36MnVS4材料連桿生產過程中鐵素體含量的控制工藝

文/陳力，唐蘭晶，王天民，姜喜山·白城中一精鍛股份有限公司

36MnVS4材料連桿生產過程中鐵素體含量的控制工藝

文/陳力，唐蘭晶，王天民，姜喜山·白城中一精鍛股份有限公司

陳力，質保部部長，高級工程師，從事金相檢驗和質量管理工作20余年，具有國家勞動保障部頒發的物理性能檢驗三級（高級）資格證，新產品開發項目組主要成員，獲得過新產品開發科技進步一等獎、二等獎。

某公司生產連桿鍛件采用36MnVS4材料，棒料加熱到1230℃，進行鍛打，切邊后放入風冷設備傳送鏈進行吹弱風冷卻。經檢驗，鍛件其他性能都符合技術要求，只有鐵素體含量超出要求范圍，金相組織照片放大500倍，晶粒度為8級，鐵素體含量為48.72%。鐵素體含量超出要求范圍很多，經過多種工藝試驗，鐵素體的含量，雖然有所下降，但不能達到要求范圍≤35%。

實驗分析

我們對關于36MnVS4材料的連桿，在鍛件余熱控冷處理后所得“珠光體＋鐵素體”組織中，鐵素體含量超標情況，現做出如下實驗分析和生產試驗處理建議。

(1）按照現有的資料顯示，得如下已知情況。

1）鍛件使用材料為：36MnVS4，化學成分如下：

鍛件性能要求：σs≥750N/mm2，σb：950～1100N/mm2，δ≥12%。

鍛件金相要求：珠光體+鐵素體；并且鐵素體含量≤35%。晶粒度：5～8級。

2）連桿鍛件生產工藝流程：下料－中頻感應加熱－輥鍛制坯～液壓模鍛成形（始鍛～終鍛）－切邊－控冷－噴丸－探傷－硬度分選－精整－重量檢查。

3）鍛造加熱溫度：1200～1250℃；在后來的試驗中提高到1300～1340℃。

4）控制冷卻：因為是“2＋1”整套生產線進口，利用鍛造余熱，在保證終鍛溫度不低于Ar3或更高的溫度時，控制冷卻采用3個分段且每段都可以采取強風、弱風和不吹風方式，達到利用鍛造余熱、控制冷卻來獲得“珠光體＋鐵素體”組織，期待滿足處理該非調質鋼鍛造連桿的各項檢測要求，包括“鐵素體量≤35%”。

5）問題：在采用外方建議的從1230℃提高到1300℃奧氏體化加熱溫度后，鐵素體量降低并接近質量要求。如果采用更強烈的冷卻方式將不能得到完全的珠光體＋鐵素體組織，這當然不能滿足要求。

(2）理論分析。

從Fe-Fe3C相圖，對于36MnVS4我們處理為普通碳素結構鋼，含碳量0.34%，即不考慮合金元素對臨界溫度、熱處理工藝參數等的影響，依據過冷度對轉變產物的影響，就是說珠光體轉變偽共析區左濃度線，即根據Acm低溫延長線，并根據杠桿定律計算：在Ar3稍下，鐵素體量～55%；在650℃，鐵素體量～51%；在550℃，鐵素體量～38%；在500℃，鐵素體量≤35%。

(3）實驗及分析。

現在，我們利用實驗室內自己建立的實驗條件：一臺高溫爐，使用溫度800～1150℃；一臺低溫爐，使用溫度≤700℃；一臺速冷裝置，風壓達到＞1000Pa；一部美國雷泰的紅外測溫儀。

我們利用4件精鍛連桿，盡管不能夠達到鍛造余熱控冷，我們也還是重新加熱，我們考慮控冷采用了4種方案：

方案1：950℃奧氏體化加熱和保溫30min結束后，緩冷到850℃吹冷，待降溫冷卻至550℃后，等溫處理保溫時間60min，出爐緩慢冷卻；

方案2：1150℃奧氏體化加熱和保溫30min結束后，直接吹冷，待降溫冷卻至550℃后，并等溫60min，出爐緩慢冷卻；

方案3：1150℃奧氏體化加熱和保溫30min結束后，直接吹冷，待降溫冷卻至550℃后，停止吹風緩慢冷卻；

方案4：1150℃奧氏體化加熱和保溫30min結束后，緩冷到850℃，吹風冷卻，待降溫冷卻至550℃后，停止吹風緩慢冷卻。

對于以上實驗：我們事先不能確定臨界冷卻速度和BS點，也還須確認連續冷卻假定的過冷度后，連續吹冷轉變會否得到非珠光體型組織。因此吹風冷卻下限溫度控制在550℃。

(4）實驗分析。

1）對于“950℃奧氏體化加熱和保溫30min結束后，緩冷到850℃吹冷，待降溫冷卻至550℃后，等溫處理保溫時間60min，出爐緩慢冷卻”，得到非常細的等軸鐵素體和珠光體組織，分布均勻，鐵素體量～59%，硬度為241～262HB。很明顯，加熱并保溫時鋼中的VN或VCN不能分解和固溶到奧氏體中，或者較少，抑制奧氏體晶粒長大并成為隨后先共析鐵素體析出的一致性和依附的異質核心，提高了連續冷卻時的臨界冷卻速度。盡管我們設想實驗采用的過冷度較大，但實際上沒形成過冷，或者說提供的強制吹風冷卻速度并不充分。不作討論。

