胀断连杆用中碳非调质KNF33MAM钢的成分与组织

邓向阳,林 俊,谢 有,李仕超

(中天钢铁集团有限公司，常州 213011)

C70S6类高碳钢是制造发动机胀断连杆常用的非调质钢，但其强度较低，不适合用于制造高强度、高爆发压力的大功率发动机连杆。C70S6类高碳钢组织中高硬度的片层状渗碳体较多，钢材的切削加工性能较差，限制了汽车轻量化的发展。因此，各国相继开发了新型的胀断连杆用非调质钢，主要目标是降低碳元素含量，增加微合金化元素含量，以细小铁素体+珠光体代替传统的粗大片层珠光体+极少铁素体[1]。日本自2004年陆续开发了相关钢种，如热锻非调质钢KNF系列，其中高强度型KNF33M钢、KNF35M钢的化学成分类似于国内的36MnVS4钢[2]。

笔者取日本A厂连杆用非调质钢圆棒，材料为KNF33MAM钢，直径为36 mm，对其化学成分、低倍组织、显微组织、非金属夹杂物等方面进行分析，结果可为加快国内汽车胀断连杆用高等级非调质钢的研发进度提供理论依据。

1.1 化学成分分析

利用直读光谱仪对KNF33MAM钢进行化学成分分析，结果如表1所示。试样中的微合金化元素钒可以提高材料的强度；
钢中含有一定量的氧元素，生成氧化物夹杂可成为硫化物的核心，从而有利于生成短杆纺锤体状的硫化物，提高材料的切削性能；
钢中的磷元素有利于提高材料的胀断性能、屈强比和疲劳强度。目前国内部分钢铁企业生产36MnVS4钢时，也会向其中加入一定量的磷元素[3]。

表1 KNF33MAM钢的化学成分分析结果 %

1.2 低倍组织检验

对KNF33MAM钢和国内同类材料进行低倍检验，结果如图1所示，可见KNF33MAM钢组织比较致密，未见明显的枝晶形貌或中心偏析等低倍缺陷；
国内同类材料可见较为明显的中心偏析、疏松等低倍缺陷。

图1 KNF33MAM钢和国内同类材料的低倍检验结果

KNF33MAM钢截面处碳、硫元素的含量(质量分数)及分布情况如图2所示，可见KNF33MAM钢截面处横向与纵向的元素分布相差较大，特别是1/2半径处有较大的成分偏析。

1.3 金相检验

KNF33MAM钢的显微组织形貌如图3所示。由图3可知：KNF33MAM钢的组织为铁素体+珠光体，铁素体含量较高，且沿晶分布不明显；
晶粒度等级为8级，晶粒较细；
表层无明显脱碳；
铁素体呈带状，1/2半径及心部的带状组织评级为1.5级。铁素体含量较高以及晶粒较细，会使材料的胀断性能变差，因此需要添加磷元素对材料进行改善[4]。

1.4 非金属夹杂物分析

对KNF33MAM钢和国内同类材料组织中的夹杂物进行评级，结果如表2所示，可见KNF33MAM钢中非金属夹杂物级别较低，数量较少，材料纯净度较高。

表2 KNF33MAM钢和国内同类材料组织中夹杂物的评级结果 级

1.4.1 氧化物

KNF33MAM钢中氧化物主要为SiO2-CaO-Al2O3-MnO系，一部分单独存在，另一部分与硫化物共同存在。单独存在的复合型氧化物多呈长条状，少数颗粒尺寸(直径，下同)达到50 μm以上，大部分颗粒尺寸小于1 μm，主要成分为SiO2。根据单独存在的复合型氧化物的数量以及尺寸分布，统计氧化物的平均成分为SiO2(质量分数为38.20%)-CaO(质量分数为23.17%)-Al2O3(质量分数为21.85%)-MnO(质量分数为16.78%)。将成分归一化，绘于Al2O3-SiO2-CaO及MnO-SiO2-CaO三元相图中，结果如图4所示，用气泡的大小表示MnO的含量，图中红线为1 500 ℃时的液相区，可见Al2O3含量与MnO含量呈现相反趋势，且MnO含量低的氧化物多处于低熔点区域。说明在降温过程中，夹杂物的化学成分发生了变化。因此，钢中存在的氧化物可细分为3类：① MnO含量低的SiO2-CaO-Al2O3夹杂，处于相图低熔点区域，轧后呈长条形貌；
② Al2O3含量低或无Al2O3的SiO2-MnO类夹杂；
③ 尺寸约为1 μm的SiO2类夹杂。

图4 KNF33MAM钢中单独存在的氧化物成分分布情况

1.4.2 硫化物

KNF33MAM钢纵截面1/2半径处硫化物的微观形貌如图5所示，可见硫化物分布比较均匀，且长度与宽度之比较小，呈现短杆状。

图5 KNF33MAM钢纵截面1/2半径处硫化物的微观形貌

除单独存在的硫化物外，部分硫化物与氧化物复合存在，复合硫化物的典型微观形貌如图6所示，其中浅色区域为MnS。复合硫化物按形貌可分为两类：第一类为析出形态，氧化物多为Ca-Si-Al-O系，Mn元素含量较低，与单独存在的长条状氧化物成分相近[见图6a)～6d)]，可能是降温过程中MnS从液态氧化物中析出所得；
第二类硫化物中包裹着明显的氧化物核心，大部分核心尺寸小于1 μm[见图6e)～6h)]。

图6 复合硫化物的典型微观形貌

利用FACTSAGE软件对复合硫化物的生成行为进行计算，计算温度区间为1 000～1500 ℃，凝固温度区间在1 420～1 490 ℃。复合硫化物化学成分随温度的变化情况如图7所示，可见凝固前钢液中夹杂物为液态SiO2-Al2O3-CaO-MnO系，与单独存在的氧化物成分相近，随着温度降低，液态夹杂物转变为钙铝硅酸盐，其中的Mn原子与残留的S原子结合生成MnS，从而形成第一类复合硫化物；
第二类复合硫化物，以钢中存在的SiO2-MnO系夹杂物为核心，随着温度降低，该类夹杂物向SiO2方向转变。

图7 复合硫化物化学成分随温度的变化情况

由上述分析结果可知：KNF33MAM钢截面横向与纵向的碳、硫元素含量分布差别较大，特别是1/2半径处碳、硫元素的成分偏析较大；
KNF33MAM钢截面处的低倍组织未见明显枝晶形态，致密度较好；
KNF33MAM钢的显微组织为铁素体+珠光体，未见明显铁素体沿晶分布，带状组织为1.5级，表面未见明显脱碳。铁素体含量较高、晶粒较细，有利于提高材料的塑性和韧性，但会降低材料的胀断性能，因此，向材料中添加磷元素，可以改善材料的胀断性能。氧化物夹杂多为SiO2-CaO-Al2O3-MnO复合型，呈细长条状，尺寸较小，只有少量夹杂物的尺寸达到50 μm以上；
硫化物分布均匀，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为核心复合存在，有利于形成纺锤体状硫化物，提高材料的切削性能。

国外胀断连杆用高等级非调质钢的低倍组织质量、钢水纯净度等方面表现较好，值得国内借鉴学习，但是该材料在成分偏析等方面存在一定问题，这也是国内在材料开发生产过程中需要避免和解决的问题。