汽车发动机连杆材料
的现状及发展趋势
高强度、轻量化、低成本是 汽车发动机连杆用材料的发展趋 势，我国的发动机锻钢连杆制造 技术与国外差距不大，但在连杆 轻量化方面还相当落后。
中国第一汽车集团公司技术中心 曹
正
为了保证连杆的疲劳强度， 要求连杆的材料要具有良好的综
连杆用材料
1.碳素钢和合金钢
碳素调质钢和合金调质钢是 连杆用钢的传统钢种，通常小功 率的发动机采用碳素调质钢， 大功率的发动机采用合金调质 钢。碳素钢的碳含量范围通常是 0.40%~0.55% ，合金钢主要添加 的合金元素是铬、锰、钼、硼， 可单独添加或复合添加。
碳素钢连杆的调质硬度一般 在 229 ~ 269HBS，合金钢连杆 的调质硬度可达到 300HBS，但 最高不超过 330HBS，这主要是 考虑后续的机械加工。调质连杆 具有足够的强度和塑性，一般 碳素钢抗拉强度可达到800 MPa
材料 45 55 40Cr 40MnB 53CaS 45Mn2 42CrMo
以上，冲击韧度在 60 J/cm 2 以 上；合金钢调质钢抗拉强度可达 到900 MPa以上，冲击韧度在80 J/cm 2以上，可满足连杆的可靠性 要求。
我国汽车发动机调质钢连杆 所用材料牌号和技术指标见表 1。美国汽车发动机调质钢连杆 所用材料牌号和技术指标见表 2。日本及其它国家调质钢连杆 所用材料牌号和技术指标见表 3。
调质钢连杆的制造工序是， 棒料经过剪切，热锻成形，调质 处理，强力喷丸、机械加工，装 配和检测。我国在调质钢应用方 面与国外差距不大，但在锻造技 术方面与国外比还有一些差距。
硬度 229~255HBS 226~271HBS 229~269HBS 223~262HBS 229~269HBS 229~269HBS 28~32HRC
杆材料几乎普遍采用碳素调质钢
和合金调质钢，20世纪70年代由 于石油危机，为节省能源，欧美 和日本开始大量应用非调质钢， 并取得很大的进展。
随着汽车工业制造技术的发 展，对于汽车发动机的动力性能 及可靠性要求越来越高，而连杆 的强度、刚度对提高发动机的动 力性及可靠性至关重要，因此国 内外各大汽车公司对发动机连杆 用材料及制造技术的研究都非常 重视。
在满足性能指标的前提下， 连杆的材料和制造技术关联很 大，非调质钢的应用就是考虑节 省调质工序。近年来，采取裂解 连杆体和连杆盖分界面技术可以 大幅度地减少机械加工工序，由 此开发了高强度低韧性的高碳非 调质钢和粉末冶金锻件，以满足 工艺的需要。
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合力学性能及工艺性能。以往连
表1 国内发动机连杆用材料及热处理硬度
热处理 调质 余热淬火 调质 调质 调质 调质 调质
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S 性可以分4类，见表4
。其中基本
型和高强度型适用于发动机连 杆。
早在20世纪60年代，美国在 SAE1140钢的基础上提高锰含量 并添加微合金元素，锻造后不经 过调质处理即应用于轿车发动机 连杆的制造中。70年代初期，德 国、日本各钢铁公司和汽车制造 厂家对非调质钢进行了大量的研 究工作并开发了一系列钢种，应 用于汽车曲轴、半轴、轮毂轴、 发动机连杆、转向节臂等的生产 中。
20世纪80年代初，我国开始 研究非调质钢，开发了十多个钢
国外连杆毛坯的加热大多采用电 加热或感应加热，加热时间短， 加热温度控制稳定，采用辊锻制 坯，液压模锻成形，锻件尺寸精 度高，避免了锻件表面的脱碳。 而我国现在多数连杆生产厂采用 的是空气锤制坯，蒸汽锤成形， 因此我国连杆锻件普遍存在的问 题是尺寸精度差、锻件表面状态 不好、锻件表面脱碳严重等问 题。
