双材质粉锻连杆材料的微观组织及力学性能探讨

双材质粉锻连杆材料的微观组织及力学性能探讨

王娟 张金岭

山东鲁银新材料科技有限公司

摘要：连杆作为汽车发动机的重要传动机构，是连接活塞与曲轴的关键部件，但是，受到抗压应力与弯曲应力的影响，连杆极易出现疲劳断裂或者过量变形的情况，进而使连杆的使用寿命大幅缩减，因此，汽车零部件制造领域对连杆材料的各项性能指标提出更高的要求，既需要所选材料具有较高的抗疲劳能力，并且也必须具有足够的钢性与韧性，而双材质粉锻连杆材料恰恰可以同时满足这些要求。本文将以连杆头部采用的（Fe-2.0Cu-0.32MnS-0.6C）T01材料与杆部采用的（Fe-3.25Cu-0.6C）G01材料为例，对这两种材料的微观组织与各项力学性能予以剖析。

关键词：汽车连杆；双材质粉锻材料；微观组织；力学性能

过去，汽车零部件加工领域在生产汽车连杆时，常常利用Fe-Ni-Mo粉锻材料，但是，这种材料的强度、韧性、抗疲劳能力等力学指标较差，而且投入的生产制造成本较高，于是，逐步被市场淘汰。另一种Fe-C-Cu粉锻材料仍然在汽车零部件加工领域被批量加工和生产，而利用这种材质生产出的汽车连杆，多以单材质为主，几乎没有双材质应用案例，这就使得连杆在使用过程中，由于连杆头部与杆部所使用的材料相同，而对连杆头部与杆部的力学性能要求较高，在这种情况下，连杆的杆部以及连杆小头出现断裂的概率将大幅提升。因此，对双材质粉锻连杆材料研究势在必行。

1 试验设计

试验人员首先确定粉锻连杆试样的各组分占比，由于选取的材料不同，因此，各组分占比也存在较大差异。其中，连杆头部采用的材料用T01来表示，杆部采用的材料用G01来表示，两种材料当中Cu、C、MnS、Fe的含量如表1所示。

表1：不同粉锻连杆材料中Cu、C、MnS、Fe的含量 （%）

1.1 连杆制备工艺

在制备汽车连杆时，首先在搅拌机当中放置原料粉，并保证搅拌机始终保持恒温状态，然后开启搅拌机将原料粉均匀搅拌20-30分钟，接下来，将混合粉末倒入压机当中压制成锻坯，在压制工序中，应当保证压制力达到1800KN，否则铁粉将无法压制成形。当锻坯压制完成后，需要利用电炉设备对其进行脱脂烧结处理，烧结温度一般分为1000℃和1200℃两档，烧结时间控制在15分钟以内，烧结保护气体为氮气。烧结工序结束，将烧结体转移到保温炉当中，保温炉的温度应当分别控制在800℃和1000℃，即与烧结温度相比，分别下降了200℃，烧结体在氮气保温环境下保温30分钟，并迅速将其送至已经预热至300℃的在氦气保护氛围下的锻模当中，对烧结体进行封闭锻造，每一个连杆的锻造时间为5分钟，锻造结束后，对其进行脱模空冷处理，然后将连杆加热至870℃，进行油淬，最后在570℃的温度条件下回火处理30分钟。在制备汽车连杆时，关键在于准确掌控每一道工序的处理时间以及各个阶段的连杆温度，这样才能制备出高强度、高韧性的粉锻连杆^[1]。

1.2 试验流程

当粉锻连杆制备完毕，试验人员可以选取实验试样，并同时将T01与G01两种材料与连杆试样进行拉伸试验，该试验所使用的设备为电子万能试验机，在试验开始以后，三种不同的样品标距为15mm，应变速率为10^-3s^-1。在对汽车连杆进行疲劳测试时，选择高频疲劳试验机。为了能够清晰的观察到三种材料的微观组织，试验人员需要事先对样品进行磨制与抛光处理，以保证显微镜的金相试样能够更加清晰的显露出来。

