非调质钢46MnVS6汽车发动机连杆胀断缺陷分析_黄瑞.pdf

2023 年第 3 期宝钢技术非调质钢 46MnVS6 汽车发动机连杆胀断缺陷分析黄瑞，刘湘江，黄宗泽(宝山钢铁股份有限公司中央研究院，上海201999)摘要:连杆是发动机的关键零件，某连杆在胀断过程中发生掉渣爆口缺陷，连杆材料为46MnVS6。通过成分分析、金相组织观察、断口扫描分析等手段，对连杆裂解掉渣的原因进行了全面分析。结果显示:连杆掉渣样件的原始材料符合连杆制造要求，但因连杆断面晶粒尺寸大小不均且出现贝氏体组织，导致材料脆性增加，从而导致连杆在裂解过程中的细晶粒区域发生掉渣。研究了 46MnVS6 连杆的裂解特点和规律，揭示了缺陷产生原因和机理并提出相应解决措施。关键词:46MnVS6 钢;连杆;非调质钢中图分类号:TG142 71文献标志码:B文章编号:10080716(2023)03002905doi:10 3969/j issn 10080716 2023 03 005Fracture splitting defects analysis of automotive connecting rod made ofair-cooled forging steel 46MnVS6HUANG ui，LIU Xiangjiang and HUANG Zongze(esearch Institute，Baoshan Iron Steel Co，Ltd，Shanghai 201999，China)Abstract:Connecting rod is a type of key component of the automotive engine A connecting rodmade of 46MnVS6 steel has defects during the fracture splitting process This study has maderesearch on defects failure reasons of the connecting rod by means of chemical composition analysis，metallographic examination，SEM analysis，et al The result shows that the original material of theconnecting rod was in conformity with the manufacturing requirement，but due to the mixed grain sizeand enormous bainite，the brittleness of materials increased，so that a connecting rod has defectsduring fracture splitting at the fine grain size region The fracture-splitting characteristics and laws ofthe 46MnVS6 connecting rod were investigated，the causes and mechanisms of the defects thatoccurred were revealed and corresponding solutions were proposedKey words:46MnVS6 steel;connecting rod;air-cooled forging steel黄瑞工程师1988 年生2014 年毕业于西安交通大学现从事棒材产品研发电话26647332E-mail701759 baosteel com汽车行业正朝着轻量化、低成本化的方向发展1。