。現(xiàn)我廠已經(jīng)基本掌握了鐵素體—珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼的鍛造成形工藝,能較好地生產(chǎn)鍛件成品,而且對其鍛后控冷制度的制定也有較豐富的實踐經(jīng)驗,可達(dá)到國內(nèi)外汽車廠家技術(shù)規(guī)定的組織和性能要求。本文就我廠近年來非調(diào)質(zhì)鋼在連桿鍛造中的生產(chǎn)經(jīng)驗和技術(shù)成果以及生產(chǎn)中產(chǎn)生的一些技術(shù)問題做個探討,為國內(nèi)非調(diào)質(zhì)鋼在連桿鍛造中的廣泛應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。
連桿是發(fā)動機(jī)的重要零件,它的作用是連接活塞和曲軸,使活塞的往復(fù)運動變換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動,受到拉伸、壓縮和彎曲應(yīng)力及交互疲勞載荷的作用,由于其工作環(huán)境較為苛刻,故對其強(qiáng)度和韌性具有較高的要求。在我國,應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼最成功的零件是汽車發(fā)動機(jī)連桿,其使用的非調(diào)質(zhì)鋼數(shù)量最多,約占全國非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)總量的一半。例如,上海大眾汽車連桿使用的非調(diào)質(zhì)鋼是30Mn2VS;江鈴汽車連桿使用的非調(diào)質(zhì)鋼是35MnVS;天津大發(fā)TJ370Q、TJ376Q發(fā)動機(jī)連桿使用的非調(diào)質(zhì)鋼是進(jìn)口的S43CVS1;廣州標(biāo)致汽車連桿使用的非調(diào)質(zhì)鋼是從法國進(jìn)口的45M5UA2。
我廠為江鈴汽車提供非調(diào)質(zhì)鋼連桿鍛件成品,使用的非調(diào)質(zhì)鋼是35MnVS。我廠35MnVS非調(diào)質(zhì)鋼連桿鍛件的生產(chǎn)技術(shù)成熟,經(jīng)驗豐富,鍛件質(zhì)量穩(wěn)定,性能優(yōu)良,得到了客戶的好評。
如圖1所示是我廠生產(chǎn)的35MnVS非調(diào)質(zhì)鋼連桿及連桿蓋。
圖1 我廠生產(chǎn)的35MnVS非調(diào)質(zhì)鋼連桿及連桿蓋
連桿的鍛造工藝流程具體為:
下料→中頻加熱→輥鍛→制坯→預(yù)鍛→終鍛→切邊→風(fēng)冷→拋丸。
連桿蓋的鍛造工藝流程具體為:
下料→中頻加熱→預(yù)鍛→終鍛→切邊→風(fēng)冷→拋丸。
鋼材化學(xué)成分的影響
我廠連桿用非調(diào)質(zhì)鋼35MnVS的化學(xué)成分見表1,此批連桿用35MnVS鋼有爐號97CC5385和爐號97CC5386兩種。
從表1可以看出,此兩種爐號的原材料均符合我廠對原材料的技術(shù)要求。但是鍛件在鍛打并用風(fēng)機(jī)風(fēng)冷后,我們檢測其金相組織時發(fā)現(xiàn):在所處的外界環(huán)境都相同的情況下,爐號97CC5385鋼鍛造的連桿只能在不超過500r/min的風(fēng)速下進(jìn)行風(fēng)冷,風(fēng)速大于500r/min時,金相組織出現(xiàn)大量異常,鍛件的硬度也偏低;而爐號97CC5386鋼鍛造的連桿則可以用800r/min的風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)冷,金相組織、鍛件的硬度也都符合要求。究其原因,可能和鋼鐵原材料微合金元素的控制有關(guān)。從表1中可以看出,爐號97CC5385鋼比爐號97CC5386鋼的V含量低,在鍛后冷卻過程中,V的碳化物彌散析出,一方面可以阻礙奧氏體的再結(jié)晶過程,細(xì)化晶粒;另一方面也可增加材料基體強(qiáng)度。爐號97CC5385鋼在這兩方面的作用較弱,晶粒相對粗大,冷速較快時,易產(chǎn)生魏氏組織,同時,碳化釩彌散析出物較少,硬度相對較低。此外,也可能受其他未能檢測到的微量元素Cr、Mo、Ni等的影響。故我廠跟鋼鐵生產(chǎn)廠家進(jìn)行溝通,希望他們嚴(yán)格控制鋼材的微合金元素含量。由于微合金非調(diào)質(zhì)鋼含有很多種微合金元素,部分檢測不到,故需要鋼廠在煉鋼過程中嚴(yán)格控制每個流程,盡量減少不同爐號的成分誤差,使其成分含量相同。
如圖2所示是我廠非調(diào)質(zhì)鋼35MnVS連桿鍛后控冷線。
圖2 非調(diào)質(zhì)鋼35MnVS連桿鍛后控冷線
表1 35MnVS鋼的化學(xué)成分
