专利名称：用于连杆的非调质钢及由其制成的连杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于连杆的非调质钢(non-heat treated steel)的改进，更特别地，涉及由非调质钢制成的连杆。将此钢通过热锻成形为机器部件，然后利用冲击力使其断裂并分为两个或多个部分，其后，利用诸如螺栓的紧固件对其进行重新装配以用作连杆。
背景技术：
通常，通过下列步骤制造车辆内燃机中用于连接活塞和曲轴的连杆通过锻造整体成形钢件以具有成品形状；对钢件进行精加工；利用切削加工将钢件分割为帽部分、小端和杆的部分。然而，加工工序的数量和通过切削要损失的部分的存在不可避免地提高了传统连杆的制造成本。
鉴于此，日本专利临时公布No.2002-275578公开了一种制造连杆的方法作为断裂分离方法，其中利用冲击力且不通过精加工对连杆进行分离。断裂分离方法减少了加工工序的数量以及切削造成的损失部分，因而预期具有降低生产成本的优点。
发明内容
然而，上述传统连杆已遇到了问题。在上述断裂分离方法中，通过利用大量C和V高度硬化钢材，赋予钢材断裂分离能力，这将导致与硬度相比条件屈服强度并未提高和切削性能下降的缺点。
因此，本发明的一个目的是提供用于连杆的改进的非调质钢以及由其制成的连杆，其可有效克服用于连杆的传统非调质钢及由其制成的传统连杆中遇到的问题。
本发明另一目的是提供用于连杆的改进的非调质钢以及由其制成的改进的连杆，其钢可确保切削性能和条件屈服强度，并适于断裂分离。
为实现上述目的，本发明的发明人对用于连杆的钢材的主要成分以及添加的合金元素的种类和数量进行了积极研发。结果，发现通过绘出椭圆度和钢材成分及硬度的关系可预测椭圆度，由此可实现本发明。上述椭圆度意指由连杆大端确定的内孔(截面中)与完美圆形的偏离度，并对应于内孔纵向直径与垂直于纵向直径的直径之差(mm)。
本发明的一方面在于用于热锻和用于连杆的非调质钢，其包含按质量百分比计的0.3至0.8％的C；0.1至2.0％的Si；0.5至1.5％的Mn、0.01至0.15％的P、低于或等于1.0％的Cr、低于或等于0.4％的V，低于或等于0.05％的Al、0.005至0.03％的N，以及余量的铁和不可避免的杂质。此非调质钢具有不大于150的E值，该E值由下式计算E＝2804-1549×Ceq-8862×P-23.4×H其中，H为该非调质钢制成的连杆的洛氏硬度值(C标尺)；P为该连杆中磷的含量(％)；Ceq为碳当量值，该Ceq值由下式计算Ceq＝C(％)+0.166Si(％)+0.22Mn(％)+0.25Cr(％)+1.8V(％)本发明的另一方面在于连杆，其包含按质量百分比计的0.3至0.8％的C、0.1至2.0％的Si、0.5至1.5％的Mn、0.01至0.15％的P、低于或等于1.0％的Cr、低于或等于0.4％的V，低于或等于0.05％的Al、0.005至0.03％的N，以及余量的铁和不可避免的杂质。此连杆具有不大于150的E值，该E值由下式计算E＝2804-1549×Ceq-8862×P-23.4×H其中，H为该连杆的洛氏硬度值(C标尺)；P为该连杆中磷的含量(％)，Ceq为碳当量值，该Ceq值由下式计算
Ceq＝C(％)+0.166Si(％)+0.22Mn(％)+0.25Cr(％)+1.8V(％)
图1为锻造形成的连杆材料的形状图示。
图2为示出E值与实测椭圆度值之间相互关系的实验数据图，E值是可用其预测连杆是否具有低于标准值的实测椭圆度值的值；以及图3为示出洛氏硬度(C标尺)和实测椭圆度值之间相互关系的实验数据图。
具体实施例方式
