锻造条件对连杆胀断椭圆度影响工艺试验与应用

日产的连杆采用胀断的方式，胀断后椭圆度要求不大于100μm。KD 材料SVP40CES1，工艺流程为：锻造控温冷却后加工。从2013 年投产到2017 年，锻造和加工未出现异常。为了降低成本，从2016 年12 月开始使用国产的材料36MnVS4，材料进行国产化。国产化初期，锻造和加工均比较顺利。但在2017 年8 月用相同炉号的国产材料加大批次进行验证时，出现了大比例的胀断不良，而同期KD 材料连杆不良比例也有异常升高的情况。为了查找原因，对国产材料的连杆和KD 材料的连杆进行了以下对比：

⑴原材料：2016 年12 月和2017 年8 月锻造国产材料采用相同炉号，而胀断结果不同，说明材料不是导致胀断结果变差的主要原因。

⑵胀断设备：将2016 年12 月锻造的连杆30 件投入生产线进行试加工对比，胀断结果良好，且与2016 年12 月加工胀断的结果相当，说明胀断设备变化非主要原因。

⑶ KD 材料胀断不良的连杆对应的锻造时间是2017 年7 月。将库存的3 月和6 月的连杆做对比加工验证，胀断均无问题。

为此，我们从2016 年12 月（第一次使用国产材料）开始到2017 年8 月（第二次国产材料验证），对锻造过程的可能变化及对应结果进行分析：

⑴ 2017 年4 月锻造增加了喷板吹气，主要目的是在锻造过程中，通过喷板对着锻造毛坯用压缩空气去除表面的氧化皮，减少氧化坑。而2017 年4 月到2017 年7 月初KD 材料锻件未出现明显的胀断不良。说明对KD 材料来说，增加喷板吹气不是造成胀断不良的主要原因。

⑵ 2017 年7 月初，保全部门对喷涂装置增加了稳压装置，原来喷涂过程中随着时间的延长，喷涂压力逐渐降低。增加稳压装置后，喷涂过程中压力稳定；从后面反馈的情况看，时间点上比较吻合，怀疑是主要原因。

⑶气温逐渐变高，可能会影响到控温冷却效果，进而影响胀断性能，怀疑为可能原因。

结合以上分析，我们确定优先从锻造喷涂、控温冷却两个方面对锻造工艺进行验证。

试验与结果

控温冷却通过增加抽风风机的风量，加速连杆的冷却，从而抵消气温变化可能带来的影响。

稳压装置的增加，意味着相同时间的喷涂量会增加。如果验证喷涂对加工的影响，可以采取以下三种方案：⑴直接拆除稳压装置；⑵缩短喷涂时间；⑶降低喷涂压力。

虽然拆除喷涂装置最快捷，但稳压装置可以保持喷涂压力的稳定，同时对喷涂泵有一定的保护作用，所以我们希望继续保留该装置；而降低喷涂压力和缩短喷涂时间从效果上看，都可以减少单位时间的喷涂量。我们验证时，优先选择缩短喷涂时间进行验证。同时为了消除原材料等其他因素的影响，用相同炉号相同模具同步验证。

为了找到影响的要因，我们有意将参数调整的比较极端。具体试验方案见表1。

表1 改善胀断性能的连杆锻造验证试验方案

各种试验方案锻造工件各约500 件，加工胀断的对比情况如图1 所示。

图1 不同试验方案的胀断结果对比

从试验结果对比来看，喷涂时间缩短对胀断影响最显著，而控温冷却风量加大对胀断有一定程度的改善。

试验结果应用

KD 材料应用实践

从上述试验结果来看，缩短喷涂时间对胀断有显著的影响，而控温冷却有一定的效果。但这次的试验毕竟是为了验证影响因素，将喷涂时间缩短太多，导致工件局部填充不足，模具磨损较严重，且二预和终锻有明显的粘模，无法进入批量生产。一方面要减小喷涂量，另一方面还要保证润滑的效果，才能进行批量锻造。

提高润滑效果，从脱模剂的角度入手，我们提高脱模剂的浓度，从以前的1.2% 提高到1.4%；脱模剂增加稳压装置，相当于平均喷涂压力较原来大，我们可以适当降低喷涂压力。我们将喷涂压力从1.5MPa降低到1.4MPa；为了降低模具的磨损，改善二、三工序的粘模，同时尽可能减少喷涂量，将一工序喷涂时间调整到0.33s( 原来采用0.36s)，其他工序采用原来的喷涂时间。

