[发明专利]一种胀断连杆用中碳非调质钢

说明书

技术领域

本发明属于合金钢领域，特别是提供了一种胀断连杆用中碳非调质钢，具有低塑性和优异胀断(亦称裂解)性能及疲劳性能的中碳非调质钢，主要适用于制作抗拉强度900MPa级以上的胀断(亦称裂解)连杆。

背景技术

传统的汽车发动机连杆的机械加工工艺复杂，精度要求高，往往因为加工精度问题而影响发动机的可靠性。近年来开发的胀断连杆技术则解决了此问题。该工艺是在连杆大头的适当位置设计并预制缺口(裂纹槽)，形成应力集中，再施加垂直于预定断裂面的载荷进行引裂。当满足发生脆性断裂的条件时，在几乎不发生塑性变形的情况下，在缺口处规则断裂，实现连杆体与连杆盖的无屑断裂剖分。由于断裂面呈犬牙交错的自然状态，具有极高的定位与配合精度，无需再进行接合面的加工，同时简化了连杆螺栓孔的结构设计和整体加工工艺，具有加工工序少、节省精加工设备、节材节能、产品质量高、生产成本低等一系列优点。

胀断连杆用材料及其微观组织不仅影响连杆产品的性能和切削性，而且决定可裂解性和断面质量，对胀断工艺起决定性作用。胀断工艺要求连杆锻件在胀断过程中大头孔不能产生明显的塑性变形，以满足后续加工后大头孔圆度误差的要求。因此，对连杆材料的要求是，在保证连杆综合性能的指标的前提下，限制连杆的韧性指标，使其断口呈现脆性断裂特征，以便具有良好的啮合性。传统采用的胀断连杆用钢为在0.70％碳钢基础上开发的高碳钢SAE1070或C70S6[曹正等.汽车工艺与材料，2000，(12)：24-27]，其组织为珠光体加少量断续的铁素体，尽管容易脆性裂解，但其仍有明显的缺点：屈强比偏低，疲劳性能偏低。此外，较多的硬相渗碳体使得切削加工性较差。对此，开展了改善胀断连杆用钢屈强比和疲劳性能的研究。文献[電気製鋼(日文)，2000，71(1)：81-87]介绍了一种中碳胀断连杆用非调质钢，具有良好的胀断性，但由于添加有高达0.25％的微合金化元素V，提高了钢的成本，从而削弱了该钢的经济性；过高的Si含量(2％)亦使锻件的表面质量变差，影响零件的疲劳性能；此外，为了改善切削加工性，钢中添加0.1％左右的有害元素Pb，不利于环保，这些均限制了该钢的应用。文献[熱処理(日文)，2007，47(6)：343-349]同样介绍了一种中碳胀断连杆用非调质钢，由于碳含量偏低(0.28％)，因而添加的主要起析出强化作用的微合金化元素含量过高(0.17％V+0.17％V)，使得该钢的经济性较差。日本专利[JP2003-027178]提出的一种具有良好切削性和胀断性的中碳非调质钢，可用来制造胀断连杆，但钢中S含量过高(0.15-0.30％)，使得该钢的冶炼特别是连铸难度大，钢材热加工性较差，从而限制了该钢的大批量工业生产应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种胀断连杆用中碳非调质钢，具有低塑性和优异胀断性能及疲劳性能，同时制造成本低，可用来制作抗拉强度800MPa级以上的胀断连杆。

本发明钢的具体化学成分(重量％)如下：C 0.35～0.55％，Si 0.40～0.80％，Mn 0.80～1.50％，P 0.04～0.15％，S 0.03～0.10％，Cr 0.10-0.50％，V 0.05～0.25％，B 0.0005～0.006％，Ti≤0.01％，Al≤0.030％，N 0.005～0.020％，RE 0.005～0.04％，余为Fe和其它不可避免的杂质，同时，C、P、B含量还需满足脆性参数关系式：0.60≤C(％)+3P(％)+50B(％)≤1.0；金相组织为：铁素体+珠光体。

根据上述目的，本发明所采用的技术方案是：以铁素体+珠光体组织代替单一的珠光体组织，从而实现高强度、低塑性和高疲劳性能三者的最佳平衡。对于传统的铁素体+珠光体组织，由于软相铁素体的硬度较低和塑性较好，容易在缺口根部铁素体处产生韧性的韧窝断裂，从而影响胀断性能。对此，采取措施降低铁素体相的塑韧性和提高铁素体相的硬度：(1)与通常尽可能降低钢中杂质元素P含量不同，本发明采用增加钢中杂质元素P含量的思路，以适当降低奥氏体晶界强度(脆化)并使铁素体相固溶强化；(2)与通常尽可能避免BN生成而增加钢的脆性不同，本发明采用钢中添加B并控制Al、Ti元素含量，从而在晶界生成适量的BN，以促进晶界脆化；(3)增加Si元素含量，使铁素体相进一步固溶强化；(4)增加微合金化元素V的含量，控制细小碳氮化物相的析出而强化铁素体相并降低其塑性。

各元素的作用及配比依据如下：