激光相變刻痕后可裂解高強度中碳非調質鋼的開發

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激光相變刻痕后可裂解高強度中碳非調質鋼的開發

刊名：Materials Science and Technology（英）

刊期：2013年第5期

作者：D.Zhang et al

編譯：張英才

裂解是于1980年開始采用的一項新工藝，可以在諸如連桿、凸輪軸蓋等內燃機零件的制造中采用。這項工藝的導入大大降低了制造成本并避免了兩個零件之間的高強度連接。對裂解零件的最基本要求是斷裂面的塑性變形極小，兩個表面能完美地貼合。最初裂解連桿使用的材料是高碳鋼C70S6，這種鋼在通過拉削形成缺口之后可以裂解。但工具磨損會引起缺口的銳度降低，導致在裂解表面產生塑性變形和其它缺陷。為此，開發了一種非接觸方法，即用激光在連桿表面形成一條狹窄的溝槽，產生應力集中。早期的激光切槽工藝與機床切槽類似，即在激光熔化與空氣吹射的聯合作用下形成一條物理溝槽，但這項工藝的缺點是會形成細小的熔珠顆粒。開發了一種新的引發裂解的激光刻痕方法，這種被稱之為激光相變刻痕（LTN）的工藝不必去掉金屬，利用高功率聚焦激光束掃過表面，在熔化和冷凝的聯合作用形成脆性馬氏體區。

隨著汽車發動機功率的提高，使連桿的負荷增大，但又要限制連桿的質量增大，因此需要用更高強度鋼種取代C70S6，新鋼種還必須滿足裂解工藝的要求。考慮采用添加微合金元素釩（0.09%～0.15%）的中碳非調質鋼，試驗用鋼的化學成分見表1。研究的目的是借助夏比沖擊試驗考察LTN深度對這種含有適量S、P且低Si含量的非調質鋼斷裂的影響。

研究結果表明，①可以用高能密度激光產生LTN，并引發鍛造中碳低硅非調質鋼中的脆性裂紋擴展，這種鋼的屈服強度為600MPa，拉伸強度為900MPa；②對于表1中所列3種不同化學成分的鋼材都已確定LTN深度與夏比沖擊值之間的關系，刻痕深度對力-位移曲線、夏比沖擊能和斷裂表面有很大影響，在LTN較淺時導致斷裂表面出現窄的塑性斷裂帶，而在LTN較深時則不存在塑性斷裂帶；③含有較高S、P含量的鋼在刻痕深度大于0.4mm時具有最低的夏比沖擊能2.9J，而S含量較高的鋼則為5.5J，正常S、P含量的基礎鋼為11.2J；④原始鍛鋼中的MnS夾雜物在LTN熔化區重新分布到再凝固的晶粒邊界，P的分布雖尚未確定，但可推測在凝固期間會分割枝晶和柱狀晶粒邊界；⑤含有足夠量S、P的試驗鋼種適于裂解和更高負荷領域的應用。

表1　試驗用鋼的化學成分　%