非调质钢在汽车行业的应用研究

非调质钢在汽车行业的应用研究

作者：杨岁权

来源：《科技创新与应用》2013年第29期

摘要：非调质钢不需要进行淬火和高温回火加热，不进行淬火冷却，显著降低生产过程中产生的烟、汽对环境的污染，并节约大量能源，引起汽车零部件生产厂家的广泛重视，以期能代替中碳结构钢或合金结构钢。

关键词：非调质钢；力学性能；应用

1 非调质钢的出现和发展

汽车制造中有大量齿轮、轴、连杆等受力结构件，通常选用中碳结构钢和合金结构钢等传统材料。当采用这些传统材料时，需要将铸造或锻造好的零件重新加热至完全奥氏体化，正火或者淬火冷却后再进行高温回火加热和冷却，以获得均匀、细密的回火索氏体组织，满足结构件的综合力学性能要求，调质处理后进行冷切削加工成各种结构件。这种生产过程消耗大量的加热能源，大多数情况下需要进行强制冷却，产生大量的环境污染物，生产工艺复杂，周期较长。

非调质钢是指通过添加微合金化元素改变组织的相变机理，通过轧制、锻造和控制冷却等方法，使性能达到或接近调质钢力学性能的中碳低合金结构钢。

非调质钢在热轧、正火或锻造后空冷状态下的强度等级在500MPa以上。

目前，世界各国都在寻求节能、环保的可循环经济增长方式。由于冶金技术和钢材热加工技术的不断发展，各国陆续开发并生产了不需要进行调质处理，只需要进行控制轧制、锻造工艺及轧制、锻造后的冷却速度就可以获得所需要的强度、韧度和切削性能的非调质易切削钢。常规的非调质结构钢是在中碳钢中添加微量合金化元素（钒、钛和铌等），通过控制轧制、锻造过程和随后的控温冷却，在铁素体和珠光体中弥散析出碳（氮）化合物为强化相，使之在轧制、锻造后不经过调质处理，即可获得碳素结构钢或合金结构钢经调质处理后才能达到的力学性能。

非调质钢的经济技术特点：

（1）非调质钢的规格效应较小，其强度和硬度沿零件截面积的分布较均匀，提高了零件的整体强度；（2）避免了调质过程中的工件的变形、开裂，而产生废品的风险，提高了成品率；（3）减少了高能耗的热处理，节能减排；（4）缩短生产周期，提高劳动生产率，节约生产管理费用；（5）良好的切削性能和表面强化性能。

德国在70年代首先研制成功非调质钢。德国、美国和日本对非调质钢的研究与应用处于世界领先水平。

我国起步较晚，80年代开始研究非调质节能钢材。我国自行研制的非调质钢节能钢材90年代在汽车制造业中得到初步应用，目前已得到推广应用。我国将非调质钢分为4类：易切削非调质钢、锻造用非调质钢、高强度高韧性非调质钢、冷作强化非调质钢。总的看来，微合金非调质钢由于具有节能节材及绿色环保等优点，应用范围日益扩展，在汽车工业中已成为锻件、热处理件用材的发展趋势，并在其他领域不断扩大应用。但是，目前国内非调质钢还存在以下问题：

