鄧軍偉,徐俊峰,姜增強,王 磊,戴學忠

(天潤工業(yè)技術股份有限公司，威海 264400)

力學性能是鋼材最重要的使用性能,對于汽車零部件，其橫、縱方向上的力學性能均需要滿足標準要求。金屬內(nèi)部夾雜物等缺陷的不均勻性以及鍛造后金屬組織的各向異性,會造成鍛件橫向塑性總是低于其縱向塑性，且部分鍛件橫向塑性實測值遠遠低于標準值。

脹斷MC11H連桿的材料牌號為C38ModBY，采用直徑為68 mm的圓形鋼棒，經(jīng)輥鍛、預鍛及終鍛等工序進行鍛造成形，其加工工藝流程為下料→感應加熱→輥鍛→壓扁→預鍛→終鍛→切邊→沖孔→控冷→機加工。在鍛造態(tài)MC11H連桿大頭處截取橫向拉棒試樣進行拉伸試驗,試驗后發(fā)現(xiàn)其橫向拉棒試樣的斷面收縮率偏低。筆者通過宏觀觀察、化學成分分析、斷口分析、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法，分析了漲斷MC11H連桿橫向斷面收縮率偏低的原因，以期進一步改善MC11H連桿的橫向拉伸性能。

1 鍛造態(tài)連桿的拉伸性能

脹斷MC11H連桿在試生產(chǎn)過程中，原材料縱向和橫向拉伸性能均符合標準要求。原材料經(jīng)鍛造成形后，分別在鍛造態(tài)連桿大頭和連桿體處取橫向和縱向拉棒試樣進行拉伸試驗，取樣位置見圖1所示，其拉抻性能見表1，鍛造態(tài)MC11H連桿橫向的斷面收縮率遠低于技術要求，其余拉伸性能均滿足技術要求。

表1 連桿棒料和鍛造態(tài)MC11H連桿的拉伸性能

圖1 鍛造態(tài)MC11H連桿取樣位置示意

2 理化檢驗

2.1 化學成分分析

根據(jù)GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法》，采用德國斯派克SPECTROLAB型火花直讀光譜儀對鍛造態(tài)MC11H連桿進行化學成分分析。由表2可見，鍛造態(tài)MC11H連桿的化學成分滿足企業(yè)內(nèi)部標準的技術要求。

表2 脹斷MC11H連桿的化學成分

2.2 宏觀觀察

脹斷MC11H連桿縱向拉伸試樣斷口一般存在明顯的塑性變形區(qū)域，斷口呈杯錐狀,可見明顯剪切唇和放射區(qū)，杯的深淺與斷面收縮率的高低息息相關[1]。如圖2所示：脹斷MC11H連桿橫向拉伸試樣斷口未見明顯塑性變形區(qū)域，表現(xiàn)為脆性斷裂特征。在斷口約二分之一直徑處的兩側(cè)區(qū)域呈現(xiàn)不同的形貌特征，斷口右邊區(qū)域未見明顯頸縮現(xiàn)象，呈亮灰色結晶狀形貌；左邊區(qū)域呈凹凸不平、無金屬光澤且層次起伏的木紋狀平行條帶形貌，木紋狀平行條帶與連桿鍛造流線方向一致，根據(jù)GB/T 1814-1979《鋼材斷口檢驗方法》，該形貌斷口被稱為層狀斷口。

圖2 脹斷MC11H連桿橫向拉伸試樣斷口的宏觀形貌

龐鈞[2]研究表明木紋狀斷口對金屬橫向的抗拉強度、屈服強度影響很小，對金屬橫向的塑性影響較大。有研究表明成分偏析或連續(xù)的非金屬夾雜物等缺陷是造成木紋狀斷口的主要因素。

2.3 低倍組織和碳、硫含量檢驗

微觀偏析和宏觀偏析均會造成材料性能上的差異，最終影響工件的使用性能，碳、硫偏析是連鑄坯中最常見的缺陷，可采用低倍組織檢測法進行檢測，也可在材料不同位置處取屑進行檢測。低倍組織檢測依據(jù)標準GB/T 1979-2001《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》中的評級圖對組織進行評級。根據(jù)GB/T 20123-2006 《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》，采用HX-HW8B型高頻紅外碳硫分析儀進行碳、硫含量檢測。

