高強度70MnVS4鋼鍛后硬度控制工藝研究

文／廖勁松，唐蘭晶，胡光詠·白城中一精鍛股份有限公司

70MnVS4材料是在C70S6的基礎上，通過Mn、Cr、V的加入及C含量的調整進一步研發出的更高強度等級的非調質微合金鋼，高強度70MnVS4材料是通過提高V元素的含量獲得更高的抗拉及屈服強度。我公司為某用戶提供的70MnVS4材料連桿，因客戶對材料化學成分和性能有特殊要求，經檢驗：鍛件金相組織和機械性能都符合技術要求，但是硬度偏高，給加工帶來很大困難，為了解決這一難題，我們做了很多工藝優化和改進，最終達到比較理想的效果。

客戶對材料及鍛件的要求

材料化學成分要求

表1所示為70MnVS4材料化學成分要求，從其中可見V元素含量明顯提高，達0.19%左右。

表1 70MnVS4材料化學成分要求（%）

客戶對鍛件的機械性能要求

在客戶對鍛件的機械性能要求方面，抗拉強度為1000～1250 N/mm2，屈服強度為750～840 N/mm2，按照DIN50150標準，這個抗拉強度對應的布氏硬度值約在300～370HB之間。

在Fe-Fe3C相圖中，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，就是說珠光體轉變為偽共析區左濃度線，根據Acm低溫延長。

生產過程中的金相組織及存在的問題

生產實際中的金相組織

圖1所示為連桿大頭部位的金相組織，其鐵素體含量為3%，珠光體含量為97%；圖2所示為連桿工字梁部位的金相組織，其鐵素體含量為3%，珠光體含量為97%；由此我們可以看出，鍛后組織很好，且大頭和桿部組織基本一致。

圖1 連桿大頭部位的金相組織

圖2 連桿工字梁部位的金相組織

存在的問題

為了保證加工性能，客戶要求硬度控制范圍為300～340HB，我們生產的實際情況是：風冷后硬度與原材料爐號有關，有些爐號材料風冷后硬度可控制在320～340HB(d=3.3～3.4mm)，而有些爐號材料風冷后硬度只能控制在341～363HB（d=3.2～3.3mm）。

硬度高的原因分析

我們首先對原材料化學成分進行對比分析，將從2014年到2016年共28個爐號材料的C和V元素含量對比，如表2所示。從表中可以看出，C含量在0.7%～0.72%之間，V含量在0.18%～0.21%之間，波動很小?？梢源_定，材料爐號對硬度的影響應當是在可接受范圍內，也就是說，原材料爐號間的差異，不是導致硬度高的主要原因。

表2 2014年～2016年共28個爐號材料的C和V元素含量對比

圖3 70MnVS4鋼動態CCT試樣在不同冷卻速度條件下的顯微組織

排除原材料本身的原因，就是鍛后冷卻速度對硬度有影響，此70MnVS4材料是依據客戶特殊要求定制的，沒有現成的CCT曲線可供參照。與德國原材料供應商溝通多次，他們給出的答復是“不冷卻，不吹風，蓋上風冷線，低速運行，這是唯一可降低硬度的方法”。為進一步了解此材料的冷卻性能，我公司委托第三方機構做出材料在不同冷卻速度下的金相組織（圖3）和硬度，即動態CCT曲線（圖4）。

通過對不同冷卻速度下的金相組織分析和動態CCT曲線可以看出：從1000℃開始冷卻，冷卻速度超過5℃/s時，金相組織中會產生馬氏體組織，這是客戶不能接受的；若想達到我們想要的硬度320～340HB（340～360HV），需要的冷卻速度是0.2℃/s以下，冷卻時間在1.5h以上，這在批量生產過程中是無法實現的。我們只能盡可能降低冷卻速度，延長冷卻時間，以期望達到比較理想的硬度值。

生產過程中的解決方案

圖4 70SMnVS4鋼動態CCT曲線

對現有風冷設備進行改造：⑴在現有風冷設備前面再增加一道傳送鏈，此傳送鏈上設有加熱裝置和保溫裝置，加熱溫度設定為200℃；⑵一道、二道和三道傳送鏈均加蓋板，增加聚酯棉保溫；⑶一道和二道傳送鏈增加加熱裝置，設定溫度150℃；⑷一道和二道之間由滑道傳送改為傳送鏈傳送。按照這種工藝方式，鍛件硬度大約可以控制在320～350HB（d=3.26～3.40mm)，經過與客戶協調，客戶同意將硬度范圍調整為300～350HB，此工藝基本可以滿足客戶要求。

訂制一臺控溫冷卻爐（圖5），專門用于此種材料的鍛后控制冷卻?？乩錉t分三區控制，第一個為速冷區，通過冷卻風機使工件得以快速冷卻，冷卻速度通過變頻器控制冷卻風機的轉速來調整風機的風， 使工件在120s內冷卻到650℃左右。第二個為穩定區，工件在550s內冷卻到330℃左右。第三個為緩冷區，使工件在120s內冷卻到大約240℃。表3所示為工件在控溫冷卻爐各區的停留時間及出口溫度。

表3 工件在控溫冷卻爐各區的停留時間及出口溫度

三個控制區都裝有加熱器，當某一區冷卻速度過快時可通過開啟該區加熱器來補充熱量。速冷區和緩冷區各配有冷卻風機1臺、引風機1臺以及加熱器、變頻器等，變頻器能控制風量，使工件的冷卻速度得到控制。按照這種工藝方式，鍛件硬度大約可以控制在310～340HB(d=3.30～3.46mm)，金相組織和機械性能指標均比較理想。

圖5 控溫冷卻設備

結束語

隨著汽車輕量化市場的發展，對連桿的機械性能要求越來越高，各大主機廠聯合鋼廠不斷開發新的脹斷連桿材料，在現有材料基礎上，提高合金元素含量，以提高材料的機械性能。這也給鍛造企業提出新的課題，如何既保證金相組織和機械性能又保證連桿的加工和脹斷性能，是我們需要研究的。通過對高強度70MnVS4材料鍛后硬度控制的工藝研究，我們相信，無論材料如何更新，我們終究會找到控制它的辦法，最終讓客戶滿意。