摘 要:用非調(diào)質(zhì)鋼材料代替調(diào)質(zhì)鋼材料來制造發(fā)動機脹斷連桿,可以省去一道熱處理工序,從 而利于節(jié)能環(huán)保,采用脹斷技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平切技術(shù),有利于提高連桿的裝配精度。對脹斷連桿用 KNF33MAM 非調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分、低倍組織、顯微組織、非金屬夾雜物等方面進行分析,結(jié)果可為 提高國內(nèi)材料水平奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:非調(diào)質(zhì)鋼;發(fā)動機;脹斷連桿;顯微組織;夾雜物

中圖分類號:TB31 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)01-0004-04

C70S6類高碳鋼是制造發(fā)動機脹斷連桿常用的非 調(diào)質(zhì)鋼,但其強度較低,不適合用于制造高強度、高爆 發(fā)壓力的大功率發(fā)動機連桿。C70S6類高碳鋼組織中 高硬度的片層狀滲碳體較多,鋼材的切削加工性能較 差,限制了汽車輕量化的發(fā)展。因此,各國相繼開發(fā)了 新型的脹斷連桿用非調(diào)質(zhì)鋼,主要目標是降低碳元素 含量,增加微合金化元素含量,以細小鐵素體+珠光體 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粗大片層珠光體+極少鐵素體[1]。日本自 2004年陸續(xù)開發(fā)了相關(guān)鋼種,如熱鍛非調(diào)質(zhì)鋼KNF系 列,其中高強度型 KNF33M 鋼、KNF35M 鋼的化學(xué)成 分類似于國內(nèi)的36MnVS4鋼[2]。

筆者取日本 A廠連桿用非調(diào)質(zhì)鋼圓棒,材料為 KNF33MAM 鋼,直徑為36mm,對其化學(xué)成分、低 倍組織、顯微組織、非金屬夾雜物等方面進行分析, 結(jié)果可為加快國內(nèi)汽車脹斷連桿用高等級非調(diào)質(zhì)鋼 的研發(fā)進度提供理論依據(jù)。

1 理化檢驗

1.1 化學(xué)成分分析

利用直讀光譜儀對 KNF33MAM 鋼進行化學(xué)成 分分析,結(jié)果如表1所示。試樣中的微合金化元素釩 可以提高材料的強度;鋼中含有一定量的氧元素,生 成氧化物夾雜可成為硫化物的核心,從而有利于生成 短桿紡錘體狀的硫化物,提高材料的切削性能;鋼中 的磷元素有利于提高材料的脹斷性能、屈強比和疲勞 強度。目前國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)36MnVS4鋼時, 也會向其中加入一定量的磷元素[3]。

1.2 低倍組織檢驗

對 KNF33MAM 鋼和國內(nèi)同類材料進行低倍 檢驗,結(jié)果如圖1所示,可見 KNF33MAM 鋼組織 比較致密,未見明顯的枝晶形貌或中心偏析等低倍 缺陷;國內(nèi)同類材料可見較為明顯的中心偏析、疏松 等低倍缺陷。

KNF33MAM 鋼截面處碳、硫元素的含量(質(zhì)量 分數(shù))及分布情況如圖2所示,可見 KNF33MAM 鋼截面處橫向與縱向的元素分布相差較大,特別是 1/2半徑處有較大的成分偏析。

1.3 金相檢驗

KNF33MAM 鋼的顯微組織形貌如圖3所示。 由圖3可知:KNF33MAM 鋼的組織為鐵素體+珠 光體,鐵素體含量較高,且沿晶分布不明顯;晶粒度 等級為8級,晶粒較細;表層無明顯脫碳;鐵素體呈 帶狀,1/2半徑及心部的帶狀組織評級為1.5級。 鐵素體含量較高以及晶粒較細,會使材料的脹斷性 能變差,因此需要添加磷元素對材料進行改善[4]。

1.4 非金屬夾雜物分析

對 KNF33MAM 鋼和國內(nèi)同類材料組織中的 夾雜 物 進 行 評 級,結(jié) 果 如 表 2 所 示,可 見 KNF33MAM 鋼中非金屬夾雜物級別較低,數(shù)量較 少,材料純凈度較高。

1.4.1 氧化物

KNF33MAM 鋼中氧化物主要為 SiO2-CaOAl2O3-MnO系,一部分單獨存在,另一部分與硫化 物共同存在。單獨存在的復(fù)合型氧化物多呈長條 狀,少數(shù)顆粒尺寸(直徑,下同)達到50μm 以上,大 部分顆粒尺寸小于1μm,主要成分為SiO2。根據(jù) 單獨存在的復(fù)合型氧化物的數(shù)量以及尺寸分布,統(tǒng) 計氧 化 物 的 平 均 成 分 為 SiO2 (質(zhì) 量 分 數(shù) 為 38.20%)-CaO(質(zhì)量分數(shù)為23.17%)-Al2O3(質(zhì)量分數(shù)為21.85%)-MnO(質(zhì)量分數(shù)為16.78%)。將 成分歸一化,繪于 Al2O3-SiO2-CaO 及 MnO-SiO2- CaO三元相圖中,結(jié)果如圖4所示,用氣泡的大小 表示 MnO 的含量,圖中紅線為1500 ℃時的液相 區(qū),可見 Al2O3 含量與 MnO含量呈現(xiàn)相反趨勢,且 MnO含量低的氧化物多處于低熔點區(qū)域。說明在 降溫過程中,夾雜物的化學(xué)成分發(fā)生了變化。因此, 鋼中存在的氧化物可細分為3類:① MnO 含量低 的SiO2-CaO-Al2O3 夾雜,處于相圖低熔點區(qū)域,軋 后呈長 條 形 貌;② Al2O3 含 量 低 或 無 Al2O3 的 SiO2-MnO類夾雜;③ 尺寸約為1μm 的 SiO2 類 夾雜。

