適合性能差異化控制的高強(qiáng)度非調(diào)質(zhì)鋼及鍛件制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于合金鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種適合性能差異化控制的高強(qiáng)度非 調(diào)質(zhì)鋼及鍛件制造方法，具有性能可調(diào)控、高強(qiáng)度和優(yōu)異疲勞性能，適用于制作抗拉強(qiáng)度 950MPa級(jí)W上的高性能連桿等鍛件。
【背景技術(shù)】
[0002] 在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)鍛件中不同部位性能要求不同的情況較多。例如，對于連桿的 大頭和小頭部位，需要進(jìn)行較多的切削加工，要求強(qiáng)度和硬度不能超過一定值，W滿足切削 等加工性的要求；而工字筋部位加工量很少，且尺寸小，為連桿薄弱部位，則要求該部位的 強(qiáng)度、硬度和初性盡可能高，W獲得優(yōu)異的疲勞性能等服役性能，從而保證連桿的使用安全 性、輕量化及能夠承受更高的設(shè)計(jì)應(yīng)力。然而，受材料設(shè)計(jì)及加工能力的限制，連桿等零件 選材通常W首先保證危險(xiǎn)截面的使用性能為基礎(chǔ)，鍛件所有部位的性能盡可能均一化。該 方法在一定程度上保證了零件在使用過程中的安全性和穩(wěn)定性，但卻因強(qiáng)度和硬度過高會(huì) 導(dǎo)致連桿大頭和小頭的切削加工難題，從而極大地限制了連桿強(qiáng)度水平的進(jìn)一步提高。盡 管進(jìn)一步提高鋼中的硫含量有助于改善切削加工性，但過高硫含量會(huì)帶來冶煉、夾雜物控 審IJ、初性惡化等一系列難題。因此，目前的連桿技術(shù)存在高強(qiáng)度化與低加工性的矛盾，其強(qiáng) 度水平基本控制在900MPa級(jí)W下，無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步減量化、高性能化和使用安全性 的需求。此外，現(xiàn)有技術(shù)非調(diào)質(zhì)鋼的微合金化元素含量低，盡管采用差異化控制冷卻技術(shù)可 獲得一定程度的性能調(diào)控，但其調(diào)控幅度有限，難W滿足更高性能連桿等鍛件的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種適合性能差異化控制的高強(qiáng)度非調(diào)質(zhì)鋼及鍛件制造 方法，性能可差異化調(diào)控的、具有高強(qiáng)度和優(yōu)異疲勞性能，可用來制作抗拉強(qiáng)度950MPa級(jí) W上的高性能連桿。
[0004] 本發(fā)明鋼的具體化學(xué)成分（重量％ )如下：C0. 35~0. 50%，Si0. 50~ 0. 80%，Mn0.90~1.30%,P《0.035%，S0.04 ~0.08%,Cr0. 10~0.30%,V0.20~ 0. 40%，佩 0.01 ~0.10%,Ti0.03 ~0.15%，Al《0.030%，N0.008 ~0.020%，RE 0. 005~0. 04%，余為化和其它不可避免的雜質(zhì)；此外，V、Nb、Ti含量還需滿足強(qiáng)化參數(shù)關(guān) 系式：0. 90%《3V(% )+2Ti(% )+佩（％ )《1. 20%。 陽0化]本發(fā)明所仍W應(yīng)用范圍最廣、應(yīng)用量占主導(dǎo)地位的鐵素體+珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼為 基礎(chǔ)。然而，對于傳統(tǒng)的鐵素體+珠光體組織，由于軟相鐵素體的硬度偏低，如其含量過高 則無法保證獲得高的強(qiáng)度水平；通過提高高硬度的珠光體相的含量（如提高鋼中碳含量和 增加鍛后冷卻速度）盡管可獲得高的強(qiáng)度水平，但珠光體組織的初性和切削性差。