控温冷却抽风风机频率调整到35Hz，有一定的效果，因组织检查有贝氏体倾向，所以将抽风风机频率由原来的20Hz 提高到25Hz。采用以上对策后，KD 材料的胀断不良率降低到1% 左右，与原来水平相当。

国产材料应用实践

KD 材料生产稳定后，采用与KD 材料同等的生产条件进行验证，即只对喷涂进行调整（降低喷涂压力，调整喷涂时间），结果胀断椭圆度依然有30% 不良，说明以上对策对KD 材料有效，但对国产材料依然不能满足要求。

而相对2016 年采用国产材料锻造条件，2017 年增加了喷板吹气。为了验证喷板吹气是否会对国产材料胀断有影响，关闭喷板吹气进行了试做，试做结果胀断不良降低到2% 以内，达到了预期。现在已经采用改进的工艺进行了量产，整体品质稳定。批量生产结果如图2 所示。

图2 国产材料改善前后及KD 材料改善后胀断不良对比

应用

采用调整后的锻造工艺，解决了量产材料的胀断品质波动，同时解决了国产材料的胀断不良问题，对加速连杆材料的国产化也起到有益的作用。目前我们的MR 连杆已经批量采用国产材料。

分析与讨论

喷涂或者喷板吹气对组织及加工性能影响原因初步分析

喷涂压力加大或者喷涂时间加长，相同时间内喷涂到模具上面的脱模剂增多，会导致模具表面温度的降低。通过热成像仪扫描模具表面温度，将喷涂压力降低并配合喷涂时间缩短，模具表面温度提高20 ～ 30℃。高温坯料直接与模具表面接触，模具温度升高，工件表面的温度降低会减少。喷板吹气直接对着工件，所以工件温度也会降低。

最直接的检测工件的终锻温度是通过放射温度计或者热成像仪等检测，但因测试条件不具备，所以我们间接检测工件出锻压机后热精压前的温度，发现改变喷涂压力，取消喷板吹气，工件的热精压前温度提高20 ～ 40℃，推测终锻温度也会相应提高20 ～ 40℃。

终锻温度或者锻造过程温度提高，回复和再结晶的速度会加快，晶粒也会长大。随着晶粒的变大，材料的塑性及韧性降低。我们对比了喷涂压力大，喷涂时间长，及采用喷板吹气工件组织（图3）相对于变更锻造工艺（缩短喷涂时间和降低喷涂压力，取消喷板吹气）的工件组织（图4）细小。从实际胀断情况看变更后的更粗大的组织有利于胀断。

图3 变更前组织（500×）

图4 变更后组织（500×）

KD 材料和国产材料胀断成分差异及锻造工艺差异

KD 材料和国产材料的化学成分见表2。

表2 KD 材料和国产材料化学成分（wt%）

KD 材料含有约0.1% 的P 元素，而P 元素可以明显提高材料的脆性，可以有效改善胀断性能。但含高P 元素的材料在钢厂生产时，如果采用弧形连铸，则在弧形位置，铸坯会内裂而导致材料报废。国内钢厂无法生产含高P 元素材料，一般国内弧形连铸最高能生产含P 元素不超过0.05% 的材料。所以国产时，无法利用高P 元素来改善胀断性能，而是通过加V 元素等提高材料的强度，降低材料韧性来改善胀断性能。这也意味着，通过降低喷涂，可以适当粗化组织，已经可以满足KD 材料的胀断性能，但国产材料因含低P 元素需要更加粗大的组织，所以需要取消直接对工件喷的压缩空气，才能满足胀断性能。

锻造加热温度

从胀断性能与组织对比来看，胀断性能好的工件组织相对粗大。我们通过减少喷涂量或者减小喷板吹气的目的都是使锻造温度提高，从而使回复再结晶的温度区间提高。

而提高锻造温度还有一个直接的方法，就是将加热温度提高。我们原来的加热温度目标值是1240 ℃， 加热范围是1200 ～ 1280 ℃。为了提高毛坯的质量稳定性，我们将加热温度下限提高到1230℃，目标温度调整到1250℃。从实际结果来看，感应加热床的Cpk 可以满足≥ 1.33 的情况。锻造后毛坯组织、硬度及胀断加工性能等方面都比较稳定。

结论

⑴锻造条件对胀断连杆的胀断性能有明显的影响；

⑵对于过程中的变更，一定要进行充分的验证，否则会导致批量的不良；

⑶不同的材料, 需要通过试验验证的方式，确定最合适的锻造条件。

—— 来源：《锻造与冲压》2019年第11期