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技术领域

本发明汽车发动机胀断连杆用钢，属非调质钢领域，具体涉及适用于汽 车发动机胀断连杆的含磷、硫高强度钢。

背景技术

发动机连杆胀断加工技术是目前国际上连杆生产的最新技术，于二十世 纪九十年代在汽车工业发达国家发展起来，并逐渐应用于大规模生产领域。 和传统的连杆加工技术相比，发动机连杆胀断加工技术具有传统连杆加工方 法无可比拟的优越性，其加工工序少、节约精加工设备、节材节能、生产成 本低。

随着连杆胀断工艺技术的成熟及应用于大规模生产制造，适应胀断工艺 的汽车连杆材料逐渐成为胀断工艺应用推广的主要矛盾。胀断连杆材料不仅 影响连杆产品的使用性能和切削性，而且决定可开裂性和断面质量，对胀断 工艺起关键作用。因此，胀断连杆材料一般要求具有较高的强度、较小的塑 性变形、合适的脆性和良好的切削加工性能。目前用于连杆胀断加工的材料 主要有C70S6锻钢、SPLITASCO系列锻钢、FRACTIM锻钢和S53CV-FS锻钢等。 C70S6锻钢是20世纪70年代德国开发的胀断连杆材料,当时有19种发动 机连杆采用,到目前为止有60多种不同的发动机采用。C70S6锻钢是一种 高碳、低锰钢，具有优良的裂解性能，但经大量的生产实际发现，C70S6的 可加工性能较差，刀具磨损较快。法国开发的SPLITASCO系列锻钢主要包括 SPLITASCO70，SPLITASCO50和SPLITASCO38。SPLITASCO70具有和C70S6相 似的化学成分，但添加了更多的Si元素，进一步提高了材料的可加工性， 目前，SPLITASCO70可以应用在所有C70S6所应用的场合；SPLITASCO50的 硫元素大于0.150％，磷元素大于0.070％，该材料的可加工性能更好，已用 于一系列小型发动机连杆的生产上；SPLITASCO38有和传统的连杆材料 38MnS5基本相同的化学成分，具有良好的抗疲劳性能，从而广泛用于轻型 车和货车发动机的连杆锻件。由CES和Bromsgrove联合研制开发的FRACTIM 锻钢其显微组织几乎为全部的珠光体结构。与C70S6相比，FRACTIM锻钢中 提高了Mn和S的含量，相应的减少了C的含量，这样显著提高了FRACTIM 的可加工性。日本在传统的裂解连杆锻钢JIS S50CVS1的基础上，通过提高 钢中Si、V含量来代替部分Mn含量，开发出了具有良好的抗疲劳性能的 S53CV-FS锻钢，在循环次数达到了10⁷次时，C70S6的疲劳极限是350MPa， 而S53CV-FS的疲劳极限是420MPa，比C70S6的疲劳极限提高了20％，但其 材料裂解变形较严重，影响了装配精度。德国发动机系统和零部件的专家 Mahle GmbH公司开发了采用胀断工艺的新型连杆材料36MnVS4BY和 70MnVS4BY，其疲劳性能和加工性能均由于C70S6钢，但在胀断过程中连杆 大头变形量较大，加工余量大。

专利“一种胀断连杆用中碳非调质钢”(CN 101892424A)报道了一种 制作抗拉强度900MPa级以上的胀断连杆用中碳非调质钢，其金相组织为： 铁素体+珠光体。与现有技术相比，该钢不仅塑性低，而且胀断性能和疲劳 性能优良，经过锻造和加工后，可用来制作胀断连杆，具有良好的经济性； 但该钢中含有一定的Ti元素，易在钢中形成菱形的TiN相，影响连杆的疲 劳强度，另外，钢中高的Al含量不利于浇铸。

文献“汽车裂解连杆用钢的开发”(汽车工艺与材料，2004)介绍了一 种用于汽车连杆胀断工艺的微合金钢，其化学成分包括(重量％)：C0.70％， Si0.22％，Mn0.50％，P0.010％，S0.063％。其特点是胀断性能优良，但强度小 于1000MPa，且切削性能不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车发动机胀断连杆用钢，通过控制胀断用钢 的碳、硅、锰、磷、硫、钒、氮元素的含量，使该钢具有高强度、低塑性、 合适脆性和优越的切削加工性能，从而满足汽车发动机连杆的疲劳、胀断及 切削加工方面的综合性能要求。

本发明技术方案：

本发明汽车发动机胀断连杆用钢，包括：C、Si、Mn、P、S、Cr、V、N、 Fe化学元素，其化学元素的质量百分比为：C：0.40～0.50％、Si：0.60～ 0.80％、Mn：1.10～1.30％、P：0.030～0.050％、S：0.025～0.045％、 Cr：0.10～0.20％、V：0.15～0.25％、N：0.0150～0.0250％，其余量为铁和 不可避免的夹杂；该连杆用钢的相关力学性能数据为：Rel≥800MPa，Rm≥ 1100MPa，A≥10％，Z≥20％，满足汽车发动机连杆疲劳、胀断及切削加工 的综合性能需求。

