摘 要:用非调质钢材料代替调质钢材料来制造发动机胀断连杆,可以省去一道热处理工序,从 而利于节能环保,采用胀断技术代替传统的平切技术,有利于提高连杆的装配精度。对胀断连杆用 KNF33MAM 非调质钢的化学成分、低倍组织、显微组织、非金属夹杂物等方面进行分析,结果可为 提高国内材料水平奠定理论基础。

关键词:非调质钢;发动机;胀断连杆;显微组织;夹杂物

中图分类号:TB31 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)01-0004-04

C70S6类高碳钢是制造发动机胀断连杆常用的非 调质钢,但其强度较低,不适合用于制造高强度、高爆 发压力的大功率发动机连杆。C70S6类高碳钢组织中 高硬度的片层状渗碳体较多,钢材的切削加工性能较 差,限制了汽车轻量化的发展。因此,各国相继开发了 新型的胀断连杆用非调质钢,主要目标是降低碳元素 含量,增加微合金化元素含量,以细小铁素体+珠光体 代替传统的粗大片层珠光体+极少铁素体[1]。日本自 2004年陆续开发了相关钢种,如热锻非调质钢KNF系 列,其中高强度型 KNF33M 钢、KNF35M 钢的化学成 分类似于国内的36MnVS4钢[2]。

笔者取日本 A厂连杆用非调质钢圆棒,材料为 KNF33MAM 钢,直径为36mm,对其化学成分、低 倍组织、显微组织、非金属夹杂物等方面进行分析, 结果可为加快国内汽车胀断连杆用高等级非调质钢 的研发进度提供理论依据。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

利用直读光谱仪对 KNF33MAM 钢进行化学成 分分析,结果如表1所示。试样中的微合金化元素钒 可以提高材料的强度;钢中含有一定量的氧元素,生 成氧化物夹杂可成为硫化物的核心,从而有利于生成 短杆纺锤体状的硫化物,提高材料的切削性能;钢中 的磷元素有利于提高材料的胀断性能、屈强比和疲劳 强度。目前国内部分钢铁企业生产36MnVS4钢时, 也会向其中加入一定量的磷元素[3]。

1.2 低倍组织检验

对 KNF33MAM 钢和国内同类材料进行低倍 检验,结果如图1所示,可见 KNF33MAM 钢组织 比较致密,未见明显的枝晶形貌或中心偏析等低倍 缺陷;国内同类材料可见较为明显的中心偏析、疏松 等低倍缺陷。

KNF33MAM 钢截面处碳、硫元素的含量(质量 分数)及分布情况如图2所示,可见 KNF33MAM 钢截面处横向与纵向的元素分布相差较大,特别是 1/2半径处有较大的成分偏析。

1.3 金相检验

KNF33MAM 钢的显微组织形貌如图3所示。 由图3可知:KNF33MAM 钢的组织为铁素体+珠 光体,铁素体含量较高,且沿晶分布不明显;晶粒度 等级为8级,晶粒较细;表层无明显脱碳;铁素体呈 带状,1/2半径及心部的带状组织评级为1.5级。 铁素体含量较高以及晶粒较细,会使材料的胀断性 能变差,因此需要添加磷元素对材料进行改善[4]。

1.4 非金属夹杂物分析

对 KNF33MAM 钢和国内同类材料组织中的 夹杂 物 进 行 评 级,结 果 如 表 2 所 示,可 见 KNF33MAM 钢中非金属夹杂物级别较低,数量较 少,材料纯净度较高。