加熱溫度的影響
提高鍛造加熱溫度,即提高奧氏體化溫度,可使V、Ti的固溶量增大,V、Ti的碳氮化物逐漸溶入奧氏體中,大量溶解的微合金碳氮化物在冷卻過程中彌散析出,可提高鋼的強(qiáng)度和硬度;但另一方面,溫度升高,奧氏體晶粒長大,組織粗化,韌性下降。
連桿下料直徑為φ50mm,連桿蓋為φ38mm,有效厚度比較小,內(nèi)外容易達(dá)到鍛造溫度并且均勻,此外由于鍛件比較小,金屬容易充滿模具型腔,故加熱溫度不需要太高,設(shè)置加熱溫度不超過1200℃。如果超過此溫度,奧氏體晶粒迅速長大,會導(dǎo)致風(fēng)冷后晶粒度不合格,強(qiáng)度和硬度降低,韌性下降。
形變的影響
連桿蓋在初期試制的過程中,其鍛造工藝中包括輥鍛這道工序,但是最終的鍛件金相組織不合格,后來刪掉該工序,直接進(jìn)行預(yù)鍛工序,卻發(fā)現(xiàn)鍛件最終金相組織符合要求。這可能是由于鍛造工序較多時,每個鍛造工序的形變量相對較小所導(dǎo)致的。特別是輥鍛時中間停留時間較長,而且在高溫下鍛造時,形變量太小,晶?;兡苄〉牟牧先菀装l(fā)生再結(jié)晶,奧氏體晶粒容易粗化,完全恢復(fù)了初始的等軸晶粒狀態(tài)。在隨后的鍛造過程中,變形量可能沒有達(dá)到合理的技術(shù)要求范圍,導(dǎo)致形變奧氏體晶粒粗大,先共析鐵素體呈網(wǎng)狀析出,組織分布不均勻。
冷卻速度的影響
在非調(diào)質(zhì)鋼的鍛后風(fēng)冷過程中,風(fēng)冷速度對于組織的轉(zhuǎn)變有決定性的影響作用,在一定程度上,冷卻速度的控制是對鋼鐵材料最終組織性能影響最大、最明顯的一個環(huán)節(jié),其決定了鐵素體和珠光體的分配情況、形態(tài),鐵素體晶粒度的大小,珠光體的片層間距等。如圖3所示是通過相變儀測定得出的35MnVS鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。
由圖3可以看到,不同的冷卻速度,得到的組織是不同的。冷卻速度不超過3℃/s時,組織為鐵素體+珠光體;冷卻速度在7~17℃/s范圍內(nèi)時,組織為鐵素體+珠光體+貝氏體+馬氏體;冷卻速度大于23℃/s時,全部生成馬氏體。
圖3 35MnVS鋼不同冷卻速度的組織轉(zhuǎn)變圖
我廠某35MnVS連桿鍛件風(fēng)冷后的金相組織如圖4所示。
圖4 35MnVS連桿鍛件風(fēng)冷后的金相組織
由圖4可以看出,35MnVS連桿鍛件風(fēng)冷后產(chǎn)生了大量的貝氏體組織,這是由于風(fēng)量開得太大、吹風(fēng)時間過長而導(dǎo)致冷卻速度過快造成的。
生產(chǎn)實踐中也發(fā)現(xiàn),當(dāng)冷卻速度過慢,低于40℃/min時,鍛件的硬度往往達(dá)不到要求。由于這時屬于緩慢冷卻,相變過冷度較小,所以就會使得先共析鐵素體形核率減小,先共析鐵素體在晶界處析出充分,且先共析鐵素體晶粒尺寸大,鐵素體含量也較高,珠光體含量相對減少。此外,由于冷卻速度小,高溫停留時間長,故V的碳化物容易聚集長大,起不到彌散強(qiáng)化的作用,這都將會導(dǎo)致鍛件的硬度降低。
圖5 35MnVS連桿在較合理的冷卻速度下的金相組織
如圖5所示是35MnVS連桿在80~180℃/min冷卻速度范圍內(nèi)的金相組織,由圖5可以看出,將冷卻速度控制在80~180℃/min,會獲得比較理想的珠光體+鐵素體組織。由于此冷卻速度較大,故先共析鐵素體晶粒變得細(xì)小,且鐵素體含量也會下降,珠光體含量會增加,但珠光體團(tuán)直徑變化不大。同時,由于過冷度較大,故V的碳化物形核率也較高,容易較均勻地彌散析出,可以起到彌散強(qiáng)化的作用。因此鍛件硬度較高,可以達(dá)到技術(shù)要求規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。
除連桿及連桿蓋外,我廠的控制臂、曲軸等汽車零部件也采用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)。在最初的生產(chǎn)過程中,出現(xiàn)了許多技術(shù)問題,如產(chǎn)生異常組織、晶粒粗大、強(qiáng)度和硬度偏高、韌性低、硬度不均勻等。針對這些出現(xiàn)的問題,我們不斷摸索和開發(fā)新工藝,例如鍛造加熱溫度、保溫時間的合理控制,控冷線的結(jié)構(gòu)設(shè)計及冷速、保溫合理化等。通過對生產(chǎn)線工藝流程的嚴(yán)格控制和反復(fù)試驗,得出了我廠連桿及連桿蓋、控制臂、曲軸等非調(diào)質(zhì)鋼汽車零部件,以及符合我廠具體環(huán)境條件情況的工藝參數(shù)和生產(chǎn)規(guī)律?,F(xiàn)在這些零部件的鍛造工藝及控冷的實施效果等都比較良好,基本上能滿足生產(chǎn)的要求。