S45CVMn鋼中Ti的控制及影響

S45CVMn鋼是用于制作轎車發動機連桿的非調質鋼。根據非調質鋼生產的一般思路，為了使該鋼獲得較高的強度和足夠的韌性，除了要將各元素控制在技術標準要求的范圍內，還要往鋼中加入一定量的N和Ti，以獲得沉淀強化和細化晶粒的效果。現場了解用戶使用S45CVMn鋼制作連桿的工藝后發現，該鋼下料后的加熱是采用感應爐加熱的，鋼材鍛造前總加熱時間為200 s(包括加熱和保溫時間)，加熱時間非常短。晶粒長大過程是一個動力學過程，主要與溫度和時間有關。一般來說，晶粒長大過程是一個比較慢的過程，它要克服Ti、Al、V等化合物的質點對晶界的阻礙后才能逐漸長大。那么，在這種加熱速度很快的感應加熱條件下晶粒長大過程如何呢?這個時候還需要加入Ti來細化晶粒嗎?如果不加入Ti，對性能會產生什么影響呢?為此，利用熱模擬試驗機等設備研究了Ti元素對S45CVMn非調質鋼晶粒大小和力學性能的影響。

試驗材料及方法

S45CVMn鋼的化學成分要求如表1。S45CVMn鋼的生產工藝為轉爐熔煉→鋼包精煉→RH真空脫氣→連鑄→連鑄坯加熱→軋制→空冷→精整→檢驗→包裝、入庫。發動機連桿的生產工藝流程為下料→感應加熱-→鍛造→冷卻-→檢驗。

生產不加Ti的和加入0.015%~0.025%Ti的S45CVMn鋼各3爐，其余成分控制范圍相同（具體每爐鋼的成分如表1中的A、B、C、D、E、F爐號）。

連鑄后以相同的軋鋼工藝進行軋制，軋制規格為4omm，然后按以下方法進行試驗。

( 1）分析不加Ti和加Ti兩種成分的鋼材在熱軋狀態下的力學性能和晶粒度,研究Ti元素對熱軋材的力學性能和晶粒大小的影響;

(2)將不加Ti和加Ti的鋼材加工成厚度為25mm的小試樣,置于型號為SX2-12一12的箱式電阻爐內,升溫到1 080℃后,保溫8 min燒透,然后取出空冷,通過Zeiss 金相顯微鏡觀察兩種成分的鋼正火后晶粒大小的變化,研究在常規加熱條件下加熱時Ti對S45CVMn非調質鋼晶粒度的影響;

(3)模擬感應加熱過程,將不加Ti和加Ti的兩種成分的鋼材制成尺寸為重10 mm× 70 mm 的熱模擬試樣,在Gleeble 3800熱模擬試驗機內從室溫開始以10 C/s 的速度加熱到1 080 °C(加熱時間為106s),保溫100 s,之后以空冷的速度冷至室溫,觀察晶粒大小的變化,研究在快速加熱條件下Ti 對S45CVMn非調質鋼晶粒長大的影響;

(4)將不加Ti和加Ti的兩種成分的鋼材在鍛造廠經感應加熱后鍛造成連桿,測量兩種成分的連桿的力學性能和晶粒大小,研究在實際感應加熱鍛造過程中Ti對S45CVMn非調質鋼力學性能和晶粒度的影響。

Ti元素對熱軋材力學性能和晶粒度的影響

加Ti和不加Ti的重40 mm S45CVMn非調質鋼圓鋼的力學性能和晶粒大小見表2。

從表2可以看出,不加Ti的S45CVMn非調質鋼強度明顯高于加Ti的S45CVMn非調質鋼,塑性和韌性指標相差不明顯。兩種成分的鋼材組織均為鐵素體＋珠光體組織﹐熱軋狀態下的晶粒大小無明顯差別(見圖1(a),圖1(d))。說明Ti元素的加人對熱軋材的晶粒大小沒有明顯影響,并且加人一定量的Ti會明顯降低強度,但對塑性和沖擊韌性影響不大。

Ti對實際感應加熱后鍛造連桿的晶粒度和力

學性能的影響

用戶在實際生產過程中,使用不加Ti和加Ti的S45CVMn非調質鋼經1 080℃感應加熱后鍛造成連桿,取樣測量連桿的力學性能和晶粒度如表3所示。

從表3結果來看,不加Ti的S45CVMn非調質鋼連桿晶粒大小和加Ti的一樣,但不加Ti的連桿強度明顯較高,并且塑性、韌性接近,不加Ti的連桿綜合力學性能高于加Ti的連桿。

根據試驗結果確定,生產S45CVMn非調質鋼時不用加 Ti。

在常規加熱條件下加熱時Ti 對S45CVMn非調質鋼晶粒長大的影響

常規加熱條件通常是指在電阻爐﹑煤氣爐等設備中通過輻射、對流、傳導對工件進行加熱,升溫速度比較慢;為了使被加熱的鋼材各處溫度都達到要求,加熱時間也較長。

Ti加入S45CVMn非調質鋼中后﹐鋼中除了已經存在的A1和V的氮化物質點外,還會形成TiN和Ti(C,N)質點,在常規加熱條件下的加熱過程中,沒有溶入到奧氏體的質點會阻礙奧氏體晶界的遷移，從而起到細化晶粒的作用。在這些質點中,彌散分布的TiN和Ti(C,N)質點對阻止奧氏體晶粒長大效果*大,資料顯示[1,含Ti的非調質鋼加熱到1 250 ℃時仍保持較細的晶粒;其次是Al和V的化合物,它們的粗化溫度大約在l000~1 050 C1]。所以,加有Ti的S45CVMn非調質鋼在常規加熱條件下加熱到1 080 ℃后晶粒比較細小;而沒有加Ti 的S45CVMn非調質鋼在該條件下加熱到1 080 ℃后晶粒就會出現明顯粗化。

在感應加熱條件下加熱時Ti 對s45CVMn 非調質鋼晶粒長大的影響

晶粒長大過程是一個動力學過程,它涉及到原子的擴散和晶界的移動等諸多因素,它不但與溫度有關,還與時間有很大關系[1。在感應加熱的情況下,由于加熱時間非常短,往往是晶粒還來不及長大,鋼的溫度就下降了;所以,雖然加熱溫度很高,也不管是否有阻礙奧氏體晶界移動的質點存在,奧氏體的晶粒都是很小的(見圖1(c)、圖1(f))。因此,加Ti不會影響在感應加熱條件下加熱的晶粒長大過程。

結論

(1)S45CVMn非調質鋼中加入Ti只能細化在常規加熱條件下加熱的晶粒大小;Ti的加入對熱軋狀態下的晶粒大小和感應加熱條件下加熱的的晶粒大小沒有明顯影響。

(2)S45CVMn非調質鋼中加入Ti會降低強度，對塑性和韌性影響不明顯。

(3)當鍛造前的加熱采用感應加熱時,不加Ti的S45CVMn非調質鋼鍛件綜合力學性能較好,成本也較低。