调质钢连杆由于最终的力学 性能是通过调质处理控制的，因 此调质钢连杆的性能稳定，综合 力学性能好。对于一些大功率柴 油机，要求连杆要有较高的强度
和一定的韧性，使用调质钢可以 保证其可靠性。
2.非调质钢
非调质钢的强化机理是在中 碳钢的基础上添加钒、钛、铌等 微合金元素，通过控制轧制或控 制锻造过程的冷却速度，使其在 基体组织中弥散析出碳、氮的化 合物使其得到强化。非调质钢省 略了锻后的热处理，从而节省了 能源，减少了生产工序，降低了 成本。另外，由于省略了调质工 序，避免了零件在热处理工序中 产生的淬火裂纹和变形等一系列 的质量问题，对提高产品质量有 一定的好处。非调质钢按其强韧
表2 美国汽车发动机连杆材料及热处理硬度 材料
SAE 1041（0.80%～1.10%Mn) SAE 1053（0.06％～0.09％S） SAE 1340 SAE 1340H SAE 1141 SAE 1355 SAE 5135 SAE 5140 SAE 4135H SAE 8635 SAE 9437 SAE 3135H
相当国内牌号 热处理 40S 锻后空冷 50、55 锻后空冷 40Mn 调质
40Mn2 调质（淬水） 40Mn2S 调质 55Mn2 调质 35Cr 调质 40Cr 调质 35CrMo 调质 35CrNiMo 调质 38CrNiMo 调质
35CrNi2 调质（淬油）
硬度HBS 192～224 229～269 217～262 229～269 229～269 229～269 229～269 229～269 241～285 241～285 241～285 241～285 处理工艺 正火 调质 锻造空冷 调质 调质 调质 调质
种，主要是钒系、锰钒系、锰钒 氮系。另外，从切削角度每个系 列都开发了添加易切削元素的 钢种。其中，用于发动机连杆 的钢种有35MnVS、35MnVN、 40MnV、48MnV等，这些钢种的 强度级别都在900 MPa以下。通过 疲劳试验，其结果表明，非调质 钢连杆的疲劳强度与相同级别的 调质钢相当。
近年，一汽与德国合资生产
表3 国外部分厂家发动机连杆剖析结果
生产厂家
日本丰田 波罗乃兹 太脱拉 斯可达 福特300
钢号 S53C S55C S58C
SAE1141
相当国内牌号
55 55 60 45 45 40Mn 40Mn2 硬度 229HBS 29～30HRC 235HBS 207HBS 229～252HBS 263～269HBS 223HBS
表4 非调质钢强韧性分类
类型 基本型
组织 F+P
基本成分中碳+V 中碳+高Mn+V+Ti 低碳+高Mn+V+S 中碳+高Mn+V+Ti 高碳+Mn+V+S 低碳+高Mn+Cr+B+Ti, Nb
R m/MPa
A kv／J.cm-2 700～900 700～900
0～50 50～100 0～50 80～110
适用部件 连杆、曲轴、 轮毂轴等 转向节臂、轮毂轴
高韧性型 高强度型 高强度、 高韧性型
F+P
F+P，F+B
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900～1 050 900～1 050
连杆、轮毂轴 转向节、前轴
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的捷达轿车发动机连杆、上海与 德国合资生产的桑塔纳轿车发动 机连杆、一汽技术引进的道依兹 柴油机连杆和开发的 CA6DL系 列柴油机连杆，设计强度均在 900 MPa以上，均采用裂解连杆 大头接合面（裂解法）的生产技 术。
裂解法工艺要求连杆锻件在 裂解的过程不能有过大的塑性变 形，因此对连杆材料的要求是， 在保证其强韧综合性能指标的前 提下，限制连杆的韧性指标，使 其断口呈脆性断裂状态。现在用 的材料是从德国进口的C70SC系 列高碳非调质钢。