（1）性能不稳定；（2）韧性较低；（3）材料成本较高。

2 非调质钢的性能及强化机理

非调质钢的显微组织是铁素体和珠光体，以及弥散析出的碳化物、碳氮化物，其机械性能由下列因素决定：

（1）球光体与铁素体的比例；（2）铁素体晶粒尺寸和珠光体团尺寸；（3）微合金元素的析出硬化效果；（4）珠光体片的间距。

非调质钢的强化是通过Mn等合金元素的固溶析出，同时MnS、V和C、N形成化合物复合析出，可以细化晶粒，提高材料综合性能。

非调质钢的强韧化处理是非调质钢应用中的一项重要技术。通过一定的加工工艺处理，非调质钢的良好性能可得到充分的发挥。通过选择不同的化学成分和相应的轧制、锻造工艺，非调质钢可以具有与碳素结构钢及合金结构钢调质处理后一样的强度。虽然其韧性稍差，但在采取某些韧化措施后，也已可以达到相应的韧性水平。正火是一种简单有效的强韧化处理工艺。正火处理可以使中碳非调质钢的显微组织进一步细化，改变铁素体—珠光体的组织形态，有效地提高钢的冲击韧度，最大限度地改善非调质钢的性能，以扩大使用范围，物尽其用。许多学者研究了中碳非调质钢的正火工艺和性能。对非调质钢正火性能的分析研究，能使正火工艺在非调质钢的应用中发挥很大的作用。非调质钢的正火析出沉淀强化、细晶强化是非调质钢的主要强化机制。非调质钢经控制轧制（锻造）和控制冷却，控制变形量、变形温度、冷却速度等工艺参数，钢中的V、Nb、Ti等合金碳氮化合物在冷却过程中析出大量弥散分布的微细合金碳氮化合物，发生沉淀强化，以及先共析铁素体呈细小、弥散析出，分割和细化奥氏体晶粒，从而使钢的强度与韧度都得以提高。

3 应用举例

下面举例说明非调质钢零件的制造方法：

曲轴：

某厂非调质钢重卡发动机曲轴采用中频感应加热，加热温度为1250℃，辊锻机辊锻，辊锻后温度为1200℃，16000t热模锻压力机锻造成型，终锻温度为1120℃，机械压力机切边，切边后温度1000℃，液压机进行校正，校正后温度不低于920℃，锻造后采用悬挂方式进行控制冷却。悬挂式控制冷却装置包括三个控温冷却阶段：

第一阶段：曲轴从920℃控制冷却到550℃。在此阶段的冷却速度，特别是在800℃～550℃之间的冷却速度，即Ar3～Ar1相变温度范围内的冷却速度，将明显影响钢的晶粒大小、铁素体和珠光体的数量和形态，珠光体的片间距和珠光体中渗碳体片的厚度，以及钢中微合金碳、氮化物的数量和颗粒的大小，从而影响非调质钢的力学性能。

第二阶段：曲轴从550℃控制冷却到250℃。消除零件在锻造过程中产生的内应力。

第三阶段：曲轴从250℃冷却到60℃以下，可以进行人工操作。

连杆：

某厂非调质钢发动机连杆采用中频感应加热，加热温度为1220℃，4000t热模锻压力机锻造成型，终端温度为1050℃，机械压力机切边，切边后温度920℃。锻造后采用平摆控制冷却，设备选用网带式控制冷却装置。网带式控制冷却装置分为三个控温冷却阶段：

第一阶段：从920℃控制冷却到600℃。

第二阶段：从600℃控制冷却到300℃。

第三阶段：从300℃冷却到60℃以下，可以进行人工操作。

随着世界各国对发动机排放要求的提高，用非调质钢生产的胀断型连杆以其具有更好的配合精度，将成为今后连杆行业的主流趋势。

为了保证在大批量连续生产条件下非调质钢零件性能的稳定，要求严格控制钢材化学成分、冶金质量、加热温度、终锻温度、冷却曲线，以获得要求的组织和性能。

4 应用前景

目前，国内已成功开发出载重车大功率发动机曲轴用非调质钢48MnV和连杆用非调质钢40MnV、35MnVS等，各大型钢厂正在汽车用非调质钢领域进行研发，方向主要针对非调质钢的韧性改善，这也是国际上研究的热点，主要冶金措施有氧化物冶金、硫化物冶金、晶内铁素体化等，目的是促进晶粒细化以改善韧性。

随着我国市场经济体制的不断完善，有显著节能和环保效果的非调质钢一定能在汽车行业得到较快发展，并将逐步扩展到其它领域。