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(cè)、故障檢測(cè)、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(jì)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?yàn)樵谥械吞间撝屑尤肓藦?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(jiǎn)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(diǎn)。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(jì)，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(gè)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?，F(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(duì)其鍛后控冷制度的制定也有較豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(yàn)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(gè)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)。

連桿用非調(diào)質(zhì)鋼

連桿是發(fā)動(dòng)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(yùn)動(dòng)變換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(duì)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(dòng)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(dòng)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(yàn)豐富，鍛件質(zhì)量穩(wěn)定，性能優(yōu)良，得到了客戶的好評(píng)。

非調(diào)質(zhì)鋼連桿及連桿蓋的鍛造工藝流程

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。

鍛造過程中的影響因素分析

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(hào)97CC5385和爐號(hào)97CC5386兩種。

從表1可以看出，此兩種爐號(hào)的原材料均符合我廠對(duì)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(cè)其金相組織時(shí)發(fā)現(xiàn)：在所處的外界環(huán)境都相同的情況下，爐號(hào)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(shí)，金相組織出現(xiàn)大量異常，鍛件的硬度也偏低；而爐號(hào)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(hào)97CC5385鋼比爐號(hào)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(hào)97CC5385鋼在這兩方面的作用較弱，晶粒相對(duì)粗大，冷速較快時(shí)，易產(chǎn)生魏氏組織，同時(shí)，碳化釩彌散析出物較少，硬度相對(duì)較低。此外，也可能受其他未能檢測(cè)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(cè)不到，故需要鋼廠在煉鋼過程中嚴(yán)格控制每個(gè)流程，盡量減少不同爐號(hào)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(huì)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(shí)，每個(gè)鍛造工序的形變量相對(duì)較小所導(dǎo)致的。特別是輥鍛時(shí)中間停留時(shí)間較長，而且在高溫下鍛造時(shí)，形變量太小，晶粒畸變能小的材料容易發(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(duì)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(duì)鋼鐵材料最終組織性能影響最大、最明顯的一個(gè)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(cè)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(shí)，組織為鐵素體＋珠光體；冷卻速度在7～17℃/s范圍內(nèi)時(shí)，組織為鐵素體＋珠光體＋貝氏體＋馬氏體；冷卻速度大于23℃/s時(shí)，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(shí)間過長而導(dǎo)致冷卻速度過快造成的。

生產(chǎn)實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷卻速度過慢，低于40℃/min時(shí)，鍛件的硬度往往達(dá)不到要求。由于這時(shí)屬于緩慢冷卻，相變過冷度較小，所以就會(huì)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(duì)減少。此外，由于冷卻速度小，高溫停留時(shí)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(huì)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(huì)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(huì)下降，珠光體含量會(huì)增加，但珠光體團(tuán)直徑變化不大。同時(shí)，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)。

結(jié)束語

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(duì)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(shí)間的合理控制，控冷線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及冷速、保溫合理化等。通過對(duì)生產(chǎn)線工藝流程的嚴(yán)格控制和反復(fù)試驗(yàn)，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(shí)施效果等都比較良好，基本上能滿足生產(chǎn)的要求。