S30MnH活塞杆化学成分对力学性能的影响分析

王 刚 曾 杰 高金强 叶成立 李 笑 方 迁

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618013)

活塞杆作为船用柴油机的关键部件，用S30MnH钢生产。力学性能作为其质量评价的关键指标，其稳定性一直以来都是制造厂家的追求目标。然而在实际生产中，往往存在两端强度差较大等问题。本文提供了先后两批次活塞杆试样，结合化学成分，分析影响力学性能的因素，从而探索解决力学性能差异大的方法及途径。由于S30MnH主要控制元素只有C、Mn，同时由于C含量、C当量对力学性能的影响最为明显，故本文主要从C含量、C当量两个方面出发，进行统计分析。

1 第一批次活塞杆C含量与力学性能的关系

在性能检验环节发现，活塞杆两端强度差异较大，见表1。两端强度差异最大达到了98 MPa。

第一批次获取了19组数据，共38个试样样本，分别从C偏差、C当量角度出发，分析化学元素含量对强度的影响。

1.1 第一批次偏析评价

第一批次19件产品，两端C含量差统计见表2。

对38个试样进行偏析程度评价，25个试样为正偏析，占66%，13个试样为负偏析，占34%。

表1 第一批次活塞杆两端强度差Table 1 Intensity difference at bothends of first batch of piston rod

表2 化学成分均匀性统计Table 2 Statistics of chemical composition uniformity

两端C偏差≤0.03%的占42.1%，两端C偏差≤0.04%的占47.4%。最大正偏析13.33%，最大负偏析12.90%，偏析相对较大。偏析分布情况见图1。

图1 第一批试样C偏析程度分布Figure 1 Segregation distribution of C of the first batch of sample

图2 第一批次C含量、C当量与强度的关系Figure 2 Relationship between C content, C equivalent and the intensity of the first batch of sample

1.2 C含量、碳当量与强度的关系

将38个试样的成品C含量、C当量与强度进行统计分析，见图2。

可以看出，尽管熔炼C在0.31%～0.32%之间，但是成品分析C含量却在0.26%～0.35%之间，两端最大C偏差达到了0.07%，碳当量也分布在0.56%～0.67%这样宽的范围内，说明C的偏析非常大。同时当C含量及C当量逐渐增大时，强度显著提高。但是在C含量、C当量相同的情况下，强度差异是明显存在的。

2 第二批次活塞杆力学性能和化学成分差异

针对第一批次两端强度差异较大这一情况，分析认为钢锭C偏析严重。所以在冶炼和锻造工序均采取了一定的工艺措施，来降低工件两端的C含量偏差和C当量偏差，从而提高工件两端强度的均匀性。为此，开展了第二批次的试验。

纳入第二批次统计分析的工件有15件，两端取试，共30个试样。强度差统计见表3。从表3可以看出，锻件两端强度偏差不一，最大达到68 MPa，最小为22 MPa。但与第一批次相比，两端强度差异明显减小。

2.1 第二批次偏析评价

本次15件产品30个试样，来自4个炉号，熔炼分析C含量在0.31%～0.32%之间。

从表3的计算看，单个取样点C的最大正偏析为12.90%，最大负偏析为6.45%。偏析不大于5%的占33.33%。偏析不超过10%的占66.67%，偏析超过10%的占16.67%，与第一批次相比，偏析程度明显减轻。第二批次C偏析分布见图3。

表3 活塞杆两端强度差统计Table 3 Statistics of intensity difference at both ends of piston rod

图3 第二批次C偏析程度分布Figure 3 Segregation distribution of C of the second batch of sample

2.2 锻件两端的C偏差

两端C偏差≤0.03%的占60%，两端C偏差≤0.04%的占86.67%，同样说明偏析程度处于合理范围内。

图4 第二批次C含量、C当量与强度的关系Figure 4 Relationship between C content, C equivalent and the intensity of the second batch of sample

图5 C偏差、C含量分布对比Figure 5 Distribution contract between C difference and C content

2.3 化学成分与强度的关系

同样对第二批次试样的C含量、C当量对强度的影响情况进行了统计分析，见图4。

从图4可以看出，强度随C含量、C当量增加而提高，完全符合相关理论。但是在C含量或C

表4 工件两端C偏差Table 4 C difference at both ends of workpiece

表5 两批次强度统计表(单位：MPa)Table 5 Statistics table of intensity of two batch of sample

当量相同的情况下，强度差依然存在，如C含量均为0.34%时，其强度差最大达到了78 MPa，C当量均为0.63%时，最大强度差达到88 MPa，这也说明化学成分不是强度高低的决定性因素。

3 对比分析

3.1 两批次C含量的对比分析

将以上两批次试样进行对比分析，试样两端C偏差、C含量分析对比见图5。

从图5可看出，第二批次的两端C偏差要好于第一批次，同时第二批次的偏析程度也要好于第一批次。

3.2 两批次强度的对比分析

从表5可以看出，从最大值、最小值、平均值等方面进行统计分析，无论是强度还是强度差，第一批次均要比第二批次离散，说明第二批次好于第一批次，但是第二批次强度差异依然较大。

4 讨论分析

以上两批次的分析数据，无论从C含量，C偏差、碳当量角度出发分析，第一批次相较于第二批次，C的偏析程度要大，成品C含量分布离散，说明采取的措施有一定效果。从两批次结果综合来看，C的偏析与其他转子用钢或者压力容器用钢相比，偏析程度都要大[1-3]。同时，在C含量、碳当量相同的情况下，强度差异也是明显存在的。对整个生产过程进行了梳理，发现造成差异的因素很多，每一批次存在的差异主要表现为：在炼钢环节有浇注温度和保温的差异，在锻造环节有钢锭利用率的差异，在热处理环节有装入量及炉温均匀性的差异等，这些都或多或少地影响着锻件

强度的均匀性，最终造成了批次间强度的差异。然而钢锭利用率及热处理环节的装入量，都直接关系到锻件的成本。所以在低成本战略思想的指导下，如何找到质量与成本的平衡点，获得既满足标准甚至高于标准要求的产品，又具有价格竞争力的产品，是众多热加工工程技术人员探索和思考的方向。

5 结论

影响锻件强度的因素众多，锻件要想获得均匀的力学性能，只有从炼钢、锻造、热处理三工序协同联动，才是最佳途径。

[1] 蒋新亮，王涛，罗玉立. 核电半速转轴用巨型钢锭的生产过程控制及冶金质量评价[J]. 大型铸锻件，2017(4)：1-4.

[2] 罗玉立，鞠庆红，曾杰. 燃机轮盘锻件用30Cr2Ni4MoV钢冶炼工艺研究及冶金质量评价[J]. 大型铸锻件，2017(2)：36-37.

[3] 陈海堤，王涛，罗玉立. 400t级巨型钢锭偏析及夹杂物分布研究. 大型铸锻件，2013(1)：9-15.