发动机是汽车的心脏，连杆是发动机的关键零部件，由连杆体、连杆盖、连杆螺栓组成，连接发动机活塞与曲轴，将作用于活塞的动力传递到曲轴进行动力输出，使活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。因此，连杆在工作中承受强烈的冲击力和动态的交变应力，直接影响着发动机的可靠性和耐久性2 3。连杆的工作环境恶劣，承受载荷复杂，且随着内燃机热效率的提升及降低排放量的要求，连杆的设计制造向着轻量化、高强度、耐疲劳的方向发展，这就对材料的设计和工艺提出了极高的要求4 6。连杆的质量、硬度和刚度对发动机的性能有重要影响，它既要求材料具有耐疲劳、抗冲击，又需要有足够的强度、刚度及较好的韧性，属于较难锻造与机械加工的一种零件7 8。92宝钢技术2023 年第 3 期传统的发动机连杆材料为 40Cr、42CrMo 等调质钢，使用前需要经过淬火+回火的热处理工序，热处理过程能耗高、环境污染严重，此外，该类钢加工工艺复杂，尺寸精度差9。为了降低能耗、提高生产效率、降低生产成本，无需热处理工序的非调质钢材料得到了广泛运用，如 C70S6、36MnVS4、46MnVS6 等。与调质钢材料相比，非调质钢材料加工连杆省去了热处理工序并采用裂解加工技术(胀断技术)，该技术符合现在提倡的节能、减排、低碳、环保的理念，同时能够克服传统方法生产效率低、废品率高、质量差等不可避免的缺点，是目前公认的连杆加工制造行业未来发展趋势10 12。胀断技术是连杆分离面采用的新工艺，即把连杆盖从本体上断裂而分离出来的工艺，它从根本上变革了传统加工工艺，极大提高连杆加工质量，减少加工工序，节省加工设备投资，降低生产成本11。随着国内连杆裂解加工的推广，该技术出现许多问题，且在大批量的连杆生产中产生各种裂解缺陷，如掉渣、台阶、缺损等，严重影响连杆质量13。裂解加工过程影响因素众多，断裂过程中的缺陷产生机理尚不明确，且裂解质量尚无行业标准，需要对此进行深入研究。本文针对某品牌汽车发动机的某型连杆在裂解工艺过程中产生的缺陷进行了失效分析，失效样品为 46MnVS6，具体的加工工艺为:粗磨钻孔清洗预制裂解槽连杆有控断裂(胀断)断裂连杆装配螺栓精整精磨清洗终检。本文研究的失效样件在连杆胀断过程中发生了断裂面面积缺损，断裂面缺损是断裂剖分产生的主要缺陷之一，且难以在后续精加工工序中消除。断裂面缺损减小了接合面啮合面积及啮合精度，影响连杆产品的承载能力。为了查明该胀断连杆在胀断过程中的缺陷产生原因，避免类似的事故再次发生，提高连杆裂解加工工艺质量，本文对缺陷样品进行了一系列的检验并提出了相应的改进措施，为解决连杆生产过程中出现的问题提供了依据。1试验方法取连杆掉渣样品，采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)测定样品的化学成分;采用扫描电子显微镜对断裂样品的断口形貌进行观察分析;将样品沿胀断面进行切割取样，制备成金相样品，使用 180#1 200#砂纸由粗到细依次打磨，2 5 pm 的金刚石研磨膏进行抛光，后选用 4%(体积分数)硝酸酒精溶液进行腐蚀，采用金相显微镜对样品进行金相组织与晶粒度分析。2试验结果与失效原因分析2 1化学成分及非金属夹杂物分析将发生掉渣的连杆样件切割进行化学成分测试，结果见表 1。连杆样品在裂解过程中发生的掉渣现象，与材料的化学成分和热处理加工工艺有关，连杆用钢中的碳、硫、锰元素对胀断连杆产生掉渣爆口的影响较大。碳含量的提高会使材料的强度升高韧性降低，即脆性变大;硫元素则严重影响铁素体和珠光体的晶粒直径，进而影响材料的力学性能，硫元素易与锰元素形成化合物，以MnS 的形式存在于钢中，在相变过程中形成结晶核心，导致铁素体珠光体晶粒变细，而晶粒度过高和过低，都不利于连杆胀断。从该失效样件的化学成分结果显示，各元素的含量在 46MnVS6 钢材标准成分要求范围之内，几种对掉渣影响严重的元素含量也均在要求范围之内。