一种根据上述技术方案的汽车发动机胀断连杆用钢，其质量百分比的化 学成份为：C：0.46、Si：0.65、Mn：1.20、Cr：0.15、P：0.045、S：0.040、 V：0.20、N：0.0200，余量为Fe和不可避免的夹杂；其圆钢棒材的力学性 能为：Rel≥800MPa，Rm≥1100MPa，A≥10％，Z≥20％。

一种根据上述技术方案的汽车发动机胀断连杆用钢，其质量百分比的化 学成份为：C：0.42、Si：0.62、Mn：1.15、Cr：0.12、P：0.035、S：0.030、 V：0.17、N：0.0160、其余量为Fe和不可避免的夹杂；其圆钢棒材的力学 性能为：Rel≥800MPa，Rm≥1100MPa，A≥10％，Z≥20％。

一种根据上述技术方案的汽车发动机胀断连杆用钢，其质量百分比的化 学成份为：C：0.40、Si：0.70、Mn：1.25、Cr：0.18、P：0.030、S：0.035、 V：0.25、N：0.0250、其余量为Fe和不可避免的夹杂；其圆钢棒材的力学 性能为：Rel≥800MPa，Rm≥1100MPa，A≥10％，Z≥20％。

一种根据上述技术方案的汽车发动机胀断连杆用钢，其质量百分比的化 学成份为：C：0.44、Si：0.75、Mn：1.30、Cr：0.20、P：0.033、S：0.025、 V：0.22、N：0.0220、其余量为Fe和不可避免的夹杂；其圆钢棒材的力学 性能为：Rel≥800MPa，Rm≥1100MPa，A≥10％，Z≥20％。

一种根据上述技术方案的汽车发动机胀断连杆用钢，其质量百分比的化 学成份为：C：0.50、Si：0.60、Mn：1.10、Cr：0.10、P：0.032、S：0.045、 V：0.15、N：0.0150，其余量为Fe和不可避免的夹杂；其圆钢棒材的力学 性能为：Rel≥800MPa，Rm≥1100MPa，A≥10％，Z≥20％。

一种根据上述技术方案的汽车发动机胀断连杆用钢，其质量百分比的化 学成份为：C：0.48、Si：0.80、Mn：1.22、Cr：0.16、P：0.050、S：0.042、 V：0.18、N：0.0190、其余量为Fe和不可避免的夹杂；其圆钢棒材的力学 性能为：Rel≥800MPa，Rm≥1100MPa，A≥10％，Z≥20％。

本发明从设计胀断连杆用钢的化学成分入手，使钢的珠光体组织比例达 到70-80％，其20-30％铁素体在钢中呈断续网状分布，通过添加V、N元素， 使钢中生成大量析出相，提高钢的强度，同时，向钢中添加适量的P、S元 素，在提高切削加工性能的同时，适当提高钢的脆性，有利于胀断加工，从 而克服了现有技术胀断连杆用钢在疲劳性能、胀断性能和切削加工性能方面 存在的综合性能不佳的缺陷，满足了汽车发动机连杆疲劳、胀断及切削加工 综合性能需求。

本发明技术方案的化学成分设计如下：

C：非调质钢中的碳含量是影响最终组织的主要因素，过低的碳，钢中 的珠光体组织比例较少，铁素体组织比例较多，不利于在钢材中形成断续网 状铁素体，影响胀断性能；同时，过低的碳也不利于提高钢的强度；但钢中 过高的碳含量会恶化钢的切削加工性能，因此，碳含量设计为0.40-0.50％， 可以保证珠光体组织比例为70-80％。

Si：Si在钢中不形成碳化物，能固溶于铁素体中显著提高钢的强度和硬 度。因此，设计的钢中Si含量为0.60-0.80％。

Mn：Mn在钢中主要以固溶的形式存在，具有较强的固溶强化作用，能有 效地提高钢的强度。但含量低于0.80％时，其强化效果不明显；增加钢中 Mn含量，将降低钢的共析成分碳的含量，导致珠光体量的增多，提高钢的 强度；但当钢中Mn含量超过1.5％时，有促进钢贝氏体化的作用。因此， 设计的钢中Mn含量为1.10-1.30％。

P：P是非碳化物形成元素，它在钢中的存在形式主要是溶入铁素体。在 配位数都是12时，它的原子半径为0.13nm，比铁原子大0.003nm，因此当 它溶于铁素体时能够取代铁原子形成置换固溶体。在诸多置换固溶体形成元 素中，磷的固溶强化能力最大，提高钢的强度；同时，P能降低钢的塑性和 韧性，提高钢的脆性。因此，设计钢中P含量为0.030-0.050％。

S：在钢中添加S元素，使钢中形成MnS夹杂物，在切削加工时，使切 削容易断开，改善工件光洁度；同时，铁素体除在原奥氏体晶界析出外，也 以MnS为核心析出，由于增加了铁素体形成的核心而增加了铁素体的块数， 从而细化了铁素体-珠光体组织，因此设计的S含量为0.025-0.045％。