1.4.2 硫化物

KNF33MAM 鋼縱截面1/2半徑處硫化物的微 觀形貌如圖5所示,可見硫化物分布比較均勻,且長 度與寬度之比較小,呈現(xiàn)短桿狀。

除單獨存在的硫化物外,部分硫化物與氧化物 復(fù)合存在,復(fù)合硫化物的典型微觀形貌如圖6所示, 其中淺色區(qū)域為 MnS。復(fù)合硫化物按形貌可分為 兩類:第一類為析出形態(tài),氧化物多為 Ca-Si-Al-O 系,Mn元素含量較低,與單獨存在的長條狀氧化物 成分相近[見圖6a)~6d)],可能是降溫過程中 MnS 從液態(tài)氧化物中析出所得;第二類硫化物中包裹著 明顯的氧化物核心,大部分核心尺寸小于1μm[見 圖6e)~6h)]。

利用FACTSAGE軟件對復(fù)合硫化物的生成行 為進行計算,計算溫度區(qū)間為1000~1500℃,凝固 溫度區(qū)間在1420~1490℃。復(fù)合硫化物化學(xué)成 分隨溫度的變化情況如圖7所示,可見凝固前鋼液 中夾雜物為液態(tài)SiO2-Al2O3-CaO-MnO系,與單獨 存在的氧化物成分相近,隨著溫度降低,液態(tài)夾雜物 轉(zhuǎn)變?yōu)殁}鋁硅酸鹽,其中的 Mn原子與殘留的S原 子結(jié)合生成 MnS,從而形成第一類復(fù)合硫化物;第 二類復(fù)合硫化物,以鋼中存在的SiO2-MnO 系夾雜 物為核心,隨著溫度降低,該類夾雜物向SiO2 方向 轉(zhuǎn)變。

2 綜合分析

由上述分析結(jié)果可知:KNF33MAM 鋼截面橫 向與縱向的碳、硫元素含量分布差別較大,特別是 1/2 半 徑 處 碳、硫 元 素 的 成 分 偏 析 較 大; KNF33MAM 鋼截面處的低倍組織未見明顯枝晶形 態(tài),致密度較好;KNF33MAM 鋼的顯微組織為鐵素 體+珠光體,未見明顯鐵素體沿晶分布,帶狀組織為 1.5級,表面未見明顯脫碳。鐵素體含量較高、晶粒 較細,有利于提高材料的塑性和韌性,但會降低材料 的脹斷性能,因此,向材料中添加磷元素,可以改善 材料 的 脹 斷 性 能。氧 化 物 夾 雜 多 為 SiO2-CaOAl2O3-MnO復(fù)合型,呈細長條狀,尺寸較小,只有少 量夾雜物的尺寸達到50μm 以上;硫化物分布均 勻,部分硫化物以含有 少 量 MnO 的 SiO2-CaOAl2O3-MnO或含有大量Si元素的SiO2-MnO為核 心復(fù)合存在,有利于形成紡錘體狀硫化物,提高材料 的切削性能。

3 結(jié)語

國外脹斷連桿用高等級非調(diào)質(zhì)鋼的低倍組織質(zhì) 量、鋼水純凈度等方面表現(xiàn)較好,值得國內(nèi)借鑒學(xué) 習(xí),但是該材料在成分偏析等方面存在一定問題,這 也是國內(nèi)在材料開發(fā)生產(chǎn)過程中需要避免和解決的 問題。

參考文獻:

[1] 王乾.發(fā)動機連桿新材料的發(fā)展與研究[J].機械, 2010,37(3):69-71.

[2] 寇淑清,金文明,谷諍巍,等.內(nèi)燃機連桿制造最新技 術(shù)與發(fā)展趨勢[J].內(nèi)燃機工程,2001,22(1):28-31.

[3] SHI Z,KOU S Q. Study on fracture-split performanceof36MnVS4 andanalysisoffracture-split easily-induceddefects[J].Metals,2018,8(9):696.

[4] 陳繼雄,劉衛(wèi)航,彭曉楓.Q345B厚鋼板顯微組織中帶 狀組織的形成原因及工藝改進[J].理化檢驗(物理分冊), 2021,57(5):18-20.

<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 1期 (pp:4-7)>