脹斷連桿用中碳非調質KNF33MAM鋼的成分與組織

鄧向陽,林 俊,謝 有,李仕超

(中天鋼鐵集團有限公司，常州 213011)

C70S6類高碳鋼是制造發動機脹斷連桿常用的非調質鋼，但其強度較低，不適合用于制造高強度、高爆發壓力的大功率發動機連桿。C70S6類高碳鋼組織中高硬度的片層狀滲碳體較多，鋼材的切削加工性能較差，限制了汽車輕量化的發展。因此，各國相繼開發了新型的脹斷連桿用非調質鋼，主要目標是降低碳元素含量，增加微合金化元素含量，以細小鐵素體+珠光體代替傳統的粗大片層珠光體+極少鐵素體[1]。日本自2004年陸續開發了相關鋼種，如熱鍛非調質鋼KNF系列，其中高強度型KNF33M鋼、KNF35M鋼的化學成分類似于國內的36MnVS4鋼[2]。

筆者取日本A廠連桿用非調質鋼圓棒，材料為KNF33MAM鋼，直徑為36 mm，對其化學成分、低倍組織、顯微組織、非金屬夾雜物等方面進行分析，結果可為加快國內汽車脹斷連桿用高等級非調質鋼的研發進度提供理論依據。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

利用直讀光譜儀對KNF33MAM鋼進行化學成分分析，結果如表1所示。試樣中的微合金化元素釩可以提高材料的強度；鋼中含有一定量的氧元素，生成氧化物夾雜可成為硫化物的核心，從而有利于生成短桿紡錘體狀的硫化物，提高材料的切削性能；鋼中的磷元素有利于提高材料的脹斷性能、屈強比和疲勞強度。目前國內部分鋼鐵企業生產36MnVS4鋼時，也會向其中加入一定量的磷元素[3]。

表1 KNF33MAM鋼的化學成分分析結果 %

1.2 低倍組織檢驗

對KNF33MAM鋼和國內同類材料進行低倍檢驗，結果如圖1所示，可見KNF33MAM鋼組織比較致密，未見明顯的枝晶形貌或中心偏析等低倍缺陷；國內同類材料可見較為明顯的中心偏析、疏松等低倍缺陷。

圖1 KNF33MAM鋼和國內同類材料的低倍檢驗結果

KNF33MAM鋼截面處碳、硫元素的含量(質量分數)及分布情況如圖2所示，可見KNF33MAM鋼截面處橫向與縱向的元素分布相差較大，特別是1/2半徑處有較大的成分偏析。

1.3 金相檢驗

KNF33MAM鋼的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知：KNF33MAM鋼的組織為鐵素體+珠光體，鐵素體含量較高，且沿晶分布不明顯；晶粒度等級為8級，晶粒較細；表層無明顯脫碳；鐵素體呈帶狀，1/2半徑及心部的帶狀組織評級為1.5級。鐵素體含量較高以及晶粒較細，會使材料的脹斷性能變差，因此需要添加磷元素對材料進行改善[4]。

