C70S6锻钢及FC0205材料在连杆裂解工艺中的对比研究.pdf

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1、1概述汽车连杆作为发动机传统的五大关键件之一，作用非常重要，其质量直接影响到发动机的性能，因而连杆的材料应用和制造工艺一直备受重视。传统的连杆制造工艺主要有 2 种：（1）连杆体和盖整体锻造锯切分离接触面机加工装配；（2）连杆体和盖分别锻造接触面机加工装配。采用上述 2 种工艺，都要经过数十个工步，生产效率低，需要大量的加工机床和场地，耗费大量的加工工时及能源。在中国汽车产销量逐年大幅提升，全球呼吁节能减排和绿色可持续发展的背景下，该传统的连杆制造方式将令生产企业和社会都难以承受。为顺应社会发展的需求，提高产品的竞争力，各大汽车制造商都高度重视高强度、轻量化、低成本的连杆材料及制造技术的研究和

2、开发，连杆裂解加工技术就这样应运而生了。连杆裂解加工的原理是利用材料的断裂脆性，通过在连杆大头孔的适当位置设计并预制裂解槽，在垂直于预定断裂面上主动施加作用力，在裂解槽处引裂并发生脆性断裂，实现连杆体与连杆盖的无屑断裂剖分，分离后的连杆盖与连杆体可在断裂面处精确合装。裂解工艺改变了连杆加工的关键生产工序，以整体加工代替分体加工，省去分离面的拉削与磨削等工艺，降低螺栓孔的加工精度要求，从而显著地提高生产效率1。该工艺于 20 世纪 90 年代初在汽车工业发达国家开发成功，就立即引起了业界和学界的高度关注，相关研究和报道不断涌现，逐渐广泛应用于大规模生产。据国外资料介绍，裂解加工技术的应用，可减少

3、机加工工序 50%60%，节省机床设备投资约 25%，减少刀具费用约 35%，节省能源约 40%，还可减少占地面积、减少废品率等等，经济效益十分显著2。此外，连杆裂解技术还可使连杆承载能力、抗剪能力及杆、盖的定位精度、装配质量大幅度提升，这对提高发动机生产技术水平具有重要作用。我国自 20 世纪 90 年代末开始跟踪并逐步引入了该工艺，相关研究和应用正方兴未艾。为了满足裂解加工的要求，连杆的材料需要在保证强韧综合性能的前提下，限制连杆的韧性，使断口呈脆性断裂特征。因此，材料的选择对裂解工艺起着决定性的作用。目前多个国家已成功开发和应用的连杆裂解材料有多种，但在实际使用中应用最为广泛的主要是在欧

4、洲率先开发的锻钢材料和在北美主推的粉末冶金材料，双方都开展了深入的研究和开发，并坚持认为各自的技术更胜一筹。国内外就此争论不断，但由于均缺乏经过批产验证的直接对比数据支持，双方的结论都未免显得有失偏颇3-4。我司在开发制造某品牌轿车发动机裂解连杆过程中，曾先后应用了上述 2 种类型材料中的代表性牌号C70S6（简称 C70）锻钢和 FC0205 粉末冶金材料，从而对 2 种牌号材料在连杆裂解加工工艺中的使用情况有了一个直接的了解。本文就这 2 种牌号材料在裂解连杆的开发和制造中的实际情况，进行了对比研究。2C70与FC0205牌号的原材料裂解连杆用钢的成分首先要保证锻造冷却后有足够的强度和疲劳

5、强度以满足连杆使用性能的需要；其次要保证有最小的塑性变形，裂解后装配曲轴孔的圆度满足规定的要求；第三要保证钢材有良好的可加工性。2.1C70S6高碳微合金非调质钢国际上最先被开发出来且应用最为广泛的裂解锻钢的牌号为C70S6，该牌号原材料主要由欧洲生产，国内部分钢厂已开始对该原材料进行开发和验证。我司所采用的锻钢棒料即从欧洲进口。以下是该牌号材料的具体要求：（1）化学成分。其化学成分如表 1 所示。该牌号材料的特点是低硅、低锰、添加微量合金元素钒和易切削元素硫。其中碳的含量接近共析钢的含碳量（0.77%），锻造空冷后可得到 90%以上的珠光体，保证了材料的脆性，这样裂解后的塑性变形最小，有利于