2 双材质粉锻连杆材料的微观组织

利用倒置金相显微镜观察T01、G01与连杆试样的微观组织，能够清晰的观察到试样的内部微观形态。三种材料的共性点是：内部组织均由铁素体与珠光体组成，并且呈现环绕状态分布，珠光体呈现出片状形貌，并带有凸起结构。而不同点是：T01与连杆试样金相图当中存在一些呈现出分散状态的硫化锰成分，这种塑性夹杂物能够有效保护各种切削刀具的刀刃免受损伤，而且对连杆本身起到润滑作用，进而可以延长连杆的使用寿命。在制备粉锻连杆时，硫化锰成分将随着连杆基体的改变而发生塑性变形，因此，在基体当中，硫化锰的形态呈条状或者块状，如图1所示。

图1：T01与连杆试样组分能谱分析图

另外，在倒置金相显微镜下，T01与G01两种材料中的珠光体含量相对较高，而且尺寸稍大于连杆试样中的珠光体尺寸。T01材料中，铁素体处于连续分布状态，其塑性与韧性较好，大量的珠光体能够大幅提高烧结碳钢的强度与硬度。而连杆试样的强度与硬度则低于T01与G01两种材料。由于烧结温度分为1000℃和1200℃两档，当温度从1000℃升至1200℃以后，T01材料内部的铁素体成分明显减少，塑性也随之降低。而G01与连杆试样中的珠光体尺寸增大，这时，两种试样的强度与硬度也随之提升。

3 双材质粉锻炼连杆材料的力学性能分析

3.1 屈服强度与抗拉强度

在1000℃的烧结温度下，T01材料的屈服强度为505Mpa，抗拉强度为810 Mpa，在1200℃烧结温度下，屈服强度为482Mpa，抗拉强度为778 Mpa 。G01材料的屈服强度、抗拉强度在这两段烧结温度下分别为579 Mpa与602 Mpa、874 Mpa 与896 Mpa。而连杆试样分别为490 Mpa与513 Mpa、760 Mpa与797 Mpa。通过对这三种材料屈服强度与抗拉强度比对可以看出，连杆试样最低、T01材料次之、G01材料最高。

3.2 塑性与硬度

通过使用扫描电镜对三种材料拉伸断口的观察可以发现，T01材料断口呈现蜂窝状，断裂形式多为韧窝断裂。G01材料断口呈现河流状，断裂形式多为解理断裂。而连杆试样的断口面兼具解理断裂与韧窝断裂的特点。由此可以判断出，T01材料塑性好、硬度低，G01材料硬度高、塑性低，而连杆试样的塑性与硬度均低于其它两种材料^[2]。

3.3 疲劳强度

利用升降法（N=10⁷cyc）能够计算出T01与G01材料的疲劳强度，计算结果显示：T01的疲劳强度为315Mpa，G01的疲劳强度为382.5Mpa，通过对两组数据的比对分析，T01材料的疲劳强度远远低于G01，因此，在制备汽车连杆时，应当优先选择G01材料作为连杆的杆部材料，这样，连杆发生断裂事故的概率将明显降低。

结论：

通过对T01与G01两种材料的拉伸试验可以看出，T01材料塑性优于G01材料，而屈服强度与抗拉强度则低于G01材料，据此分析，T01与G01都可以用作粉锻连杆的制备材料。另外，通过对两种材料疲劳强度的测试可以得出下面的结论：即T01材料的疲劳强度与疲劳极限均低于G01材料，这就说明G01比较适用于连杆的杆部材料，而T01材料具有较好的延展性与塑性，因此，更适合用作连杆的头部材料。

参考文献：

[1] 邵静静,毛敏捷,李建,等. 双材质粉锻连杆材料的微观组织及力学性能研究[J]. 粉末冶金工业,2020,30(3):31-35.

[2] 王吉忠,杨晓娜,牛利田. Cu含量对粉锻连杆力学性能的影响[J]. 热加工工艺,2016,45(19):147-148,152.