S45CVMn钢是用于制作轿车发动机连杆的非调质钢。根据非调质钢生产的一般思路，为了使该钢获得较高的强度和足够的韧性，除了要将各元素控制在技术标准要求的范围内，还要往钢中加入一定量的N和Ti，以获得沉淀强化和细化晶粒的效果。现场了解用户使用S45CVMn钢制作连杆的工艺后发现，该钢下料后的加热是采用感应炉加热的，钢材锻造前总加热时间为200 s(包括加热和保温时间)，加热时间非常短。晶粒长大过程是一个动力学过程，主要与温度和时间有关。一般来说，晶粒长大过程是一个比较慢的过程，它要克服Ti、Al、V等化合物的质点对晶界的阻碍后才能逐渐长大。那么，在这种加热速度很快的感应加热条件下晶粒长大过程如何呢?这个时候还需要加入Ti来细化晶粒吗?如果不加入Ti，对性能会产生什么影响呢?为此，利用热模拟试验机等设备研究了Ti元素对S45CVMn非调质钢晶粒大小和力学性能的影响。

试验材料及方法

S45CVMn钢的化学成分要求如表1。S45CVMn钢的生产工艺为转炉熔炼→钢包精炼→RH真空脱气→连铸→连铸坯加热→轧制→空冷→精整→检验→包装、入库。发动机连杆的生产工艺流程为下料→感应加热-→锻造→冷却-→检验。

生产不加Ti的和加入0.015%~0.025%Ti的S45CVMn钢各3炉，其余成分控制范围相同（具体每炉钢的成分如表1中的A、B、C、D、E、F炉号）。

连铸后以相同的轧钢工艺进行轧制，轧制规格为4omm，然后按以下方法进行试验。

( 1）分析不加Ti和加Ti两种成分的钢材在热轧状态下的力学性能和晶粒度,研究Ti元素对热轧材的力学性能和晶粒大小的影响;

(2)将不加Ti和加Ti的钢材加工成厚度为25mm的小试样,置于型号为SX2-12一12的箱式电阻炉内,升温到1 080℃后,保温8 min烧透,然后取出空冷,通过Zeiss 金相显微镜观察两种成分的钢正火后晶粒大小的变化,研究在常规加热条件下加热时Ti对S45CVMn非调质钢晶粒度的影响;

(3)模拟感应加热过程,将不加Ti和加Ti的两种成分的钢材制成尺寸为重10 mm× 70 mm 的热模拟试样,在Gleeble 3800热模拟试验机内从室温开始以10 C/s 的速度加热到1 080 °C(加热时间为106s),保温100 s,之后以空冷的速度冷至室温,观察晶粒大小的变化,研究在快速加热条件下Ti 对S45CVMn非调质钢晶粒长大的影响;

(4)将不加Ti和加Ti的两种成分的钢材在锻造厂经感应加热后锻造成连杆,测量两种成分的连杆的力学性能和晶粒大小,研究在实际感应加热锻造过程中Ti对S45CVMn非调质钢力学性能和晶粒度的影响。

Ti元素对热轧材力学性能和晶粒度的影响

加Ti和不加Ti的重40 mm S45CVMn非调质钢圆钢的力学性能和晶粒大小见表2。

从表2可以看出,不加Ti的S45CVMn非调质钢强度明显高于加Ti的S45CVMn非调质钢,塑性和韧性指标相差不明显。两种成分的钢材组织均为铁素体＋珠光体组织﹐热轧状态下的晶粒大小无明显差别(见图1(a),图1(d))。说明Ti元素的加人对热轧材的晶粒大小没有明显影响,并且加人一定量的Ti会明显降低强度,但对塑性和冲击韧性影响不大。

Ti对实际感应加热后锻造连杆的晶粒度和力

学性能的影响

用户在实际生产过程中,使用不加Ti和加Ti的S45CVMn非调质钢经1 080℃感应加热后锻造成连杆,取样测量连杆的力学性能和晶粒度如表3所示。

从表3结果来看,不加Ti的S45CVMn非调质钢连杆晶粒大小和加Ti的一样,但不加Ti的连杆强度明显较高,并且塑性、韧性接近,不加Ti的连杆综合力学性能高于加Ti的连杆。

根据试验结果确定,生产S45CVMn非调质钢时不用加 Ti。

在常规加热条件下加热时Ti 对S45CVMn非调质钢晶粒长大的影响

常规加热条件通常是指在电阻炉﹑煤气炉等设备中通过辐射、对流、传导对工件进行加热,升温速度比较慢;为了使被加热的钢材各处温度都达到要求,加热时间也较长。

Ti加入S45CVMn非调质钢中后﹐钢中除了已经存在的A1和V的氮化物质点外,还会形成TiN和Ti(C,N)质点,在常规加热条件下的加热过程中,没有溶入到奥氏体的质点会阻碍奥氏体晶界的迁移，从而起到细化晶粒的作用。在这些质点中,弥散分布的TiN和Ti(C,N)质点对阻止奥氏体晶粒长大效果*大,资料显示[1,含Ti的非调质钢加热到1 250 ℃时仍保持较细的晶粒;其次是Al和V的化合物,它们的粗化温度大约在l000~1 050 C1]。所以,加有Ti的S45CVMn非调质钢在常规加热条件下加热到1 080 ℃后晶粒比较细小;而没有加Ti 的S45CVMn非调质钢在该条件下加热到1 080 ℃后晶粒就会出现明显粗化。

在感应加热条件下加热时Ti 对s45CVMn 非调质钢晶粒长大的影响

晶粒长大过程是一个动力学过程,它涉及到原子的扩散和晶界的移动等诸多因素,它不但与温度有关,还与时间有很大关系[1。在感应加热的情况下,由于加热时间非常短,往往是晶粒还来不及长大,钢的温度就下降了;所以,虽然加热温度很高,也不管是否有阻碍奥氏体晶界移动的质点存在,奥氏体的晶粒都是很小的(见图1(c)、图1(f))。因此,加Ti不会影响在感应加热条件下加热的晶粒长大过程。

结论

(1)S45CVMn非调质钢中加入Ti只能细化在常规加热条件下加热的晶粒大小;Ti的加入对热轧状态下的晶粒大小和感应加热条件下加热的的晶粒大小没有明显影响。

(2)S45CVMn非调质钢中加入Ti会降低强度，对塑性和韧性影响不明显。

(3)当锻造前的加热采用感应加热时,不加Ti的S45CVMn非调质钢锻件综合力学性能较好,成本也较低。