1.4.1 氧化物

KNF33MAM 钢中氧化物主要为 SiO2-CaOAl2O3-MnO系,一部分单独存在,另一部分与硫化 物共同存在。单独存在的复合型氧化物多呈长条 状,少数颗粒尺寸(直径,下同)达到50μm 以上,大 部分颗粒尺寸小于1μm,主要成分为SiO2。根据 单独存在的复合型氧化物的数量以及尺寸分布,统 计氧 化 物 的 平 均 成 分 为 SiO2 (质 量 分 数 为 38.20%)-CaO(质量分数为23.17%)-Al2O3(质量分数为21.85%)-MnO(质量分数为16.78%)。将 成分归一化,绘于 Al2O3-SiO2-CaO 及 MnO-SiO2- CaO三元相图中,结果如图4所示,用气泡的大小 表示 MnO 的含量,图中红线为1500 ℃时的液相 区,可见 Al2O3 含量与 MnO含量呈现相反趋势,且 MnO含量低的氧化物多处于低熔点区域。说明在 降温过程中,夹杂物的化学成分发生了变化。因此, 钢中存在的氧化物可细分为3类:① MnO 含量低 的SiO2-CaO-Al2O3 夹杂,处于相图低熔点区域,轧 后呈长 条 形 貌;② Al2O3 含 量 低 或 无 Al2O3 的 SiO2-MnO类夹杂;③ 尺寸约为1μm 的 SiO2 类 夹杂。

1.4.2 硫化物

KNF33MAM 钢纵截面1/2半径处硫化物的微 观形貌如图5所示,可见硫化物分布比较均匀,且长 度与宽度之比较小,呈现短杆状。

除单独存在的硫化物外,部分硫化物与氧化物 复合存在,复合硫化物的典型微观形貌如图6所示, 其中浅色区域为 MnS。复合硫化物按形貌可分为 两类:第一类为析出形态,氧化物多为 Ca-Si-Al-O 系,Mn元素含量较低,与单独存在的长条状氧化物 成分相近[见图6a)~6d)],可能是降温过程中 MnS 从液态氧化物中析出所得;第二类硫化物中包裹着 明显的氧化物核心,大部分核心尺寸小于1μm[见 图6e)~6h)]。

利用FACTSAGE软件对复合硫化物的生成行 为进行计算,计算温度区间为1000~1500℃,凝固 温度区间在1420~1490℃。复合硫化物化学成 分随温度的变化情况如图7所示,可见凝固前钢液 中夹杂物为液态SiO2-Al2O3-CaO-MnO系,与单独 存在的氧化物成分相近,随着温度降低,液态夹杂物 转变为钙铝硅酸盐,其中的 Mn原子与残留的S原 子结合生成 MnS,从而形成第一类复合硫化物;第 二类复合硫化物,以钢中存在的SiO2-MnO 系夹杂 物为核心,随着温度降低,该类夹杂物向SiO2 方向 转变。

2 综合分析

由上述分析结果可知:KNF33MAM 钢截面横 向与纵向的碳、硫元素含量分布差别较大,特别是 1/2 半 径 处 碳、硫 元 素 的 成 分 偏 析 较 大; KNF33MAM 钢截面处的低倍组织未见明显枝晶形 态,致密度较好;KNF33MAM 钢的显微组织为铁素 体+珠光体,未见明显铁素体沿晶分布,带状组织为 1.5级,表面未见明显脱碳。铁素体含量较高、晶粒 较细,有利于提高材料的塑性和韧性,但会降低材料 的胀断性能,因此,向材料中添加磷元素,可以改善 材料 的 胀 断 性 能。氧 化 物 夹 杂 多 为 SiO2-CaOAl2O3-MnO复合型,呈细长条状,尺寸较小,只有少 量夹杂物的尺寸达到50μm 以上;硫化物分布均 匀,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为核 心复合存在,有利于形成纺锤体状硫化物,提高材料 的切削性能。

3 结语

国外胀断连杆用高等级非调质钢的低倍组织质 量、钢水纯净度等方面表现较好,值得国内借鉴学 习,但是该材料在成分偏析等方面存在一定问题,这 也是国内在材料开发生产过程中需要避免和解决的 问题。

参考文献:

[1] 王乾.发动机连杆新材料的发展与研究[J].机械, 2010,37(3):69-71.

[2] 寇淑清,金文明,谷诤巍,等.内燃机连杆制造最新技 术与发展趋势[J].内燃机工程,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] 陈继雄,刘卫航,彭晓枫.Q345B厚钢板显微组织中带 状组织的形成原因及工艺改进[J].理化检验(物理分册), 2021,57(5):18-20.

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 1期 (pp:4-7)>