高強(qiáng)度70MnVS4鋼鍛后硬度控制工藝研究

文／廖勁松，唐蘭晶，胡光詠·白城中一精鍛股份有限公司

70MnVS4材料是在C70S6的基礎(chǔ)上，通過Mn、Cr、V的加入及C含量的調(diào)整進(jìn)一步研發(fā)出的更高強(qiáng)度等級(jí)的非調(diào)質(zhì)微合金鋼，高強(qiáng)度70MnVS4材料是通過提高V元素的含量獲得更高的抗拉及屈服強(qiáng)度。我公司為某用戶提供的70MnVS4材料連桿，因客戶對(duì)材料化學(xué)成分和性能有特殊要求，經(jīng)檢驗(yàn)：鍛件金相組織和機(jī)械性能都符合技術(shù)要求，但是硬度偏高，給加工帶來很大困難，為了解決這一難題，我們做了很多工藝優(yōu)化和改進(jìn)，最終達(dá)到比較理想的效果。

客戶對(duì)材料及鍛件的要求

材料化學(xué)成分要求

表1所示為70MnVS4材料化學(xué)成分要求，從其中可見V元素含量明顯提高，達(dá)0.19%左右。

表1 70MnVS4材料化學(xué)成分要求（%）

客戶對(duì)鍛件的機(jī)械性能要求

在客戶對(duì)鍛件的機(jī)械性能要求方面，抗拉強(qiáng)度為1000～1250 N/mm2，屈服強(qiáng)度為750～840 N/mm2，按照DIN50150標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的布氏硬度值約在300～370HB之間。

在Fe-Fe3C相圖中，對(duì)于36MnVS4我們處理為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，含碳量0.34%，即不考慮合金元素對(duì)臨界溫度、熱處理工藝參數(shù)等的影響，依據(jù)過冷度對(duì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的影響，就是說珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閭喂参鰠^(qū)左濃度線，根據(jù)Acm低溫延長。

生產(chǎn)過程中的金相組織及存在的問題

生產(chǎn)實(shí)際中的金相組織

圖1所示為連桿大頭部位的金相組織，其鐵素體含量為3%，珠光體含量為97%；圖2所示為連桿工字梁部位的金相組織，其鐵素體含量為3%，珠光體含量為97%；由此我們可以看出，鍛后組織很好，且大頭和桿部組織基本一致。

圖1 連桿大頭部位的金相組織

圖2 連桿工字梁部位的金相組織

存在的問題

為了保證加工性能，客戶要求硬度控制范圍為300～340HB，我們生產(chǎn)的實(shí)際情況是：風(fēng)冷后硬度與原材料爐號(hào)有關(guān)，有些爐號(hào)材料風(fēng)冷后硬度可控制在320～340HB(d=3.3～3.4mm)，而有些爐號(hào)材料風(fēng)冷后硬度只能控制在341～363HB（d=3.2～3.3mm）。

硬度高的原因分析

我們首先對(duì)原材料化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比分析，將從2014年到2016年共28個(gè)爐號(hào)材料的C和V元素含量對(duì)比，如表2所示。從表中可以看出，C含量在0.7%～0.72%之間，V含量在0.18%～0.21%之間，波動(dòng)很小?？梢源_定，材料爐號(hào)對(duì)硬度的影響應(yīng)當(dāng)是在可接受范圍內(nèi)，也就是說，原材料爐號(hào)間的差異，不是導(dǎo)致硬度高的主要原因。

表2 2014年～2016年共28個(gè)爐號(hào)材料的C和V元素含量對(duì)比

圖3 70MnVS4鋼動(dòng)態(tài)CCT試樣在不同冷卻速度條件下的顯微組織

排除原材料本身的原因，就是鍛后冷卻速度對(duì)硬度有影響，此70MnVS4材料是依據(jù)客戶特殊要求定制的，沒有現(xiàn)成的CCT曲線可供參照。與德國原材料供應(yīng)商溝通多次，他們給出的答復(fù)是“不冷卻，不吹風(fēng)，蓋上風(fēng)冷線，低速運(yùn)行，這是唯一可降低硬度的方法”。為進(jìn)一步了解此材料的冷卻性能，我公司委托第三方機(jī)構(gòu)做出材料在不同冷卻速度下的金相組織（圖3）和硬度，即動(dòng)態(tài)CCT曲線（圖4）。