2）“1150℃奧氏體化加熱和保溫30min結束后，直接吹冷，待降溫冷卻至550℃后，并等溫60min，出爐緩慢冷卻”，“1150℃奧氏體化加熱和保溫30min結束后，直接吹冷，待降溫冷卻至550℃后，停止吹風緩慢冷卻”及“1150℃奧氏體化加熱和保溫60min結束后，緩冷到850℃，吹風冷卻，待降溫冷卻至550℃后，停止吹風緩慢冷卻”對比見表1：

表1 1150℃奧氏體化加熱和保溫60min結束后的不同控冷處理和性能

圖1 方案1：950℃奧氏體化加熱和保溫30min結束后，緩冷到850℃吹冷，待降溫冷卻至550℃后，等溫處理保溫時間60min后出爐緩冷的組織

圖2 方案2：1150℃奧氏體化加熱和保溫30min結束后，直接吹冷，待降溫冷卻至550℃后，并等溫60min出爐后出爐緩冷的組織

3）以上可以總結出：

①550℃等溫處理比不等溫處理有更多鐵素體量析出。

②緩冷后的吹冷比直接吹冷有更多的鐵素體析出，并且鐵素體更為粗大。

③硬度偏差來自測量位置、測量儀器、測量人員的讀數，但還是能夠確認布氏硬度d10/30/30sec在293～341HB。

④對比方案3和方案4得出：根據鐵素體大小和分布，分析原因，VN或VCN在＞850℃的緩冷中在奧氏體晶內和晶界都發生粗化，包括分解并固溶的VN或VCN重新在原位置再析出，以及已有的VN或VCN的合并，這樣減少鐵素體異質形核位置，固溶的V在晶界擴散增加析出數量；但同時，隨著緩冷過程，奧氏體中的碳濃度分布均勻性的偏差也在減小，根據Fe-Fe3C相圖A3和Acm線，濃度散差減小，分散度降低，相似濃度或相同偏差的區域也應在增大，這樣的區域也易于析出為同一鐵素體晶粒。上述兩條可以解釋緩冷過程使鐵素體稍顯粗大以及在晶界分布較多以至塊狀連續分布。對比方案3和方案4，表現出有緩冷的塊狀，原奧氏體晶界近乎連續，在珠光體內的較晶界分布的稍粗大。

⑤對比方案2和方案3得出：根據鐵素體大小和分布，分析原因，在550℃的等溫處理中，繼續發生鐵素體的析出。在奧氏體晶內VN或VCN繼續析出，顆粒數量增加；在晶界包括原奧氏體晶界，或許也包括鐵素體和奧氏體界面（相界）處析出；上述兩點的等溫過程中析出，看出鐵素體數量多，晶粒較不等溫處理的稍大；也包括在已析出的化合物顆粒上析出長大而形成粗化，包括分解并固溶的VN或VCN重新在原位置再析出，以及已有的VN 或VCN的合并，與在奧氏體晶界新析出的化合物顆粒綜合效應，這樣在奧氏體晶界鐵素體異質形核位置數量幾乎不變時，有等溫的鐵素體奧氏體晶界處的鐵素體晶粒尺寸較大。對比方案2和方案3，表現出有等溫過程的鐵素體體積分數大、晶粒大、分布較均勻。

生產試驗處理建議

(1）根據理論分析，對于釩含量V 0.25～0.30wt.%，VN或VCN完全溶解溫度≥1200℃，對比實驗的奧氏體化加熱和保溫溫度1150℃及保溫時間60min，不能完全分解和固溶，但又超過奧氏體晶粒粗化溫度，實驗獲得的晶粒不是很均勻，因而1150℃不是最終需要的奧氏體化溫度，應控制在1200℃或更高。鍛造加熱溫度1260℃～1300℃比較合適。

圖3 方案3：1150℃奧氏體化加熱和保溫30min結束后，直接吹冷，待降溫冷卻至550℃后，停止吹風緩慢冷卻后的組織

圖4 方案4：1150℃奧氏體化加熱和保溫30min結束后，緩冷到850℃，吹風冷卻，待降溫冷卻至550℃后，停止吹風緩慢冷卻的組織

(2）生產過程因奧氏體化溫度較高，但同時8sec 或15sec的短時（近乎瞬時加熱）保溫，VN或VCN應接近或已完全溶解，但還難以擴散均勻，即所說的奧氏體化后的成分均勻化，盡管奧氏體晶粒均勻連續長大，但不能發現此類含較多V、S易切削非調質鋼沉淀強化、IGF強化機理的體現。

(3）實際生產中的金相試樣，因為未充分分解和固溶，奧氏體內碳的均勻性不足或與實際碳含量不符合，減少鐵素體量的吹風快速連續冷卻，要獲得的抑制或更確切說減少先共析鐵素體析出，并且要達到理論過冷獲得偽共析珠光體的工藝目標，難以實現。

(4）對 于E888連桿，采用精鍛并且冷后脹裂處理工藝，選取易切削非熱處理或非調質鋼36MnVS4材料，并要獲取綜合的最終組織與力學性能，控制加熱和控制冷卻不僅必要而且應做到精確處理，就包括：充分奧氏體化（奧氏體化、化合物甚至包括MnS分解和固溶、固溶體均勻化），控制住始鍛和終鍛的熱加工溫度，終鍛后的控制冷卻（依據連續冷卻轉變甚至聯系等溫轉變原理對不同溫度段控制冷卻速度或者保溫處理）。

(5）建議實際生產線，提高加熱溫度。始鍛溫度過高，控制冷卻第一段冷卻到550℃，第二段緩冷。

結論

(1）根據實驗：控制鐵素體含量的工藝可以實現。

(2）在實際生產中需要增加一些設備，并延長生產周期，增加成本。

(3）實際生產過程控制難度較大。