表 1失效连杆样件化学成分Table 1Chemical composition of the failed injectorvalve body steel单位:%w(C)w(Si)w(Mn)w(V)w(S)0 450551400 180 03将失效样件进行切割，制备金相样品进行夹杂物分析，按照国家标准 GB/T 10561钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图纤维检测法 对钢中非金属夹杂物进行评级，结果见表 2。硫化物类细系及钢中球状氧化物类、单颗粒球状类夹杂物为 0 5 级，其他非金属夹杂物均为 0 级，符合连杆用钢要求。经扫描电子显微镜在失效样件的裂解断裂面确认，没发现大颗粒夹杂物，因此断裂面的缺陷并非由非金属夹杂物引起。通过对失效样件的化学成分及夹杂物分析结果可见，46MnVS6 连杆样件的指标符合胀断连杆制造用钢的要求，化学成分和夹杂物并不是连杆裂解过程中产生掉渣的关键因素。2 2断口形貌微观分析该连杆样件失效是在胀断过程中产生，即通过施加垂直于预定断裂面的胀断载荷，使连杆大头在预制裂解槽处起裂、直至连杆体与连杆盖断裂分离，在分离面上发生掉渣和台阶缺陷，取样示03黄瑞等非调质钢 46MnVS6 汽车发动机连杆胀断缺陷分析表 2失效连杆样件非金属夹杂物评级表Table 2Non-metallic inclusion result of the failed injector valve body steelA 类(硫化物类)B 类(氧化铝类)C 类(硅酸盐类)D 类(球状氧化物类)细系粗系细系粗系细系粗系细系粗系DS 类(单颗粒球状类)0500000050505意图如图 1 所示。可以由图 1 观察到整个裂解过程，裂纹首先由裂解槽根部附近萌生，裂纹起裂后同时向两侧断面及螺孔前端方向扩展，裂解面的掉渣位置出现在螺栓孔上侧且延伸到断裂接合面外缘，即在裂纹扩展绕过螺栓孔汇聚时产生，而此处的掉渣、台阶是裂纹扩展过程中裂纹路径或裂纹结构发生改变，是由裂纹分叉或裂纹弯折引起的。对连杆裂解的断裂面进行扫描电子显微镜观察，结果如图 2，可以看到连杆裂解过程断裂面微观形貌为典型的河流状花样，是明显的脆性解理断裂特征，也是胀断工艺想要实现的平整的脆性断裂面。解理断裂的微观表现形式为穿晶的脆性断裂，就是在垂直于胀断面的拉应力的作用下，由于原子结合键的破坏，材料发生的一种沿特定晶体学平面即解理面分裂的现象，所以清楚地观察到了如图 2(a)所示的解理面的微观特征。这种断裂在局部如果存在较大塑性变形或者延性裂纹扩展的同时，会形成质量缺陷，即局部的塑性变形造成的断裂面撕裂和台阶等。如图 2(b)所示，在裂解断裂面的掉渣处，可以观察到少量的塑性变形形貌导致的撕裂和台阶，因此，最终形成了其在裂解面上的掉渣缺陷。图 1失效连杆取样图Fig 1Sampling diagrams of the failed connecting rod图 2连杆裂解面微观形貌Fig 2Micrographs of fracture of a crack extending area in the connecting rod13宝钢技术2023 年第 3 期2 3金相组织及晶粒度分析为了进一步分析在裂解过程中断裂面的局部区域产生掉渣的问题，在连杆的断裂面进行切割磨削，观察其整个断面的金相组织，见图 3。从图3 中可以清晰看出，在连杆裂解断裂面的不同位置，其晶粒大小存在明显的不同，表现出明显的混晶现象，即存在粗晶区和细晶区。在靠近螺栓孔上方的区域如图 3(b)处，其晶粒尺寸较小，晶粒较细，与之相对应的断裂面在此位置发生掉渣现象;而在断裂面上较为平齐的区域，如螺栓孔下方如图 3(g)，则晶粒尺寸较大，晶粒较粗。为了研究晶粒尺寸如何影响裂解过程中的断裂行为，对这两个区域进行了铁素体含量测定，结果显示，图3(b)区域的铁素体质量分数为 18 02%，图 3(g)区域的铁素体质量分数为 11 63%，即在粗晶区和细晶区内，铁素体含量存在差别。