C70SC系列高碳非调质钢成 分特点是低硅、低锰、添加微量 合金元素钒及易切削元素硫。合 金元素的范围要求窄、材料的纯 净度要求高。现已开展了该系列 钢种的国产化工作，东北特钢和 江阴兴澄特钢都进行了试验，目 前还没有应用于批量生产。
非调质钢由于其添加的是微 合金元素，因此材料的成本不 高。作为一种廉价的节能钢种， 非调质钢正在逐步的取代调质 钢，国外几乎完全采用非调质钢 生产连杆。
另外，随着发动机轻量化的 要求，连杆的设计应力提高，中 碳锰钒系列非调质钢的强度无法 满足要求，再者裂解技术的应 用现在正在扩大，C70S6系列的 钢种的应用会越来越多。目前 德国在该钢种的基础上开发了强 度级别更高的钢种，正在推广应 用。
对于非调质钢，由于锻造 后不再进行其他热处理，锻造 工序决定了连杆最终的力学性
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的合金粉末试制发动机连杆， 并通过零件拉压疲劳性能试验 及发动机台架试验。德国还采 用成分为 Fe-(0.35 ~ 0.45)C- (0.3 ~ 0.4)Mn-(0.1 ~ 0.25) Cr- (0.2 ~ 0.3)Ni 粉末冶金连杆， 用在 Porsche928高性能发动机 上。
粉末冶金锻造连杆的强度、 韧性能达到锻钢连杆的水平， 是通过以下两个方面得到保证 的，一是通过锻造提高粉坯的密 度，二是通过添加合金元素， 使粉末锻造连杆具有足够的淬 透性，保证热处理后零件的质 量。
从理论上讲，烧结锻造零件 的密度，如能达到钢材的理论密 度的话，将具有与钢制零件等 同的力学性能。日本生产的 Fe- 0.5C-2.0Cu-0.09S粉末锻造烧结 连杆及 Fe-0.55C-2.0Cu-0.2S粉 末烧结锻造连杆的密度达到7.82 g / c m 3（理论密度的 9 9 . 8 %）， 通过试验证明，这样密度的烧结 零件，能够达到锻钢连杆的疲劳 性能。
粉末烧结锻造连杆锻后的 金相组织为珠光体 - 一铁素体组 织，锻后的热处理与锻钢连杆的 热处理相同。一般是进行调质处 理，也可锻造后空冷再直接进行 切削加工，这点与非调质钢的性 质一样，要在金属粉末中添加可 弥散强化基体的合金元素，保证 锻后空冷零件的金相组织具有足 够的强韧性。
粉末烧结锻造连杆的特点 是经济效益显著，一般认为粉 末烧结锻造连杆与锻钢连杆相 比，材料可节约 40% ，生产成 本可降低 10% ，能源消耗可节
能，因此控制锻造加热温度和 锻造后冷却速度是保证非调质 钢连杆性能的重要环节。一般 要求采用感应加热，锻造后要 有控冷装置。
我国发动机连杆制造企业在 锻造加热和锻后控制方面近年已 经取得长足的进步，具备了应用 非调质钢生产连杆的条件，将来 非调质钢有望完全取代调质钢制 造发动机连杆。
3.粉末冶金连杆
粉末烧结锻造工艺在 20 世 纪 60 年代就已出现。当时，美 国、日本及欧洲的一些国家均进 行了大量的试验研究工作。由于 当时金属粉末的种类极少，又受 到成本的限制，发展不快。随着 金属粉末、合金粉末的开发及相 关工业的发展，粉末烧结锻造工 艺也相应的得到发展，并且逐渐 的应用到汽车结构件的制造之 中。
用粉末烧结锻造工艺生产 汽车发动机连杆零件，最早是 美国通用汽车公司进行这方面 的试验并取得成功，但当时没 有达到批量生产。随后，日本 丰田汽车公司采用成分为 Fe- 2Cu-0.55C-0.1S的合金粉末生 产汽车发动机连杆，并与锻钢 连杆进行了拉压疲劳性能对比 试验。结果表明，粉末烧结锻 造连杆与锻钢连杆具有等同的 疲劳性能。另外，采用4100S金 属粉末，添加钛合金，使连杆 的整体质量减轻到原来锻钢连 杆质量的 65％ ~ 80％，并且通 过了发动机台架试验。目前， 丰田汽车粉末冶金连杆已经商 品化。英国、瑞士、德国合作， 选用一种成分为 Fe-1.5Cr-0.5C