通過對(duì)不同冷卻速度下的金相組織分析和動(dòng)態(tài)CCT曲線可以看出：從1000℃開始冷卻，冷卻速度超過5℃/s時(shí)，金相組織中會(huì)產(chǎn)生馬氏體組織，這是客戶不能接受的；若想達(dá)到我們想要的硬度320～340HB（340～360HV），需要的冷卻速度是0.2℃/s以下，冷卻時(shí)間在1.5h以上，這在批量生產(chǎn)過程中是無法實(shí)現(xiàn)的。我們只能盡可能降低冷卻速度，延長冷卻時(shí)間，以期望達(dá)到比較理想的硬度值。

生產(chǎn)過程中的解決方案

圖4 70SMnVS4鋼動(dòng)態(tài)CCT曲線

對(duì)現(xiàn)有風(fēng)冷設(shè)備進(jìn)行改造：⑴在現(xiàn)有風(fēng)冷設(shè)備前面再增加一道傳送鏈，此傳送鏈上設(shè)有加熱裝置和保溫裝置，加熱溫度設(shè)定為200℃；⑵一道、二道和三道傳送鏈均加蓋板，增加聚酯棉保溫；⑶一道和二道傳送鏈增加加熱裝置，設(shè)定溫度150℃；⑷一道和二道之間由滑道傳送改為傳送鏈傳送。按照這種工藝方式，鍛件硬度大約可以控制在320～350HB（d=3.26～3.40mm)，經(jīng)過與客戶協(xié)調(diào)，客戶同意將硬度范圍調(diào)整為300～350HB，此工藝基本可以滿足客戶要求。

訂制一臺(tái)控溫冷卻爐（圖5），專門用于此種材料的鍛后控制冷卻?？乩錉t分三區(qū)控制，第一個(gè)為速冷區(qū)，通過冷卻風(fēng)機(jī)使工件得以快速冷卻，冷卻速度通過變頻器控制冷卻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)機(jī)的風(fēng)， 使工件在120s內(nèi)冷卻到650℃左右。第二個(gè)為穩(wěn)定區(qū)，工件在550s內(nèi)冷卻到330℃左右。第三個(gè)為緩冷區(qū)，使工件在120s內(nèi)冷卻到大約240℃。表3所示為工件在控溫冷卻爐各區(qū)的停留時(shí)間及出口溫度。

表3 工件在控溫冷卻爐各區(qū)的停留時(shí)間及出口溫度

三個(gè)控制區(qū)都裝有加熱器，當(dāng)某一區(qū)冷卻速度過快時(shí)可通過開啟該區(qū)加熱器來補(bǔ)充熱量。速冷區(qū)和緩冷區(qū)各配有冷卻風(fēng)機(jī)1臺(tái)、引風(fēng)機(jī)1臺(tái)以及加熱器、變頻器等，變頻器能控制風(fēng)量，使工件的冷卻速度得到控制。按照這種工藝方式，鍛件硬度大約可以控制在310～340HB(d=3.30～3.46mm)，金相組織和機(jī)械性能指標(biāo)均比較理想。

圖5 控溫冷卻設(shè)備

結(jié)束語

隨著汽車輕量化市場的發(fā)展，對(duì)連桿的機(jī)械性能要求越來越高，各大主機(jī)廠聯(lián)合鋼廠不斷開發(fā)新的脹斷連桿材料，在現(xiàn)有材料基礎(chǔ)上，提高合金元素含量，以提高材料的機(jī)械性能。這也給鍛造企業(yè)提出新的課題，如何既保證金相組織和機(jī)械性能又保證連桿的加工和脹斷性能，是我們需要研究的。通過對(duì)高強(qiáng)度70MnVS4材料鍛后硬度控制的工藝研究，我們相信，無論材料如何更新，我們終究會(huì)找到控制它的辦法，最終讓客戶滿意。