铁素体为软相，铁素体比珠光体有更好的塑性，在铁素体含量较高的区域，其断面收缩率高，在胀断过程中，更容易在裂纹断裂的过程中造成断裂面的撕裂，进而形成台阶或者掉渣。因此在整个连杆裂解断裂面上，在晶粒较细的螺孔上方区域，形成了掉渣和台阶缺陷。图 3连杆胀断断口附近显微组织光学显微镜照片Fig 3Optical micrographs showing microstructures at the splitting fracture surface同时，在对连杆胀断端口面的显微组织光学显微镜照片观察可知，连杆组织为珠光体和少量沿原奥氏体晶界析出的铁素体组织，但是在局部区域，也观察到了少量的异常组织，经扫描电子显微镜的观察确认，如图 4 所示，异常组织为低碳贝氏体。贝氏体会降低切削加工性能，在断裂过程中也会造成撕裂、缺损、掉渣等质量缺陷，但在本例掉渣的连杆样品中，贝氏体并未出现在掉渣区域，说明其并非引起掉渣的主要因素，但贝氏体也是该钢种使用过程中需要控制的组织。贝氏体和23黄瑞等非调质钢 46MnVS6 汽车发动机连杆胀断缺陷分析铁素体的出现跟合金成分、过冷奥氏体的稳定性和相变的冷却速度有关，因此，在合金成分没有异常的基础上，降低铁素体含量和抑制贝氏体形成的关键是对连杆毛坯胀断后冷却速度的控制。图 4连杆胀断断口扫描电子显微镜照片Fig 4SEM micrographs showing microstructures at the splitting fractures对于本文的 46MnVS6 钢，从高温状态冷却时，先共析铁素体优先沿着奥氏体晶界析出，同时向周围扩散，随着冷却速度增加，碳的扩散速度越慢，铁素体、珠光体的分布状态也会更加均匀。当冷却速度小于发生贝氏体转变的临界冷速，试样的室温组织应为铁素体和珠光体组织，当冷却速度大于发生贝氏体转变的临界冷速，就会发生珠光体和贝氏体的转变，此时室温组织为铁素体、珠光体和贝氏体，且随着冷却速度的增加，奥氏体的过冷度增大，原子的扩散速率减小，从而导致高温转变受到抑制，此时相变过渡到中温转变和低温转变为主，贝氏体含量就会逐渐增加，珠光体和铁素体的含量减少。在本案例中，通过对缺陷样件的组织观察，只发现少量的贝氏体组织，因此说明其冷却速度已大于发生贝氏体转变的临界冷速，应适当采用降低冷却速度的相应措施，以便得到更加均匀的铁素体加珠光体组织，减少贝氏体的形成，进而减少连杆胀断过程中掉渣的发生。3结论非调质钢 46MnVS6 汽车发动机连杆在胀断过程中产生掉渣缺陷，根据以上各项分析结果可以推断，连杆胀断面晶粒尺寸大小不均，组织出现少量贝氏体，是导致连杆在裂解过程中发生掉渣掉肉的关键因素。根据裂解掉渣的失效原因提出了改进措施，对于连杆毛坯采取合适的热处理工艺，适当降低冷却速度，能有效地改善连杆胀断过程的缺陷发生。参考文献1陈家瑞 汽车构造(上册)M 长春:吉林科技出版社，2001:21 352陈国华 内燃机平切口式连杆结构的最优化设计J 内燃机学报，1983，1(1):51 623顾永生 现代汽车发动机制造工艺的发展动向 J 柴油机设计与制造，2000(3):36 414张希明 连杆裂解加工主要缺陷及其许用尺寸计算方法初探 D 长春:吉林大学，20145谷诤巍，姚卫国 发动机连杆裂解工艺与装备J 制造技术与机床，2006(11):103 1056杨宏宇 连杆断裂剖分过程数值及主要裂解缺陷分析 D 长春:吉林大学，20117寇淑清，金文明，谷诤巍，等 内燃机连杆制造最新技术与发展趋势J 内燃机工程，2001，22(1):28 318寇淑清，杨慎华，邓春萍，等 裂解工艺一发动机连杆制造最新技术J 中国机械工程，2001，12(7):839 8429钟芳华，纪仁峰，钟凡，等 胀断连杆用中碳非调质钢的连续冷却转变 J 南方金属，2018(2):29 32 10 寇淑清，杨慎华，金明华 发动机连杆裂解加工技术及其应用 J 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