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约50% 。
国内烧结锻造技术还很落 后，专用的粉末冶金压机及烧 结炉的应用还不普遍。金属粉 末的品种少，质量差且不稳 定。另外，烧结保护气体还需 进一步地研究改进，这些都影 响着我国超高密度粉末冶金零 件的发展，是今后急需研究和 改进的课题。
4.钛合金连杆
用钛合金制造发动机连杆主 要考虑的是轻量化，金属钛的密 度为4.5g/cm ，仅为钢铁材料的 58％，因此用钛合金制造汽车发 动机连杆，可大幅度地降低连杆 的质量。
金属钛的抗拉强度比较低， 仅有250~300 MPa，生产中要添 加合金元素来强化基体，通常是 添加铝和矾。因此，影响钛合金 硬度和强度的主要因素是合金中 的铝和钒含量，铝钒含量越高， 合金的硬度，强度越高。
对于钛合金，也可以象钢铁 材料那样，用热处理的方法改变 金属组织，调整性能，使之达到 使用要求。
钛合金的疲劳性能也与屈服 强度、抗拉强度有一定的关系。 从试验结果看，屈服强度在 850 MPa以下的钛合金，疲劳强度与 屈服强度呈正比；但屈服强度在 850 MPa以上的钛合金，疲劳强度 与屈服强度成为极限状态。也就 是说，屈服强度在850 MPa以上的 钛合金，不管屈服强度多高，疲 劳强度与屈服强度850 MPa的钛合 金相差不大。
钛合金的切削性能较差，通 常要添加易切削元素硫和稀土， 形成硫和稀土的化合物以解决切 10 汽 车 工 艺 与 材 料
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度提高。钛合金连杆还可显著地 降低发动机的噪声，有利于环 保。
由于钛合金的成本比较高， 目前应用的范围有限，通常是用 在一些高性能赛车上。
削问题。通常，添加易切削元素 对钛合金的疲劳性能没有不利的 影响，但屈服强度在850 MPa以上 的钛合金，添加易切削元素会降 低高负荷下合金的疲劳性能。这 是因为在高负荷情况下，易切合 金中的硫化物会促进疲劳裂纹的 萌生和扩展，降低了材料的疲劳 性能。
日本采用化学成分为Ti-3Al- 2V的钛合金生产连杆，其抗拉强 度可达800 MPa、屈服强度可达 600 MPa，相当于45调质钢的强度 水平。
Ti-3Al-2V易切削钛合金连杆 的疲劳极限在430 MPa左右，与45 调质钢和800 MPa级的非调质钢的 疲劳极限相当。
钛合金连杆比钢制连杆的质 量可减轻30％，由此可使连杆的 往复惯性力大幅度的降低。通过 对发动机在各种不同转速下曲轴 连杆间最小油膜厚度的测量结 果，钛合金连杆和钢制连杆在保 持油膜厚度相同的条件下，应用 钛合金连杆的发动机转速比用钢 制连杆的发动机提高700 r/min， 由此可使发动机的输出功率大幅
现状分析
汽车技术的发展，对发动机 的性能提出的要求越来越高，连 杆是发动机的关键零件之一，对 连杆的要求是高强度、轻量化、 低成本。
我国各大汽车集团的主机厂 发动机锻钢连杆制造技术与国外 差距不大，不论从锻件的强度， 表面强化技术，还是尺寸精度及 产品的稳定性方面，都接近国外 发达国家的水平。配件厂近年技 术有所提升，但还存在一些问 题，锻件成形及控冷技术落后， 产品性能不稳定。
在连杆轻量化方面，我国还 相当落后，钛合金连杆，纤维强 化铝合金连杆、粉末冶金锻造连 杆的研究还没有开展，是今后要 开展的课题。 AT &M
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