根据本发明，用于热锻和用于连杆的非调质钢包含按质量百分比计的0.3至0.8％的C、0.1至2.0％的Si、0.5至1.5％的Mn、0.01至0.15％的P、低于或等于1.0％的Cr、低于或等于0.4％的V，低于或等于0.05％的Al、0.005至0.03％的N，以及余量的铁和不可避免的杂质。此非调质钢具有不大于150的E值，该E值可由下式计算E＝2804-1549×Ceq-8862×P-23.4×H其中H为该非调质钢制成的连杆的洛氏硬度值(C标尺)；P为该连杆中磷的含量(％)；Ceq为碳当量值，该Ceq值由下式计算Ceq＝C(％)+0.166Si(％)+0.22Mn(％)+0.25Cr(％)+1.8V(％)除了限制根据本发明的连杆的各种合金成分的原因之外，通过对椭圆度(连杆具有的)进行多重回归分析得到的等式此后将进行详细讨论。上述椭圆度意指由连杆大端确定的内孔(截面中)与完美圆形的偏离度，并对应于内孔纵向直径与垂直于纵向直径的直径之差(mm)。此外，还将讨论根据本发明的连杆的一个实施方案。在本说明书中，除非另有说明，所有百分比(％)均为质量比。
C0.3至0.8％碳是一种廉价并有效确保钢硬度和强度的元素。C含量低于0.3％的钢不能获得预期的强度。同时，C含量超过0.8％导致过度的硬度提高而降低钢的切削性能，尽管由此能获得预期的强度。因此，有必要将碳的含量设定在上述范围之内。
Si0.1至2.0％硅是一种可溶于铁素体相而显现强化钢材作用的元素。为了获得足够的断裂分离能力，要求Si的添加量不低于0.1％。然而，大量的添加Si提高热态下的变形阻力，即降低可锻性，因而Si添加量的上限设定为2.0％。
Mn0.5至1.5％锰具有提高热加工性的作用。为了获得足够的热加工性，要求Mn的添加不低于0.5％。此外，锰具有提高硬化度的作用，因而为硬化连杆的目的而添加。然而，过量添加锰导致锻造后产生贝氏体相，即导致过度的硬度提高而降低了切削性能，因而将Mn添加量的上限设定为1.5％。
P0.01至0.15％磷增强铁素体相因而断裂分离时显现抑制变形的作用，因而添加量不低于0.01％。然而，大量添加P将使该作用饱和。此外，随着磷含量的提高，很可能使断裂分离时形成的表面平滑而降低分离后重装时所需的接合性能，因而P添加量的上限设定为0.15％。
Cr低于或等于1.0％铬具有提高锻造后强度并提高硬化度的作用，因而为硬化连杆而添加。然而，大量添加Cr导致锻造后贝氏体相的产生，即导致过度的硬度提高而降低了切削性能，因而Cr添加量的上限设定为1.0％。
V低于或等于0.4％钒与氮和碳反应生成碳氮化物因而提高锻造后的强度，从而显现出提高条件屈服强度的作用。此外，钒的碳氮化物为沉积物，其增强铁素体相以抑制断裂时的变形，因而显现出提高断裂分离能力的作用。然而该作用将随着V添加量的增加而饱和。即，大量添加V导致切削性能的下降并提高成本，因而V添加量的上限设定为0.4％。
Al低于或等于0.05％铝具有形成细小氮化物颗粒以阻止晶粒变粗的作用，因而有时要积极地添加。然而，铝提高延展性，从而增加断裂分离时的变形，其可当添加目的为确保断裂分离能力时导致弊端。因而，Al添加量的上限设定为0.05％。
N0.005至0.03％氮是不可避免的杂质并具有在锻造工艺过程中形成氮化物以防止晶粒变粗的作用。然而，大量添加N导致锻造时形成缺陷。因此，N的添加量设定在从工艺所需的下限0.005％至不形成缺陷的上限0.03％的范围内。
S0.03至0.15％Pb低于或等于0.3％Ca低于或等于0.01％这些元素(S、Pb和Ca)用于提高切削性能。它们可按需要单独或组合添加。
更具体地，硫是具有与锰生成硫化物和提高切削性能作用的元素。为了实现该作用，硫的添加需要不低于0.03％。同时，大量添加S降低热加工性，因而上限设定为0.15％。此外，铅是要添加以提高易切削性能的元素，但添加大量Pb使得难于将铅在钢中均匀分散。团聚的铅导致缺陷，因而Pb添加量的上限设定为0.3％。此外，钙是取代MnS中部分锰以形成溶有钙的MnS的元素，并且以这样的方式提高切削性能的作用在切削时溶有钙的MnS附着于工具，因而为了获得该作用而添加。然而，添加大量钙形成了具有如此高熔点以致阻碍浇铸的CaS，因而，上限设定为0.01％。
洛氏硬度(HRC)24至35在本说明书中，硬度值以洛氏硬度(C标尺)或HRC表示。
根据本发明的连杆由用于连杆的非调质钢制成，此钢具有上述组成。优选连杆的洛氏硬度(HRC)在24至35范围内。
当连杆的洛氏硬度低于C标尺的24时，断裂分离后椭圆度值(或由连杆大端确定的内孔(截面中)与完美圆形的偏离度)增大并超过标准值(1mm)，使得连杆难于确保断裂分离能力。同时，当连杆的洛氏硬度超过35时，降低切削性能并可能增加成形成本。因此，优选连杆的洛氏硬度在上述范围内。