在連桿棒料截取橫截面試樣，經(jīng)酸性溶液浸蝕后進行低倍組織檢測，見圖3。低倍組織檢測后，將試樣打磨、拋光后，在試樣心部、1/2半徑以及邊緣三個偏析嚴重位置處，用6 mm的鉆頭分別鉆1，3，3 個點進行取屑(取屑位置見圖4)，用紅外碳硫儀進行碳、硫含量檢測，通過偏析指數(shù)(碳、硫含量實測值與碳、硫熔煉值的比值)表征連桿棒料橫截面不同位置處的偏析程度，結果見表3，表3中的熔煉值來源于鋼廠提供的檢測報告。

圖3 連桿棒料橫截面低倍組織的宏觀形貌

圖4 連桿棒料橫截面的取屑位置示意

低倍組織的技術要求為一般疏松不大于2級,中心疏松不大于2級,錠型偏析不大于2級。連桿棒料橫截面的低倍組織檢測結果為一般疏松1級，中心疏松1級，錠型偏析、一般斑點狀偏析和邊緣斑點狀偏析都為0級，均符合技術要求。

碳偏析指數(shù)的技術要求為不大于 1.1 ，硫偏析指數(shù)的技術要求為不大于1.15 。由表3可見：連桿棒料橫截面1/2半徑處碳的平均質(zhì)量分數(shù)為0.383%，平均偏析指數(shù)約為 1.04 ；1/2半徑處硫的平均質(zhì)量分數(shù)為0.036%，平均偏析指數(shù)約為1.05；邊緣區(qū)域碳的平均質(zhì)量分數(shù)為0.363%，平均偏析指數(shù)約為0.98；邊緣區(qū)域硫的平均質(zhì)量分數(shù)為0.034%，平均偏析指數(shù)約為1.00。連桿棒料橫向斷面的碳、硫偏析程度較小，符合技術要求。連桿棒料橫截面不同位置處的碳、硫含量從高到依次為心部、1/2半徑處、邊緣區(qū)域。綜上所述，連桿棒料橫截面的低倍組織和碳、硫偏析指數(shù)均符合技術要求。

表3 連桿棒料橫截面不同位置處碳、硫的偏析指數(shù)

2.4 夾雜物檢驗

分別從連桿棒料橫截面心部、1/2半徑以及邊緣偏析嚴重位置處取樣，根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，采用GX 71型奧林巴斯金相顯微鏡進行觀察檢測。由圖5可見，與連桿棒料橫截面1/2半徑和邊緣處相比，其心部夾雜物最多，夾雜物主要為硫化物，呈長條狀且沿軋制方向伸展。心部硫化物評級為粗系2級，1/2半徑處硫化物評級為粗系1.5級，邊緣處硫化物評級為粗1級。

圖5 連桿棒料橫截面不同位置處夾雜物的微觀形貌

由圖6可見：鍛造態(tài)MC11H連桿橫向拉伸試樣斷口夾雜物分布不均勻，結晶狀斷口區(qū)域均勻分布著少量淺灰色細系夾雜物，木紋狀平行條帶區(qū)域夾雜物較密集；進一步放大觀察，可見木紋狀平行條帶區(qū)域分布著大量短條狀夾雜物，夾雜物沿鍛造流線方向伸展。

圖6 鍛造態(tài)MC11H連桿橫向拉伸試樣斷口夾雜物的微觀形貌

2.5 掃描電鏡及能譜分析

采用蔡司Sigma500型掃描電鏡(SEM)對鍛造態(tài)MC11H連桿橫向拉伸斷口的木紋狀斷口區(qū)域進行觀察，采用JED-2200型能譜儀(EDS)對木紋狀斷口處的夾雜物成分進行分析。如圖7a)、b)所示，木紋狀斷口區(qū)域可見許多平行的溝槽，溝槽擴展方向與鍛造流線方向一致,溝槽內(nèi)均存在條狀夾雜物，溝槽兩側(cè)可見細小的韌窩。如圖7c)所示，木紋狀斷口區(qū)域夾雜物主要為MnS。

圖7 鍛造態(tài)MC11H連桿橫向拉伸試樣斷口中木紋狀斷口區(qū)域SEM形貌及夾雜物EDS分析結果

3 分析與討論

一般情況下，材料的斷面收縮率隨碳含量的升高而下降。為提高材料塑性,生產(chǎn)中一般都將材料中的碳元素含量控制在技術要求的下限值。磷元素含量偏高也會降低材料的塑性，適量錳元素能有效提高材料的強度，且對材料的斷面收縮率幾乎無影響。一定含量的硫元素對后續(xù)連桿的漲斷加工有利,但硫含量過高會使材料的塑性降低，所以硫含量也應控制在技術要求的下限值。