對此， 本發(fā)明通過優(yōu)化鋼材的化學(xué)成分，并在鍛造及鍛后冷卻過程中采取措施控制微合金化元素 碳氮化物M(C，腳的析出程度及鐵素體相的硬度、含量和尺寸等，從而實(shí)現(xiàn)性能的差異化調(diào) 控，具有技術(shù)措施包括：（1)優(yōu)化鋼中微合金化元素V、佩、Ti含量，其中V含量從傳統(tǒng)非調(diào) 質(zhì)鋼的《0. 15%提高到> 0. 20%，且0. 90%《3V(% )+2Ti(% )+佩（％ )《1. 20%，從而 有利于在鍛造及鍛后冷卻過程中通過控制微合金元素碳氮化物相M(C，腳的析出強(qiáng)化效果 而實(shí)現(xiàn)性能的差異化調(diào)控。（2)提高鋼中N元素含量，W促進(jìn)微合金元素碳氮化物的析出； (3)增加鋼中Si元素含量，使鐵素體相進(jìn)一步固溶強(qiáng)化；(4)優(yōu)化鍛造及鍛后冷卻工藝，即 將終鍛溫度控制在1050~950°C，鍛后進(jìn)行差異化控制冷卻（強(qiáng)化部位的冷速為100~ 150°C/min,而其它部位的冷速40~90°C/min)到550~500°C落入料箱堆冷（緩冷）到 室溫。
[0006] 各元素的作用及配比依據(jù)如下：
[0007] C:C元素是獲得連桿鍛造后所需強(qiáng)度水平的廉價(jià)元素，對此，C含量須在0. 35%W 上。但C含量過高將對鋼的疲勞性能、切削加工性能等帶來不利的影響。因此，C含量應(yīng)控 制在0. 50%W下。
[0008] Si:Si元素在鋼中通常起脫氧劑作用，其含量通常不超過0.37%。鑒于Si在鋼中 不形成碳化物，而是W固溶體的形式存在于鐵素體中，即具有顯著的固溶強(qiáng)化鐵素體的作 用。對此，Si元素含量需在0. 50%W上，但過高的Si含量將惡化鋼的熱加工性和鍛件表面 質(zhì)量，因而控制其含量不超過0. 80%。
[0009] Μη:Mn元素除起脫氧劑作用外，還具有顯著的固溶強(qiáng)化作用。此外，Μη與S形 成MnS夾雜，提高鋼的切削加工性。但Μη含量超過1. 30%時(shí)鋼中易生成粗大的貝氏體組 織，顯著惡化鋼的疲勞性能，且偏析嚴(yán)重，增加冶煉難度和成本，因而控制其含量在0. 90~ 1. 30%。
[0010] Ρ:ρ元素能在鋼液凝固時(shí)形成微觀偏析，隨后在高溫加熱時(shí)偏聚在晶界，使鋼的 脆性顯著增大。所W控制Ρ的含量在0.035%?下。
[0011] S:S與Μη形成細(xì)小、分散分布MnS而改善鋼的切削加工性。S含量過高將惡化鋼 的熱加工性，因而控制S含量在0. 04~0. 08%。
[0012] 化：化元素為確保獲得所需強(qiáng)度的必要元素，但含量過高會(huì)惡化鋼的切削加工性 和增加成本，因而控制其含量在0. 10~0. 30%。
[0013] V:V元素的碳氮化物具有較強(qiáng)的析出強(qiáng)化作用，除可進(jìn)一步提高軟相鐵素體的 強(qiáng)度外，還可明顯提高鋼的疲勞性能。V含量小于0.20%難W起到上述作用，但含量超過 0. 40%則作用飽和，且增加鋼的成本。因此控制其含量在0. 20~0. 40%。
[0014]Ti:Ti優(yōu)先與鋼中N結(jié)合生成TiN而抑制晶粒粗化，有利于獲得細(xì)小的組織；在控 冷過程中析出細(xì)小的TiC可起析出強(qiáng)化的作用。因而控制其含量在0. 03~0. 15%。
[0015]Nb:佩元素的作用與Ti類似，其阻止形變奧氏體回復(fù)、再結(jié)晶的作用較Ti強(qiáng)烈。 Nb與V復(fù)合加入有利于獲得良好的強(qiáng)初性配合。因而控制其含量在0. 01~0. 10%。
[0016]A1:與Ti元素一樣，優(yōu)先與鋼中N結(jié)合而生成A1N，有利于細(xì)化晶粒。但考慮到脫 氧作用和實(shí)際冶煉的難度，控制其含量在0. 030%W下。 陽017] N:N在非調(diào)質(zhì)鋼中的作用主要是加強(qiáng)析出強(qiáng)化的效果和細(xì)化晶粒，為此N含量 需在0. 008%W上，但過量的N易在鋼中形成氣泡和疏松，所W其含量應(yīng)控制在0. 008~0. 020%。
[0018]RE:RE具有對非金屬夾雜物變性處理的作用，從而進(jìn)一步改善鋼的切削加工性 能。RE含量小于0. 005%起不到上述作用，但含量超過0. 04%，則由于夾雜