由断裂而形成的椭圆度意指由大端确定的内孔(截面中)与完美圆形的偏离度。椭圆度对断裂分离后所需的重装能力有很大的影响。当连杆椭圆度大时，重装后通过加工去除的部分也大，因而降低了产率。因此，要求连杆的椭圆度不超过标准值。
如图3所见，优选连杆的洛氏硬度不低于24，以使连杆可获得不超过标准值的椭圆度。洛氏硬度不低于24的连杆可确保断裂分离能力。同时，具有洛氏硬度高于35的连杆，其切削性能下降，因而洛氏硬度的上限优选设定为35。
通过碳当量(Ceq)、磷的量、硬度、珠光体和铁素体相中的晶粒尺寸、以及铁素体的面积百分数作为参数，进行多重回归分析，可得到表示连杆中化学组成和结构之间关系的等式，其关系对椭圆度(mm)有大的影响。该等式表示如下E＝2804-1549×Ceq-8862×P-23.4×H≤150......Eq.(E)
其中，H为连杆的洛氏硬度值(HRC)；P为连杆中磷的含量(％)；Ceq为碳当量值，该Ceq值可由下式计算Ceq＝C(％)+0.166Si(％)+0.22Mn(％)+0.25Cr(％)+1.8V(％)更具体地，可根据从Eq.(E)计算的结果预测连杆是否具有不超过标准值的椭圆度。当调整钢的组成使连杆的E值(或Eq.(E)的计算结果)不大于150时，如上述所讨论的，该连杆可确保断裂分离后所需的重装能力。
实施例参考下列实施例及对比例，本发明将更易理解；然而，这些实施例意欲说明本发明而不可理解为限定本发明的范围。
熔融具有如表1所示的化学组成的11种钢(A至K)的每种，然后将其铸成直径为40mm的杆状。其后，将杆状锭坯热锻为连杆形状(图1所示，包括小端S、截面中为I形的部分I和大端M)，因而制成测试件。
此外，热锻时的加工和加热条件对应于连杆实际生产时的条件。另外，为了确定由于冷却条件的变化(表1的备注中示出)对硬度改变的影响，通过调节风机的输出，控制锻造后提供的冷却空气的量。
对由此获得的锻件(或连杆材料)在其大端M处进行洛氏硬度测量。此外，通过激光束加工，在大端M处形成深0.5mm的切口。其后，将用于分割的楔形夹具装配到由大端确定的圆柱形钻孔中，然后对夹具施加冲击力使得大端M随夹具分离。重装分离的大端M，然后测量其椭圆度。
此外，在热锻条件下，通过使用11种钢(A至K)分别制成片材样品。各个片材样品均具有相应于实际制品的金相结构和硬度。对片材样品进行钻孔。然后，测量钻磨损的量以评定钻孔的效率，即评价切削性能。
表1
在传统冷却条件下制造如实施例1的试样。其洛氏硬度不低于24并满足Eq.(E)，并进一步具有不超过1mm的标准值的实测椭圆度。
制造如实施例2的试样，其目的是以相对于实施例1提高冷却空气的量的方式提高硬度。该实施例满足Eq.(E)，并显示出优异的断裂分离能力。
在传统冷却条件下，分别制造如实施例3至6的试样。它们任何一种的洛氏硬度都不低于24且满足Eq.(E)，因此实测椭圆度均不超过标准值。
虽然磷含量相对较低，但由于含有大量碳，如实施例7的试样硬度高，因而显示出优异的断裂分离能力。在此情况下，该试样的E值不高于150。
相反，制造如对比例I和II的试样，该试样由与实施例1和3相同类型的钢(型号A和B的钢)制成，锻造后以低于传统冷却条件的速度对其进行冷却。这样降低了硬度而提高了椭圆度。
含有大量磷的材料，诸如如对比例III的试样，其如此地脆以致显示出优异的断裂分离能力并获得不超过标准值的椭圆度。然而，这样的材料不可能期望确保足够的硬度，并可能在钢材熔融时导致断裂，因此制造为机器部件的能力下降。
如对比例IV的试样含有大量碳且硬度高，使其甚至即使磷的量低也获得不超过标准值的椭圆度。然而，如对比例IV的试样切削性能下降。
如对比例V的试样的洛氏硬度不低于24；然而，由于含磷量低使其断裂分离能力下降。
图2为示出E值和实测椭圆度值之间相互关系的实验数据分散图，基于实施例和对比例。使用E值可进行预测试样的实测椭圆度是否低于标准值。
实测椭圆度低于标准值的连杆满足Eq.(E)。一些连杆并不满足Eq.(E)，尽管它们实测椭圆度低于标准值；然而，从硬度、切削性能、以及制成机器部件的能力的观点来看，它们在本发明范围之外。