6、裂解加工。为了改善加工性能，材料中适当地提高了 S 的含量，而 Mn 与 S 结合生产 MnS，可以避免热脆的产生。微量细化元素 V 的加入提高了材料的强度和韧性。（2）金相组织。锻后利用锻造余热控制冷却，金相组织为珠光体加断续的铁素体。（3）机械性能。抗拉强度（Rm）9501 080 MPa，屈服强度（Rp0.2）550 MPa，断后伸长率（A5）10%20%，断面收缩率（Z）20%35%，硬度 280320 HB。2.2FC0205牌号的粉末冶金原材料目前，大批量生产的粉末锻造连杆材料主要分 2 类：一类含有一定量的合金元素 Cr、Ni、Mo，化学成分类似于中碳合金结构钢；第二类是粉末冶金

7、用烧结含 Cu 钢，典型的材料牌号为 MPIF 35标准（美国金属粉末工业联合会标准）中的 FC-0205M5。我司即采用了该牌号材料用于裂解连杆的开发和制造，该牌号材料的具体要求如下：C70S6 锻钢及 FC0205 材料在连杆裂解工艺中的对比研究杨立坚（上海交运汽车动力系统有限公司，上海 201200）摘要：介绍了目前广泛应用的 2 种连杆裂解材料C70S6 锻钢和 FC0205 粉末冶金材料。结合 2 种牌号材料在同一型号连杆裂解工艺开发和制造中的实际应用情况，在材料的利用率、加工工步与投资、裂解加工及切削性能等方面逐一进行了对比研究。通过比较认为粉末冶金材料在制造过程中具有优势。关键词

8、：连杆；裂解；材料；对比元素最小值/%（按重量）最大值/%（按重量）C0.670.73Mn0.530.60Si0.150.25S0.060.07V0.030.04Mo-0.03Ni0.040.08P-0.045Cr0.100.15Al-0.010表 1C70S6 的化学成分综合研究Zonghe Yanjiu242机电信息2011 年第 21 期总第 303 期（1）化学成分。其化学成分如表 2 所示。其中化合碳含量在 0.50%0.60时断裂强度最高，而添加一定量的 Mn 和 S（或 MnS），可以改善材料机加工性能。（2）金相组织。粉末锻造连杆金相组织要求为片状珠光体+少量细小条、块状铁素体

9、，连杆表面无全脱碳层，部分脱碳层在关键部位0.15 mm。（3）密度。根据粉末锻造强化原理：粉末锻造零件的密度达到钢材的理论密度，将具有与钢材同等的机械强度。该牌号材料要求大小头的密度都 7.80 g/cm3以上，达到了相对密度的 99（钢材的理论密度设为相对密度 100）。（4）机械性能。抗拉强度（Rm）890910 MPa，屈服强度（Rp0.2）550 MPa，断后伸长率（A5）5.0%8.0%，硬度 21.030.0 HRC。3C70与FC0205粉末锻造的连杆毛坯3.1C70锻造的毛坯加工该毛坯采用的加工工艺路线为：棒料下料感应加热辊锻制坯锻压成型与切边冲孔锻后可控冷却精压去应力强化抛

10、丸磁粉探伤终检与防锈入库。该毛坯已实现国产化制造，其中始锻温度为 1 180 20。由于存在拔模斜度、模具磨损快等问题，C70 锻造的毛坯余量较大，且小头为实心。C70 棒料加工为连杆毛坯中的材料利用率不足 70%，锻件毛坯加工为连杆成品的材料利用率为 67.6%，计算原材料到成品的利用率将不足 50%。3.2FC0205粉末锻造的毛坯加工该毛坯的制造工艺是：预合金钢粉配料及混料预成形坯压制烧结成锻坯致密化闭式模锻热处理喷丸强化砂带磨两平面。需要注意的是，粉末锻造连杆的变形温度对其性能的影响很大，烧结预成形坯经 1 000 保温出炉时，应尽量缩短停留时间，立即投入模锻工序6。此外很重要的一点是

11、，粉末毛坯在烧结成型时，在大头内侧两边各成型一“V”形切口，该切口相当尖锐。锻造前在加热的过程中，切口表面轻微氧化，可防止锻造时切口闭合导致的表面愈合，从而产生最大的切口效应。由于预压了裂纹槽，从而可取消之后的裂纹槽加工工序。由于国内相关技术和装备水平所限，该粉末锻造的连杆毛坯依然为进口。粉末锻造工艺具有较高的尺寸和形状控制精度，FC0205 粉末锻造毛坯设计时预留给精加工的余量较少，减少了材料消耗。预成形了小头孔，免去了后序的小头孔钻孔工步。经测算，该粉末连杆的原材料到连杆成品的综合利用率达 81.4%。综合原材料的价格、材料的利用率及其制造成本等因数，实际从分供方采购的 2 种毛坯价格基本

