裂解連桿用V-Ti-N微合金鋼的開發(fā)及組織與性能研究.pdf

1、發(fā)動機連桿裂解加工技術是目前國際上連桿生產的最新技術,有著傳統(tǒng)連桿加工方法無可比擬的優(yōu)越性。其對裂解連桿材料要求具有高強度來減輕發(fā)動機連桿重量和提高疲勞性能,合適的脆性和較小塑性變形來減少裂解加工過程中的變形量,同時裂解連桿材料還需具備良好的切削加工性能來提高刀具壽命,改善連桿表面質量,節(jié)約加工成本。在我國,對汽車連桿裂解技術的研究剛剛起步,而裂解連桿材料也還是以引進為主。因此,開發(fā)出具有良好性能的汽車發(fā)動機裂解連桿用鋼成為國內汽車用鋼

2、開發(fā)的熱點之一。
　　本文以裂解連桿用鋼為研究對象,研究了微合金化元素V、Ti、N含量對中碳微合金鋼組織和性能的影響,開發(fā)了用于裂解連桿的中碳V-Ti-N微合金鋼。通過精煉工藝研究了脫氧工藝和精煉渣組成對V-Ti-N微合金鋼的夾雜物組成、形態(tài)及分布的影響。采用熱膨脹法測試了V-Ti-N微合金鋼的奧氏體連續(xù)冷卻轉變曲線(CCT曲線),基于CCT曲線研究了軋后冷卻速度和鍛造溫度對V-Ti-N微合金鋼組織和性能的影響,在此基礎上,對比研

3、究了V-Ti-N微合金鋼、C70S6BY和42CrMo三種汽車發(fā)動機連桿用鋼的疲勞性能,探討其疲勞裂紋形成機理,取得如下研究結果:
　　開發(fā)了一種裂解連桿用V-Ti-N微合金鋼,其化學成分為(wt％):C0.35～0.40, Si0.50～0.70,Mn0.90～1.20,S0.040～0.070,V0.20～0.30,Ti0.010～0.020,N0.0100～0.0150。該微合金鋼的強化機制是,V、N等微合金元素在軋制冷卻過

4、程中析出彌散分布的V(C,N)強化相;而適量的Ti在鋼中形成彌散分布的TiN相阻止熱加工過程中奧氏體晶粒的過分長大,細化了微合金鋼的組織。
　　對V-Ti-N微合金鋼的精煉工藝研究發(fā)現,在精煉過程中,采用Si-Mn脫氧和精煉渣擴散脫氧,減少鋼中Al脫氧數量,有利于鋼水的澆注性能和減少鋼中AlN夾雜物。LF精煉工藝采用前期高堿度白渣、后期低堿度渣,其鋼中氧含量能降低到0.0016％,硫的回收率達75％。通過鋼包鈣處理,可以將長條狀M

5、nS夾雜轉變?yōu)榍驙顝秃蠆A雜。
　　應用FORMASTOR-F熱膨脹試驗儀對V-Ti-N微合金鋼的奧氏體連續(xù)冷卻轉變進行研究。結果表明,隨著冷卻速度的增大,相變時間變短,相變開始點和結束點均呈下降趨勢,而晶粒逐漸細化。在0.1～5.0℃/s的冷卻速度下,首先發(fā)生γ→α+P轉變,最終產物是鐵素體和珠光體兩相組織;在5.0～30.0℃/s的冷卻速度下,試驗鋼在先共析少量鐵素體后,不發(fā)生珠光體和貝氏體轉變,而發(fā)生馬氏體轉變,其最終組織為少

6、量鐵素體和馬氏體組織。而在冷卻速度達到50.0℃/s時,會直接發(fā)生γ→M轉變,最終產物為馬氏體組織。同時,隨著冷卻速度的增大,試驗鋼中析出相多而細小,但當冷卻速度增大到一定程度后(≥10.0℃/s),共析相變被抑制,造成析出相數量顯著減少。
　　軋后冷卻速度和鍛造溫度對裂解連桿用V-Ti-N微合金鋼的組織和性能有重要影響。提高軋后冷卻速度和鍛造溫度有利于鋼中珠光體的增加,降低鐵素體晶粒尺寸和珠光體片層間距,增加析出相,提高抗拉強度

7、和屈服強度,在高的冷卻強度下和1200℃鍛造溫度下,其屈服強度和抗拉強度分別達到840MPa、1050MPa,其中析出相對屈服強度的貢獻達到174MPa。沖擊斷口表現出典型的脆性斷口特征,鋼中的硫化物、碳氮化物和氧化物成為斷裂的裂紋源。
　　對比研究了V-Ti-N微合金鋼、C70S6BY、42CrMo三種連桿用鋼的疲勞強度、疲勞斷口形貌和疲勞裂紋形成機理,結果表明,V-Ti-N微合金鋼的中值疲勞強度σ-1約為400MPa,優(yōu)于對比