图3为示出洛氏硬度和实测椭圆度之间相互关系的实验数据分散图，基于实施例和对比例。
洛氏硬度不低于24的连杆显示出优异的断裂分离能力。对于含磷量低于规定量的连杆，即使其洛氏硬度不低于24，其断裂分离能力也下降。此外，含过大量的磷的连杆显示出优异的断裂分离能力，同时其制成机器部件的能力下降。此外，用于实施例的A至F型钢具有非常优异的易切削性，这是因为其中添加了能够有效改善易切削性能的Ca和S。
根据本发明，规定C(碳)、Mn(锰)、Cr(铬)、V(钒)等的含量，其对硬度即连杆材料的断裂分离能力和切削性能产生影响。此外，为得到表示钢材组成和硬度之间关系的等式，进行多重回归分析，其关系对椭圆度(或由大端确定的内孔(截面中)与完美圆形的偏离度)产生很大影响。由多重回归分析等式计算的E值和实测椭圆度之间的相互关系为基础，如此调整钢材组成，以使连杆具有这样的E值用它可预测连杆的椭圆度是否低于标准值。采用这种具有已调整成分的钢材产生制造断裂分离能力和切削性能优异的连杆的极其优异的效果。
尽管通过参考本发明某些实施方案和实施例如上描述本发明，但本发明并不局限于上述实施方案和实施例。在上述教导下，对于本领域技术人员，可对上述实施方案和实施例进行调整和改变。
在此引入日本专利申请P2005-311365(2005年10月26日提交)的全部内容以作参考。参照下列权利要求书限定本发明的范围。
权利要求
1.一种用于热锻和用于连杆的非调质钢，其包含按质量百分比计的0.3至0.8％的C；0.1至2.0％的Si；0.5至1.5％的Mn；0.01至0.15％的P；低于或等于1.0％的Cr；低于或等于0.4％的V；低于或等于0.05％的Al；0.005至0.03％的N；以及余量的Fe和不可避免的杂质，其中，该非调质钢的E值不大于150，该E值由下式计算E＝2804-1549×Ceq-8862×P-23.4×H其中，H为该非调质钢制成的连杆的洛氏硬度值(C标尺)；P为该连杆中磷的含量(％)；Ceq为碳当量值，该Ceq值由下式计算Ceq＝C(％)+0.166Si(％)+0.22Mn(％)+0.25Cr(％)+1.8V(％)。
2.根据权利要求1所述的非调质钢，其进一步包含选自由下列组成的组中的至少一种0.03至0.15％的S、低于或等于0.3％的Pb、以及低于或等于0.01％的Ca。
3.一种连杆，其包含按质量百分比计的0.3至0.8％的C；0.1至2.0％的Si；0.5至1.5％的Mn；0.01至0.15％的P；低于或等于1.0％的Cr；低于或等于0.4％的V；低于或等于0.05％的Al；0.005至0.03％的N；以及余量的Fe和不可避免的杂质，其中，该连杆的E值不大于150，该E值由下式计算E＝2804-1549×Ceq-8862×P-23.4×H其中，H为该连杆的洛氏硬度值(C标尺)；P为该连杆中磷的含量(％)；Ceq为碳当量值，该Ceq值由下式计算Ceq＝C(％)+0.166Si(％)+0.22Mn(％)+0.25Cr(％)+1.8V(％)。
4.根据权利要求3所述的连杆，其进一步包含选自由下列组成的组中的至少一种0.03至0.15％的S、低于或等于0.3％的Pb、以及低于或等于0.01％的Ca。
5.根据权利要求3所述的连杆，其中，该连杆具有从24至35的洛氏硬度(C标尺)。
全文摘要
一种用于热锻和用于连杆的非调质钢，其含有按质量百分比计的0.3至0.8％的C；0.1至2.0％的Si；0.5至1.5％的Mn；0.01至0.15％的P；低于或等于1.0％的Cr；低于或等于0.4％的V；低于或等于0.05％的Al；0.005至0.03％的N；以及余量的Fe和不可避免的杂质。此非调质钢的E值不大于150，该E值由下式计算E＝2804－1549×Ceq－8862×P－23.4×H其中，H为该非调质钢制成的连杆的洛氏硬度值；P为该连杆中磷的含量(％)；Ceq为碳当量值。
文档编号C22C38/00GK1955498SQ20061015031
公开日2007年5月2日 申请日期2006年10月26日 优先权日2005年10月26日
发明者相原一石, 山田雄一, 宫泽智则, 臼木秀树, 冈田义夫, 加藤进一郎, 速石正和 申请人:日产自动车株式会社