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第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023差异化控冷对 C70S6 钢胀断连杆微合金碳氮化物析出相的影响王占花1,惠卫军2,赵秀明3,程 龙4(1.苏州经贸职业技术学院 机电技术学院,江苏 苏州 215009;2.北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044;3.南京工程学院 材料工程学院,江苏 南京 211167;4.浙江亚太机电股份有限公司,浙江 杭州 311201)摘要:为了推进非调质钢 C70S6 的国产化进程,明确 C70S6 钢生产胀断连杆时冷却速度工艺控制问题,分析讨论了冷却速度对C70S6 钢中微合金碳氮化物析出的影响。通过利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)及 X 射线衍射仪(XRD)等设备,采用物理-化学相分析方法,对热锻后空冷及风冷国产 C70S6 非调质钢胀断连杆工字筋部位微合金碳氮化物析出相的组成及粒度分布等微观特征进行观察,并量化了微合金碳氮化物 M(CN)析出相的析出强化行为。果表明,冷却速度为 3 和 4 s-1 时,微合金碳氮化物析出相均为面心立方结构,名义化学式分别为(V0.896Cr0.070Mo0.034)(C0.259N0.741)、(V0.927Cr0.050Mo0.024)(C0.259N0.740);析出相的尺寸分布集中在 118 nm;析出相对屈服强度的贡献量分别约为 122.0 和 127.6 MPa;冷却速度加快,微合金碳氮化物析出相的尺寸得到一定的细化,但效果不明显。关键词:C70S6 非调质钢;冷却速度;胀断连杆;析出相;析出强化DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.004中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0027-07Influence of differential cooling control on microalloy carbonitride precipitated phase for bulging fractured connecting rod of C70S6 steelWang Zhanhua1,Hui Weijun2,Zhao Xiuming3,Cheng Long4(1.School of Mechanical and Electronic Technology,Suzhou Institute of Trade&Commerce,Suzhou 215009,China;2.School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;3.School of Materials Science and Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China;4.Zhejiang Asia Pacific Mechanical and Electrical Co.,Ltd.,Hangzhou 311201,China)Abstract:In order to promote the localization process of non-quenched and tempered steel C70S6 and clarify the problem of cooling speed process control during the production of C70S6 steel bulging fractured connecting rod,the influence of cooling speed on the precipitation of microalloy carbonitride in C70S6 steel was analyzed and discussed.Then,through the use of metallographic microscope(OM),scanning electron microscope(SEM)and X-ray diffractometer(XRD)and other equipments,using physical-chemical phase analysis method,the microscopic characteristics such as composition and particle size distribution of the microalloy carbonitride precipitated phase in the I-beam position of domestic C70S6 non-quenched and tempered steel bulging fractured connecting rod by air cooling and wind cooling phase after hot forging were observed,and the precipitation strength behavior of microalloy carbonitride M(CN)precipitated phase was quantified.The results show that when the cooling speed is 3 and 4 s-1,the microalloy carbonitride precipitated phase are all face-centered cubic structures,and the nominal chemical