[发明专利]适合性能差异化控制的高强度非调质钢及锻件制造方法

说明书

技术领域

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级以上的高性能连杆等锻件。

背景技术

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，以满足 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、硬度和韧性尽可能高，以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以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、夹杂物控制、韧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级以下，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， 难以满足更高性能连杆等锻件的需求。

发明内容

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 级以上的高性能连杆。

本发明钢的具体化学成分(重量％)如下：C0.35～0.50％,Si0.50～0.80％,Mn 0.90～1.30％,P≤0.035％,S0.04～0.08％,Cr0.10～0.30％,V0.20～0.40％，Nb0.01～ 0.10％,Ti0.03～0.15％，Al≤0.030％，N0.008～0.020％，RE0.005～0.04％，余为Fe 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(％)+Nb(％)≤1.20％。

本发明所仍以应用范围最广、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，但珠光体组织的韧性和切削性差。 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,N)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、Nb、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(％)+Nb(％)≤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,N)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，以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，即将终锻温度控制在1050～950℃，锻 后进行差异化控制冷却(强化部位的冷速为100～150℃/min，而其它部位的冷速40～ 90℃/min)到550～500℃落入料箱堆冷(缓冷)到室温。

各元素的作用及配比依据如下：

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％以 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％以下。

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，而是以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％以上，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％。