連桿棒料橫截面的硫化物為長條狀，鍛造態(tài)MC11H連桿橫向拉伸斷口中硫化物呈短條狀斷續(xù)分布，是在連桿鍛造過程形成的。MC11H連桿是通過鍛造和切邊沖孔工藝加工而成的，圖8是MC11H連桿鍛造成形工藝流程示意。

圖8 MC11H連桿鍛造成形工藝流程示意

由圖8可見，在輥鍛過程中，鍛件直徑不斷減小，大部分金屬都沿鍛件的軸線方向流動[3]，鍛件棒料心部夾雜物等沿軸向被拉長，直至斷開，從而形成細條狀斷續(xù)的夾雜物形貌特征[4]。預鍛前對鍛件進行壓扁，目的是改善終鍛成型時金屬的流動條件，提高金屬的充型能力,該工序只對鍛件進行較小深度的壓下，因此變形程度很小。預鍛工序目的是使連桿大頭和小頭端成形，為預防鍛件出現(xiàn)折疊傷，桿身設計為矩形截面，待終鍛時進行最終成型。壓扁后鍛件大頭端的橫截面面積與最終成型的連桿大頭的面積相差較大，需要對鍛料長度方向上的金屬進行再分配。另外，預鍛開始時，鍛件金屬隨著上模的下壓而向下流動，當上下模盲孔凸臺與鍛件完全接觸后，與下模接觸的鍛件金屬幾乎不流動，此時在上、下模盲孔凸臺的擠壓下，鍛件大頭和小頭端金屬從鍛件中心軸沿寬度方向向四周流動，鍛件寬度增加，連桿整體輪廓基本成形，出現(xiàn)飛邊[5]。所以，預鍛工序中金屬的流動主要有鍛件大頭和小頭端金屬從鍛件中心軸沿寬度方向向四周邊緣流動和鍛件大頭端金屬沿鍛件長度方向流動[6]。在終鍛工序中，需要再次對鍛件進行鍛打，使型腔充型充分，鍛件大頭端變形程度不大[7]。

綜上所述，預鍛工序鍛件大頭、小頭端心部和橫截面1/2半徑處的金屬沿鍛件寬度方向向四周邊緣流動，一方面，導致鍛件大頭端夾雜物等缺陷大量聚集或局部堆積。另一方面，在擠壓剪切力作用下，夾雜物呈短條狀斷續(xù)分布。同時，鍛件大頭端金屬沿鍛件長度方向流動，使夾雜物延展方向與鍛造流線方向一致。

MC11H連桿材料為C38ModBY鋼，其硫質(zhì)量分數(shù)較高(約為0.034%)。經(jīng)軋制變形后，夾雜物等缺陷主要分布在棒料心部，在鍛造過程中鍛件心部金屬向四周流動，夾雜物等缺陷在鍛件大頭端聚集，從而使鍛件橫向的拉伸性能受到影響。在MC11H連桿橫向拉伸性能試驗過程中，首先開始變形的是鐵素體帶，隨后應力在垂直于受力方向的夾雜物位置處集中，隨著橫向拉力的增加，缺陷位置處的應力超過材料的許用應力，夾雜物與金屬界面處發(fā)生開裂，形成微小孔洞，隨著拉伸變形的逐步加劇，孔洞不斷擴展、開裂形成多條裂紋，斷口出現(xiàn)分層，最終形成木紋狀斷口。

連桿棒料心部含硫量較高，在預鍛工序模具的作用下，棒料心部金屬主要向鍛件大頭流動，造成夾雜物在該處大量聚集，最終在連桿大頭形成斷續(xù)分布的短條狀夾雜物，這嚴重破壞了連桿橫向拉伸性能的連續(xù)性，從而使連桿橫向的斷面收縮率降低[8-9]。

4 結論及建議

(1)MC11H連桿大頭端橫向的斷面收縮率低是該處密集分布的大量短條狀MnS夾雜物導致的。

(2)在鍛造過程中，可通過控制鍛壓初始溫度為1 220～1 250 ℃，以改善材料流動性，減少夾雜物聚集。

(3)控制鍛件溫降，上模壓下速度控制在10 mm/s左右。