12、持平。C70 锻造毛坯与粉末锻造毛坯的对比如图 1、图 2 所示。4C70与FC0205粉末锻造连杆总成的加工对采用 C70 与 FC0205 粉末 2 种牌号材料锻造的毛坯进行的连杆总成加工工艺的开发和批产验证中，进行了以下内容的对比分析：4.1制造工序数与投资分析典型的裂解加工工艺流程为：粗磨连杆两侧面粗镗大小头孔、半精镗小头孔钻、攻螺栓孔加工裂解槽、裂解、装配、压衬套精磨两侧面半精镗、精镗大小头孔铰珩连杆大小头孔清洗称重分组终检。根据 2 种材料的毛坯精度，C70 锻钢连杆毛坯加工至连杆总成需要经过细分的 29 个加工工步，而粉末锻造毛坯因为有较高的尺寸和形状控制精度，且预成型了部分结构

13、，可以免除粗磨两平面，钻小头孔，粗镗大头孔，半精镗大头孔，粗锪螺栓座面，反向钻孔去毛刺，激光割槽等 7 个工步，而且对大小孔倒角也仅需要倒其中一侧的倒角即可，因而粉末连杆所需的加工工步数仅为 22 个，对比 C70 锻钢连杆的加工减少幅度达 24%。目前在大批量生产中，该裂解工艺采用的设备还得主要依赖进口，投资额很高。粉末连杆可使制造工艺大为简化，则可大幅度减少设备的投资和相应的占地、耗能、用工人数。以年产能 100 万根连杆测算，粉末连杆所需的设备投资比锻钢至少可节约 10%15%。4.2涨断及其缺陷报废率控制裂解槽对连杆涨断加工有着决定性的影响。设计裂解槽的目的是制造缺口效应，提高应力集中

14、系数，满足张开型断裂条件，保证断裂发生在预定位置，并有效降低裂解加工载荷，保证裂解加工质量。涨断连杆的缺陷率相对传统工艺较低，但实际涨断及装配过程中还会存在掉渣、夹渣、单侧未涨断等缺陷，如何控制和减少相关缺陷导致的报废率，是连杆涨断工艺中的重点和难点问题。常见缺陷如图 3 所示。4.2.1C70 材料的裂解槽与涨断报废率的优化在大批量生产实践中，裂解槽的加工主要有拉削与激光割槽2 种方案。与拉削加工相比，激光割槽由于采用的激光束窄且能量集中，具有槽宽较窄、槽深较深、切割速度快、无刀具磨损、易裂解、重复精度高的特点，而且激光可对裂解槽根部进行淬火处理，进一步提高缺口根部的应力集中系数，保证脆性断

15、裂，因此激光割槽工元素最小值/%（按重量）最大值/%（按重量）C0.520.64Mn0.320.37S-0.16Cu1.82.2P-0.03OTHER-0.25表 2FC-0205M 的化学成分图 1C70 锻造毛坯图 2FC0205 粉末锻造毛坯（a）掉渣（b）夹渣（c）单侧未涨断图 3连杆涨断的常见缺陷Zonghe Yanjiu综合研究243艺比拉槽工艺更为先进。激光割槽及裂解后的形态如图 4 所示。采用该工艺方法批量生产后，各类涨断缺陷报废率也曾一度高达 2%以上。通过不断的摸索和实践，采取了以下几方面控制措施，才逐步降低并基本稳定在 0.25%以内，达到了国际同行业的先进水平。（1）严

16、格控制激光深度和形状。设备商提供的割槽深度控制要求为 0.40.5 mm。经过反复试验后把应力槽深度改为0.60.7 mm，同时保证 2 条应力槽的深度基本一致。（2）做好飞溅物的清洁工作。在激光刻槽的时候，产生的飞溅物会堵住激光嘴，造成激光不能完全聚焦在零件上，造成刻槽深度过浅。飞溅物也很容易堵住吸尘器，导致涨断后的部分细小碎屑无法被吸出，留在零件表面上形成夹渣缺陷。因此，需要每班检查并清洁激光光路的相应部位。（3）涨断芯棒的检查。芯棒外侧与连杆大头孔的间隙以及芯棒内侧与拉杆贴合度等都十分重要。当芯棒里的拉杆被铁屑拉伤后，就会造成在涨断时连杆受力不均，连杆内孔两边不是同时分离，从而造成一侧未