Cr：Cr是中等碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的Cr强烈提高钢的 淬透性；Cr溶入铁素体中，产生固溶强化，能提高铁素体的强度和硬度。 因此，设计的Cr含量为0.10-0.20％。

V、N：V、N在钢中主要是加强沉淀强化效果和细化晶粒作用，N与V有 很强的亲和力，可以形成极稳定的间隙相。氮化物和碳化物可以互相溶解， 形成碳氮化物，氮化物之间也可以互相溶解，形成复合氮化物，这些化合物 常以细小质点存在，产生弥散强化效果，提高钢的强度。当向含钒钢中添加 氮时，其沉淀强化作用明显提高，N含量从50×10-6增加到250×10-6时， 钢的屈服强度提高100-150MPa，即10×10-6的N提高钢的屈服强度约5MPa。 钢中的V、N，不但是强化相，还可以抑制奥氏体晶界的迁移，细化奥氏体 晶粒，从而细化铁素体晶粒和珠光体团，在相变时，又起核心作用，进一步 使铁素体晶粒细化。但钢中过高的N含量对连铸生产不利，易形成连铸坯裂 纹，因此，设计的N含量为0.0150-0.0250％，V含量为0.15-0.25％。

本发明技术特点是通过对合金体系的科学设计，无需改造任何生产设 备、无需对现有生产工艺作重大调整，就可以生产出具有高强度、合适脆性 和良好切削加工性能的汽车胀断连杆用钢，其力学性能数据为：Rem≥ 1100MPa，Rel≥800MPa，A≥10％，Z≥20％。完全适应于汽车连杆制造的胀 断工艺和汽车轻量化及安全性的要求，技术效果显著。

具体实施方式

现通过本发明6个实施例胀断连杆用钢的化学成份，以及表1、表2给 出的该实施例与现有技术汽车发动机胀断连杆用钢为对比钢的化学成分、力 学性能、冲击性能(室温)和疲劳性能对比数据，充分表明本发明汽车发动 机胀断连杆用钢具有更优良的综合性能，其Rem≥1100MPa，Rel≥800MPa， A≥10％，Z≥20％，完全适应于汽车连杆制造的胀断工艺和汽车轻量化及安 全性的要求。

实施例1

本发明一种汽车发动机胀断连杆用钢，其质量百分比的化学成份为： C：0.46、Si：0.65、Mn：1.20、Cr：0.15、P：0.045、S：0.040、V：0.20、 N：0.0200，余量为Fe和不可避免的夹杂；其圆钢棒材的力学性能为：Rel ≥800MPa，Rm≥1100MPa，A≥10％，Z≥20％。

实施例2

本发明一种汽车发动机胀断连杆用钢，其质量百分比的化学成份为： C：0.42、Si：0.62、Mn：1.15、Cr：0.12、P：0.035、S：0.030、V：0.17、 N：0.0160、其余量为Fe和不可避免的夹杂；其圆钢棒材的力学性能为：Rel ≥800MPa，Rm≥1100MPa，A≥10％，Z≥20％。

实施例3

本发明一种汽车发动机胀断连杆用钢，其质量百分比的化学成份为：C： 0.40、Si：0.70、Mn：1.25、Cr：0.18、P：0.030、S：0.035、V：0.25、N： 0.0250、其余量为Fe和不可避免的夹杂；其圆钢棒材的力学性能为：Rel ≥800MPa，Rm≥1100MPa，A≥10％，Z≥20％。

实施例4

本发明一种汽车发动机胀断连杆用钢，其质量百分比的化学成份为： C：0.44、Si：0.75、Mn：1.30、Cr：0.20、P：0.033、S：0.025、V：0.22、 N：0.0220、其余量为Fe和不可避免的夹杂；其圆钢棒材的力学性能为：Rel ≥800MPa，Rm≥1100MPa，A≥10％，Z≥20％。

实施例5

本发明一种汽车发动机胀断连杆用钢，其质量百分比的化学成份为： C：0.50、Si：0.60、Mn：1.10、Cr：0.10、P：0.032、S：0.045、V：0.15、 N：0.0150，其余量为Fe和不可避免的夹杂；其圆钢棒材的力学性能为：Rel ≥800MPa，Rm≥1100MPa，A≥10％，Z≥20％。

实施例6

本发明一种汽车发动机胀断连杆用钢，其质量百分比的化学成份为： C：0.48、Si：0.80、Mn：1.22、Cr：0.16、P：0.050、S：0.042、V：0.18、 N：0.0190、其余量为Fe和不可避免的夹杂；其圆钢棒材的力学性能为：Rel ≥800MPa，Rm≥1100MPa，A≥10％，Z≥20％。

表1本发明实施例1-6连杆用钢和对比钢的化学成分 (各实施例钢和对比钢除所列化学成份，其余量为Fe和不可避免的夹杂)

表2按表1实施例连杆用钢和对比钢的相关力学性能数据