S45CVMn鋼中Ti的控制及影響

S45CVMn鋼是用于制作轎車發(fā)動機(jī)連桿的非調(diào)質(zhì)鋼。根據(jù)非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)的一般思路，為了使該鋼獲得較高的強(qiáng)度和足夠的韌性，除了要將各元素控制在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，還要往鋼中加入一定量的N和Ti，以獲得沉淀強(qiáng)化和細(xì)化晶粒的效果。現(xiàn)場了解用戶使用S45CVMn鋼制作連桿的工藝后發(fā)現(xiàn)，該鋼下料后的加熱是采用感應(yīng)爐加熱的，鋼材鍛造前總加熱時(shí)間為200 s(包括加熱和保溫時(shí)間)，加熱時(shí)間非常短。晶粒長大過程是一個(gè)動力學(xué)過程，主要與溫度和時(shí)間有關(guān)。一般來說，晶粒長大過程是一個(gè)比較慢的過程，它要克服Ti、Al、V等化合物的質(zhì)點(diǎn)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(yīng)加熱條件下晶粒長大過程如何呢?這個(gè)時(shí)候還需要加入Ti來細(xì)化晶粒嗎?如果不加入Ti，對性能會產(chǎn)生什么影響呢?為此，利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備研究了Ti元素對S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼晶粒大小和力學(xué)性能的影響。

試驗(yàn)材料及方法

S45CVMn鋼的化學(xué)成分要求如表1。S45CVMn鋼的生產(chǎn)工藝為轉(zhuǎn)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(yàn)→包裝、入庫。發(fā)動機(jī)連桿的生產(chǎn)工藝流程為下料→感應(yīng)加熱-→鍛造→冷卻-→檢驗(yàn)。

生產(chǎn)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(jìn)行軋制，軋制規(guī)格為4omm，然后按以下方法進(jìn)行試驗(yàn)。

( 1）分析不加Ti和加Ti兩種成分的鋼材在熱軋狀態(tài)下的力學(xué)性能和晶粒度,研究Ti元素對熱軋材的力學(xué)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(nèi),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(guī)加熱條件下加熱時(shí)Ti對S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼晶粒度的影響;

(3)模擬感應(yīng)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(yàn)機(jī)內(nèi)從室溫開始以10 C/s 的速度加熱到1 080 °C(加熱時(shí)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(diào)質(zhì)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(jīng)感應(yīng)加熱后鍛造成連桿,測量兩種成分的連桿的力學(xué)性能和晶粒大小,研究在實(shí)際感應(yīng)加熱鍛造過程中Ti對S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能和晶粒度的影響。

Ti元素對熱軋材力學(xué)性能和晶粒度的影響

加Ti和不加Ti的重40 mm S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼圓鋼的力學(xué)性能和晶粒大小見表2。

從表2可以看出,不加Ti的S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度明顯高于加Ti的S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼,塑性和韌性指標(biāo)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(tài)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(qiáng)度,但對塑性和沖擊韌性影響不大。

Ti對實(shí)際感應(yīng)加熱后鍛造連桿的晶粒度和力

學(xué)性能的影響

用戶在實(shí)際生產(chǎn)過程中,使用不加Ti和加Ti的S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)1 080℃感應(yīng)加熱后鍛造成連桿,取樣測量連桿的力學(xué)性能和晶粒度如表3所示。

從表3結(jié)果來看,不加Ti的S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼連桿晶粒大小和加Ti的一樣,但不加Ti的連桿強(qiáng)度明顯較高,并且塑性、韌性接近,不加Ti的連桿綜合力學(xué)性能高于加Ti的連桿。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定,生產(chǎn)S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼時(shí)不用加 Ti。

在常規(guī)加熱條件下加熱時(shí)Ti 對S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼晶粒長大的影響

常規(guī)加熱條件通常是指在電阻爐﹑煤氣爐等設(shè)備中通過輻射、對流、傳導(dǎo)對工件進(jìn)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(dá)到要求,加熱時(shí)間也較長。

Ti加入S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼中后﹐鋼中除了已經(jīng)存在的A1和V的氮化物質(zhì)點(diǎn)外,還會形成TiN和Ti(C,N)質(zhì)點(diǎn),在常規(guī)加熱條件下的加熱過程中,沒有溶入到奧氏體的質(zhì)點(diǎn)會阻礙奧氏體晶界的遷移，從而起到細(xì)化晶粒的作用。在這些質(zhì)點(diǎn)中,彌散分布的TiN和Ti(C,N)質(zhì)點(diǎn)對阻止奧氏體晶粒長大效果*大,資料顯示[1,含Ti的非調(diào)質(zhì)鋼加熱到1 250 ℃時(shí)仍保持較細(xì)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(diào)質(zhì)鋼在常規(guī)加熱條件下加熱到1 080 ℃后晶粒比較細(xì)小;而沒有加Ti 的S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼在該條件下加熱到1 080 ℃后晶粒就會出現(xiàn)明顯粗化。

在感應(yīng)加熱條件下加熱時(shí)Ti 對s45CVMn 非調(diào)質(zhì)鋼晶粒長大的影響

晶粒長大過程是一個(gè)動力學(xué)過程,它涉及到原子的擴(kuò)散和晶界的移動等諸多因素,它不但與溫度有關(guān),還與時(shí)間有很大關(guān)系[1。在感應(yīng)加熱的情況下,由于加熱時(shí)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(zhì)點(diǎn)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(yīng)加熱條件下加熱的晶粒長大過程。

結(jié)論

(1)S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼中加入Ti只能細(xì)化在常規(guī)加熱條件下加熱的晶粒大小;Ti的加入對熱軋狀態(tài)下的晶粒大小和感應(yīng)加熱條件下加熱的的晶粒大小沒有明顯影響。

(2)S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼中加入Ti會降低強(qiáng)度，對塑性和韌性影響不明顯。

(3)當(dāng)鍛造前的加熱采用感應(yīng)加熱時(shí),不加Ti的S45CVMn非調(diào)質(zhì)鋼鍛件綜合力學(xué)性能較好,成本也較低。