适合性能差异化控制的高强度非调质钢及锻件制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金钢技术领域，特别是提供了一种适合性能差异化控制的高强度非 调质钢及锻件制造方法，具有性能可调控、高强度和优异疲劳性能，适用于制作抗拉强度 950MPa级W上的高性能连杆等锻件。
【背景技术】
[0002] 在实际应用中，一个锻件中不同部位性能要求不同的情况较多。例如，对于连杆的 大头和小头部位，需要进行较多的切削加工，要求强度和硬度不能超过一定值，W满足切削 等加工性的要求；而工字筋部位加工量很少，且尺寸小，为连杆薄弱部位，则要求该部位的 强度、硬度和初性尽可能高，W获得优异的疲劳性能等服役性能，从而保证连杆的使用安全 性、轻量化及能够承受更高的设计应力。然而，受材料设计及加工能力的限制，连杆等零件 选材通常W首先保证危险截面的使用性能为基础，锻件所有部位的性能尽可能均一化。该 方法在一定程度上保证了零件在使用过程中的安全性和稳定性，但却因强度和硬度过高会 导致连杆大头和小头的切削加工难题，从而极大地限制了连杆强度水平的进一步提高。尽 管进一步提高钢中的硫含量有助于改善切削加工性，但过高硫含量会带来冶炼、夹杂物控 审IJ、初性恶化等一系列难题。因此，目前的连杆技术存在高强度化与低加工性的矛盾，其强 度水平基本控制在900MPa级W下，无法满足发动机进一步减量化、高性能化和使用安全性 的需求。此外，现有技术非调质钢的微合金化元素含量低，尽管采用差异化控制冷却技术可 获得一定程度的性能调控，但其调控幅度有限，难W满足更高性能连杆等锻件的需求。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种适合性能差异化控制的高强度非调质钢及锻件制造 方法，性能可差异化调控的、具有高强度和优异疲劳性能，可用来制作抗拉强度950MPa级 W上的高性能连杆。
[0004] 本发明钢的具体化学成分（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%，余为化和其它不可避免的杂质；此外，V、Nb、Ti含量还需满足强化参数关 系式：0. 90%《3V(% )+2Ti(% )+佩（％ )《1. 20%。 阳0化]本发明所仍W应用范围最广、应用量占主导地位的铁素体+珠光体型非调质钢为 基础。然而，对于传统的铁素体+珠光体组织，由于软相铁素体的硬度偏低，如其含量过高 则无法保证获得高的强度水平；通过提高高硬度的珠光体相的含量（如提高钢中碳含量和 增加锻后冷却速度）尽管可获得高的强度水平，但珠光体组织的初性和切削性差。对此， 本发明通过优化钢材的化学成分，并在锻造及锻后冷却过程中采取措施控制微合金化元素 碳氮化物M(C，脚的析出程度及铁素体相的硬度、含量和尺寸等，从而实现性能的差异化调 控，具有技术措施包括：（1)优化钢中微合金化元素V、佩、Ti含量，其中V含量从传统非调 质钢的《0. 15%提高到> 0. 20%，且0. 90%《3V(% )+2Ti(% )+佩（％ )《1. 20%，从而 有利于在锻造及锻后冷却过程中通过控制微合金元素碳氮化物相M(C，脚的析出强化效果 而实现性能的差异化调控。（2)提高钢中N元素含量，W促进微合金元素碳氮化物的析出； (3)增加钢中Si元素含量，使铁素体相进一步固溶强化；(4)优化锻造及锻后冷却工艺，即 将终锻溫度控制在1050~950°C，锻后进行差异化控制冷却（强化部位的冷速为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（缓冷）到 室溫。
[0006] 各元素的作用及配比依据如下：
[0007] C:C元素是获得连杆锻造后所需强度水平的廉价元素，对此，C含量须在0. 35%W 上。但C含量过高将对钢的疲劳性能、切削加工性能等带来不利的影响。因此，C含量应控 制在0. 50%W下。
[0008] Si:Si元素在钢中通常起脱氧剂作用，其含量通常不超过0.37%。鉴于Si在钢中 不形成碳化物，而是W固溶体的形式存在于铁素体中，即具有显著的固溶强化铁素体的作 用。对此，Si元素含量需在0. 50%W上，但过高的Si含量将恶化钢的热加工性和锻件表面 质量，因而控制其含量不超过0. 80%。
[0009] Μη:Mn元素除起脱氧剂作用外，还具有显著的固溶强化作用。此外，Μη与S形 成MnS夹杂，提高钢的切削加工性。但Μη含量超过1. 30%时钢中易生成粗大的贝氏体组 织，显著恶化钢的疲劳性能，且偏析严重，增加冶炼难度和成本，因而控制其含量在0. 90~ 1. 30%。
[0010] Ρ:ρ元素能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在高溫加热时偏聚在晶界，使钢的 脆性显著增大。所W控制Ρ的含量在0.035%?下。
[0011] S:S与Μη形成细小、分散分布MnS而改善钢的切削加工性。S含量过高将恶化钢 的热加工性，因而控制S含量在0. 04~0. 08%。
[0012] 化：化元素为确保获得所需强度的必要元素，但含量过高会恶化钢的切削加工性 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较强的析出强化作用，除可进一步提高软相铁素体的 强度外，还可明显提高钢的疲劳性能。V含量小于0.20%难W起到上述作用，但含量超过 0. 40%则作用饱和，且增加钢的成本。因此控制其含量在0. 20~0. 40%。
[0014]Ti:Ti优先与钢中N结合生成TiN而抑制晶粒粗化，有利于获得细小的组织；在控 冷过程中析出细小的TiC可起析出强化的作用。因而控制其含量在0. 03~0. 15%。
[0015]Nb:佩元素的作用与Ti类似，其阻止形变奥氏体回复、再结晶的作用较Ti强烈。 Nb与V复合加入有利于获得良好的强初性配合。因而控制其含量在0. 01~0. 10%。
[0016]A1:与Ti元素一样，优先与钢中N结合而生成A1N，有利于细化晶粒。但考虑到脱 氧作用和实际冶炼的难度，控制其含量在0. 030%W下。 阳017] N:N在非调质钢中的作用主要是加强析出强化的效果和细化晶粒，为此N含量 需在0. 008%W上，但过量的N易在钢中形成气泡和疏松，所W其含量应控制在0. 008~0. 020%。
[0018]RE:RE具有对非金属夹杂物变性处理的作用，从而进一步改善钢的切削加工性 能。RE含量小于0. 005%起不到上述作用，但含量超过0. 04%，则由于夹杂