1.4 非金屬夾雜物分析

對KNF33MAM鋼和國內同類材料組織中的夾雜物進行評級，結果如表2所示，可見KNF33MAM鋼中非金屬夾雜物級別較低，數量較少，材料純凈度較高。

表2 KNF33MAM鋼和國內同類材料組織中夾雜物的評級結果 級

1.4.1 氧化物

KNF33MAM鋼中氧化物主要為SiO2-CaO-Al2O3-MnO系，一部分單獨存在，另一部分與硫化物共同存在。單獨存在的復合型氧化物多呈長條狀，少數顆粒尺寸(直徑，下同)達到50 μm以上，大部分顆粒尺寸小于1 μm，主要成分為SiO2。根據單獨存在的復合型氧化物的數量以及尺寸分布，統計氧化物的平均成分為SiO2(質量分數為38.20%)-CaO(質量分數為23.17%)-Al2O3(質量分數為21.85%)-MnO(質量分數為16.78%)。將成分歸一化，繪于Al2O3-SiO2-CaO及MnO-SiO2-CaO三元相圖中，結果如圖4所示，用氣泡的大小表示MnO的含量，圖中紅線為1 500 ℃時的液相區，可見Al2O3含量與MnO含量呈現相反趨勢，且MnO含量低的氧化物多處于低熔點區域。說明在降溫過程中，夾雜物的化學成分發生了變化。因此，鋼中存在的氧化物可細分為3類：① MnO含量低的SiO2-CaO-Al2O3夾雜，處于相圖低熔點區域，軋后呈長條形貌；② Al2O3含量低或無Al2O3的SiO2-MnO類夾雜；③ 尺寸約為1 μm的SiO2類夾雜。

圖4 KNF33MAM鋼中單獨存在的氧化物成分分布情況

1.4.2 硫化物

KNF33MAM鋼縱截面1/2半徑處硫化物的微觀形貌如圖5所示，可見硫化物分布比較均勻，且長度與寬度之比較小，呈現短桿狀。

圖5 KNF33MAM鋼縱截面1/2半徑處硫化物的微觀形貌

除單獨存在的硫化物外，部分硫化物與氧化物復合存在，復合硫化物的典型微觀形貌如圖6所示，其中淺色區域為MnS。復合硫化物按形貌可分為兩類：第一類為析出形態，氧化物多為Ca-Si-Al-O系，Mn元素含量較低，與單獨存在的長條狀氧化物成分相近[見圖6a)～6d)]，可能是降溫過程中MnS從液態氧化物中析出所得；第二類硫化物中包裹著明顯的氧化物核心，大部分核心尺寸小于1 μm[見圖6e)～6h)]。

圖6 復合硫化物的典型微觀形貌

利用FACTSAGE軟件對復合硫化物的生成行為進行計算，計算溫度區間為1 000～1500 ℃，凝固溫度區間在1 420～1 490 ℃。復合硫化物化學成分隨溫度的變化情況如圖7所示，可見凝固前鋼液中夾雜物為液態SiO2-Al2O3-CaO-MnO系，與單獨存在的氧化物成分相近，隨著溫度降低，液態夾雜物轉變為鈣鋁硅酸鹽，其中的Mn原子與殘留的S原子結合生成MnS，從而形成第一類復合硫化物；第二類復合硫化物，以鋼中存在的SiO2-MnO系夾雜物為核心，隨著溫度降低，該類夾雜物向SiO2方向轉變。

圖7 復合硫化物化學成分隨溫度的變化情況

2 綜合分析

由上述分析結果可知：KNF33MAM鋼截面橫向與縱向的碳、硫元素含量分布差別較大，特別是1/2半徑處碳、硫元素的成分偏析較大；KNF33MAM鋼截面處的低倍組織未見明顯枝晶形態，致密度較好；KNF33MAM鋼的顯微組織為鐵素體+珠光體，未見明顯鐵素體沿晶分布，帶狀組織為1.5級，表面未見明顯脫碳。鐵素體含量較高、晶粒較細，有利于提高材料的塑性和韌性，但會降低材料的脹斷性能，因此，向材料中添加磷元素，可以改善材料的脹斷性能。氧化物夾雜多為SiO2-CaO-Al2O3-MnO復合型，呈細長條狀，尺寸較小，只有少量夾雜物的尺寸達到50 μm以上；硫化物分布均勻，部分硫化物以含有少量MnO的SiO2-CaO-Al2O3-MnO或含有大量Si元素的SiO2-MnO為核心復合存在，有利于形成紡錘體狀硫化物，提高材料的切削性能。

3 結語

國外脹斷連桿用高等級非調質鋼的低倍組織質量、鋼水純凈度等方面表現較好，值得國內借鑒學習，但是該材料在成分偏析等方面存在一定問題，這也是國內在材料開發生產過程中需要避免和解決的問題。