17、涨断。（4）毛坯的控制。毛坯组织和硬度的稳定性对控制涨断缺陷也很重要，不同批次的毛坯可能存在差异，需要根据预检的不同状态设定合理的割槽深度等参数。4.2.2粉末材料的裂解加工及其涨断报废率凭借粉末锻造毛坯在烧结成型时预压出的裂纹槽，机加工过程中可免去初始裂纹槽的加工。该槽深度可达 23 mm，涨断前凭肉眼几乎难以识别。由于裂解槽较深，且粉末材料的组织均匀性较好，因而裂解过程较为稳定，涨断力也较小，涨断前后大孔失圆变形量小于 30 m，涨断报废率可控制在 0.1%左右。粉末连杆的预应力槽与裂解后的形貌如图 5 所示。4.3加工性能与刀具寿命连杆的制造成本中刀具成本占比最大，控制好连杆的刀具成本是

18、连杆加工中必须要面临和解决的课题。C70 锻造毛坯的金相组织为珠光体+断续的铁素体，硬度为280320 HB，相当于 2934 HRC。对于钻绞螺栓孔等加工，这样的材料性能不太容易实现断屑，缠绕的切屑和硬点的存在容易造成钻绞刀具的异常崩刃和断刀，刀具磨损较快，刀具寿命不甚理想。粉末连杆毛坯的粉末锻造连杆金相组织要求为片状珠光体+少量细小条、块状铁素体，硬度为 2130 HRC。由于材料组织较为均匀，硬度适中，切削性能较为理想，切屑多位片状，断屑容易。部分相同的刀具配置，刀具寿命可比 C70 要长 30%以上。C70 锻钢毛坯和 FC0205 粉末毛坯的切屑如图 6、图 7 所示。此外，由于粉末

19、毛坯减少了 7 个加工工步，相应地减少了刀具的配置及其消耗，也大幅度地减少了刀具的使用成本。综合刀具寿命的影响和刀具配置数 2 个因素，粉末连杆的刀具成本比 C70 连杆减少幅度可达 30%50%，由此极大地降低了连杆的制造成本。4.4连杆总成重量的控制由于锻模磨损快等原因，C70 锻件毛坯的重量稳定性较差，连杆总成重量离散度也较大，给重量配组造成了一定难度，后续使用中的风险也相对较大。而粉末冶金烧结锻造成型，模具损耗很小，毛坯重量控制准确，连杆总成重量离散度也较小，称重分组的组别也较少，甚至可以不分组使用。5结语通过对 2 种典型的连杆裂解材料C70S6 锻钢和 FC0205粉末锻造的材料利

20、用率、加工工步及设备投资、裂解槽加工及其报废率控制、切削性能和刀具成本、重量分组等方面的逐一对比，可以看出，当前粉末锻造材料在制造成本控制和投资等诸多方面都具有明显优势，更能符合节能环保的发展趋势。然而我国当前在粉末连杆材料的开发领域落后较多，需要业界加大研究和投入，以满足未来更大规模的使用需求。参考文献1 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 .机械强度，2 0 0 4，2 6（5）：5 3 8 5 4 12 寇淑清，金文明，谷诤巍，杨慎华.内燃机连杆制造最新技术与发展趋势 J .内燃机工程，2 0 0 1（1）：2 8 3 03 李鹏.国外汽车发动机连杆材料最新应用

21、J .汽车工艺与材料，2 0 1 0（1）：4 2 4 54 韩凤麟.粉末锻造与 C-7 0 钢锻造汽车发动机连杆 J .现代零部件，2 0 0 5（1 2）：1 8 2 45 包雪鹏，谭晓园，刘善德，乐萍.一种发动机粉末锻造连杆材料分析 J .轻型汽车技术，2 0 0 9（4）：2 0 2 46 洪慎章，曾振鹏.发动机连杆的粉末锻造工艺 J .模具技术，2 0 0 0（2）：5 2 5 6收稿日期：2011-06-17作者简介：杨立坚（1977），男，江西人，工程师，研究方向：连杆制造工艺及其自动化技术。图 4激光割槽的形态图及裂解后的断面形态图图 5粉末连杆的预应力槽与裂解后的形貌图图 7FC0205 粉末毛坯的切屑图 6C70 锻钢的切屑综合研究Zonghe Yanjiu244