formulas are(V0.896Cr0.070Mo0.034)(C0.259N0.741)and(V0.927Cr0.050Mo0.024)(C0.259N0.740).The size distribution of the precipitated phase is concentrated in 1-18 nm,and the contributions of precipitated phase to yield strength are about 122.0 and 127.6 MPa,respectively.When the cooling speed is accelerated,and the size of microalloy carbonitride precipitated phase is refined to a certain extent,but the effect is not obvious.Key words:C70S6 non-quenched and tempered steel;cooling speed;bulging fractured connecting rod;precipitated phase;precipitation strength收稿日期:2022-05-02;修订日期:2022-08-12基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFB0300100);苏州经贸职业技术学院 2022 年校级课题(YJ-ZX2208)作者简介:王占花(1989-),女,博士,讲师E-mail:16116344 胀断连杆以高精度、高质量、低成本、绿色化等独特优势备受关注1-4。目前,国内外最普遍采用的胀断连杆用钢为 C70S6 非调质钢,在高碳的基础上添加微量 V、N 等元素,保证材料在胀断过程中呈现脆性断裂形貌4-5。国内一般采用进口材料,为推进连杆国产化及提升产品质量,国内提出差异化控制连杆工艺,使连杆的大头与工字筋部位的强度差异化,在服役过程中受力部位与需机加工部位的强度得到差异控制6。文献 6 研究了锻后不同冷却速度对中碳高钒非调质钢 37MnSiVS 组织及性能的影响,提出控制锻后冷却速度可以控制组织及第二相粒子的析出情况,从而实现对锻件硬度及强度的差异化控制;文献 7 和文献 8 中研究了两种不同钒含量的胀断连杆用中碳非调质钢锻造后冷却碳化物的析出情况,并讨论了其强化行为;文献 9 研究了冷却速度对 Nb 微合金钢组织及性能的影响,提出增加冷却速度可以提高 Nb 微合金的韧性等。而 C70S6 钢胀断连杆中微合金碳氮化物(简写为 M(CN)的情况尚未明确。因此,本实验拟探究差异化控冷对 C70S6 钢胀断连杆碳化物行为的影响,对比研究采用不同冷却方式的连杆中碳化物的形态、分布及对强度的贡献量,为 C70S6 钢胀断连杆国产化、批量化提供理论和实验依据。1 实验材料与方法实验对象为两种锻造工艺生产的国产 C70S6 钢胀断连杆锻造毛坯件(图 1),原材料由国内某钢铁公司自主研发,锻造实验由南京汽车锻造有限公司完成,连杆的化学成分见表 1。两种连杆锻造工艺的差别主要为终锻后的冷却方式,工艺 1 为锻后自然冷却,后文简称空冷,工艺 2 为锻后吹风冷却,后文简称风冷,具体的锻造工艺参数见表 2。图 1 连杆锻造毛坯Fig.1 Forging blank of connecting rod表 1 实验用 C70S6 钢的化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical compositions of C70S6 steel for experiment(%,mass fraction)CSiMnPSCrVAlNFe0.700.17 0.55 0.011 0.065 0.150.036 0.0031.25 10-4余量在连杆工字筋部位制备金相试样,分别用光学显表2 连杆锻造工艺参数Table 2 Process parameters of connecting rod forging工艺加热温度/终锻温度/冷却方式冷却至 600 时工字筋部位的冷却速度/(s-1)112001000空冷3.3212001000风冷至 600 后空冷4.0微镜(Optical Microscope,OM,型号为 XJP-3A)和扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM,型号为JSM-6360LV)对组织进行观测并拍照,选用 Image-Proe-PlusV6.0 图像分析软件检测 15 张 OM 照片中的铁素体含量及珠光体片层间距,最后数据取均值。在连杆工字筋部位制取尺寸为 80 mm30 mm5 mm 的光滑样块,并用化学方法萃取碳化物。借助 APD-10 型 X 射线衍射仪,分析析出相结构,采用光谱仪 ICP-AES 进行定量相分析。在连杆工字筋部位制备光滑短拉伸试样(原始标距 l0=5d0,原始平行长度直径 d0=6 mm),并在拉伸机上检测材料室温下的抗拉强度 Rm、屈服强度 ReL、伸长率 A 和收缩率 Z 等性能参数,选用 3 根平行试样,最后数据取均值。在显微硬度仪(MF700)上测定腐蚀后金相样品组织硬度,压力选择为 0.5 kg,加载时间为 5 s,每组样品测试 10 个点后取均值。2 实验结果与讨论2.1 冷却速度对组织的影响图 2 为连杆工字筋部位的金相组织及扫描电镜下的片层间距形貌,表 3 为微观组织的相关参数。结合图 2 与表 3 可知,在空冷与风冷工艺下,材料组织均为珠光体(Pearlite,P)+铁素体(Ferrite,F),且冷却速度加快,晶粒尺寸略有减小,铁素体 F 的含量有所降低,珠光体 P 的片层间距减小。这主要是由于锻后冷却速度增加,材料过冷度增大,铁素体 F 和珠光体 P 的形核率变大,且 C 曲线在铁素体 F 区的停留时间较短9,使得铁素体 F 来不及形核或者已形核但来不及长大就发生了珠光