高强度70MnVS4钢锻后硬度控制工艺研究

发布时间:2019-02-12 00:48        

70MnVS4材料是在C70S6的基础上,通过Mn、Cr、V的加入及C含量的调整进一步研发出的更高强度等级的非调质微合金钢,高强度70MnVS4材料是通过提高V元素的含量获得更高的抗拉及屈服强度。我公司为某用户提供的70MnVS4材料连杆,因客户对材料化学成分和性能有特殊要求,经检验:锻件金相组织和机械性能都符合技术要求,但是硬度偏高,给加工带来很大困难,为了解决这一难题,我们做了很多工艺优化和改进,最终达到比较理想的效果。

客户对材料及锻件的要求材料化学成分要求

表1所示为70MnVS4材料化学成分要求,从其中可见V元素含量明显提高,达0.19%左右。

表1 70MnVS4材料化学成分要求(%)

客户对锻件的机械性能要求

在客户对锻件的机械性能要求方面,抗拉强度为1000~1250 N/mm2,屈服强度为750~840 N/mm2,按照DIN50150标准,这个抗拉强度对应的布氏硬度值约在300~370HB之间。

在Fe-Fe3C相图中,对于36MnVS4我们处理为普通碳素结构钢,含碳量0.34%,即不考虑合金元素对临界温度、热处理工艺参数等的影响,依据过冷度对转变产物的影响,就是说珠光体转变为伪共析区左浓度线,根据Acm低温延长。

生产过程中的金相组织及存在的问题生产实际中的金相组织

图1所示为连杆大头部位的金相组织,其铁素体含量为3%,珠光体含量为97%;图2所示为连杆工字梁部位的金相组织,其铁素体含量为3%,珠光体含量为97%;由此我们可以看出,锻后组织很好,且大头和杆部组织基本一致。

图1 连杆大头部位的金相组织

图2 连杆工字梁部位的金相组织

存在的问题

为了保证加工性能,客户要求硬度控制范围为300~340HB,我们生产的实际情况是:风冷后硬度与原材料炉号有关,有些炉号材料风冷后硬度可控制在320~340HB(d=3.3~3.4mm),而有些炉号材料风冷后硬度只能控制在341~363HB(d=3.2~3.3mm)。

硬度高的原因分析

我们首先对原材料化学成分进行对比分析,将从2014年到2016年共28个炉号材料的C和V元素含量对比,如表2所示。从表中可以看出,C含量在0.7%~0.72%之间,V含量在0.18%~0.21%之间,波动很小。可以确定,材料炉号对硬度的影响应当是在可接受范围内,也就是说,原材料炉号间的差异,不是导致硬度高的主要原因。

表2 2014年~2016年共28个炉号材料的C和V元素含量对比

图3 70MnVS4钢动态CCT试样在不同冷却速度条件下的显微组织

(a) 0.1℃ /s;(b) 0.25℃ /s;(c) 0.5℃ /s;(d)1℃ /s;(e) 2℃ /s;(f)3℃ /s;(g) 5℃ /s;(h) 10℃ /s;(i) 15℃ /s;(j) 20℃ /s;(k) 40℃ /s

排除原材料本身的原因,就是锻后冷却速度对硬度有影响,此70MnVS4材料是依据客户特殊要求定制的,没有现成的CCT曲线可供参照。与德国原材料供应商沟通多次,他们给出的答复是“不冷却,不吹风,盖上风冷线,低速运行,这是唯一可降低硬度的方法”。为进一步了解此材料的冷却性能,我公司委托第三方机构做出材料在不同冷却速度下的金相组织(图3)和硬度,即动态CCT曲线(图4)。

通过对不同冷却速度下的金相组织分析和动态CCT曲线可以看出:从1000℃开始冷却,冷却速度超过5℃/s时,金相组织中会产生马氏体组织,这是客户不能接受的;若想达到我们想要的硬度320~340HB(340~360HV),需要的冷却速度是0.2℃/s以下,冷却时间在1.5h以上,这在批量生产过程中是无法实现的。我们只能尽可能降低冷却速度,延长冷却时间,以期望达到比较理想的硬度值。

生产过程中的解决方案

图4 70SMnVS4钢动态CCT曲线

对现有风冷设备进行改造:⑴在现有风冷设备前面再增加一道传送链,此传送链上设有加热装置和保温装置,加热温度设定为200℃;⑵一道、二道和三道传送链均加盖板,增加聚酯棉保温;⑶一道和二道传送链增加加热装置,设定温度150℃;⑷一道和二道之间由滑道传送改为传送链传送。按照这种工艺方式,锻件硬度大约可以控制在320~350HB(d=3.26~3.40mm),经过与客户协调,客户同意将硬度范围调整为300~350HB,此工艺基本可以满足客户要求。

订制一台控温冷却炉(图5),专门用于此种材料的锻后控制冷却。控冷炉分三区控制,第一个为速冷区,通过冷却风机使工件得以快速冷却,冷却速度通过变频器控制冷却风机的转速来调整风机的风, 使工件在120s内冷却到650℃左右。第二个为稳定区,工件在550s内冷却到330℃左右。第三个为缓冷区,使工件在120s内冷却到大约240℃。表3所示为工件在控温冷却炉各区的停留时间及出口温度。

表3 工件在控温冷却炉各区的停留时间及出口温度

三个控制区都装有加热器,当某一区冷却速度过快时可通过开启该区加热器来补充热量。速冷区和缓冷区各配有冷却风机1台、引风机1台以及加热器、变频器等,变频器能控制风量,使工件的冷却速度得到控制。按照这种工艺方式,锻件硬度大约可以控制在310~340HB(d=3.30~3.46mm),金相组织和机械性能指标均比较理想。

图5 控温冷却设备

结束语

随着汽车轻量化市场的发展,对连杆的机械性能要求越来越高,各大主机厂联合钢厂不断开发新的胀断连杆材料,在现有材料基础上,提高合金元素含量,以提高材料的机械性能。这也给锻造企业提出新的课题,如何既保证金相组织和机械性能又保证连杆的加工和胀断性能,是我们需要研究的。通过对高强度70MnVS4材料锻后硬度控制的工艺研究,我们相信,无论材料如何更新,我们终究会找到控制它的办法,最终让客户满意。

Copyright © 2018 合肥连韧制造有限公司 皖ICP备18007208号