热锻用非调质钢推广应用中的问题与对策

0.075%Ti
950℃
924℃
**形变前奥氏体晶粒尺寸 D0=125μm
资料[1]的作者，试验测定了三种微合金钢在热变形量分别为 20%和 35%两种情况下的 静态再结晶的最高温度（表 4）。在表中特定的变形量下，高于表中温度，材料将只可能发 生动态再结பைடு நூலகம்或准动态再结晶，相对于 V、Ti 微合金化，Nb 微合金化对延滞动态再结晶， 从而提高静态再结晶临界温度更有效。
静态再结晶过程。
a) 制坯（1130℃）
b) 预锻（1100℃）
c) 终锻（1050℃）
图 2 30MnSiVS 转向节各锻造工步完成时的奥氏体晶粒形貌
⋅
动态再结晶晶粒的平均直径仅仅取决于Zener-Hollmon因子 Z = ε exp(Q / RT ) ，而与形
变前的原奥氏体晶粒尺寸无关[2]，若锻坯在制坯、预锻、终锻各工步均能完成动态再结晶， 锻件低温相变前的原奥氏体晶粒度将与锻造加热、制坯、预锻等工步无关，而仅仅与终锻工
1
零件名称
调质钢
设计认证的 非调质钢
曲轴
40Cr 42CrMoH
48MnV 40MnVS 38MnS6
连杆
40Cr 40MnBH
C70 S6 38MnSiVS
前轴
50# 42CrMoH
12Mn2VB 25Mn2CrVS 30SiMnVS
连通轴
40CrH 40MnBH
38MnSiVS
42CrMoH
转向节
Rm
Rp0.2 A5 Z
KU2
（MPa） （MPa） （%） （%） （J）
820
550
20
60 ≥50
840
540
19
59 ≥50
840
570
14
45 ≥30
900
600
16
≥15
820
510
13
30 ≥8
综合成本 （%）
104 100 100
锻件名 称
前轴 前轴 前轴 连杆 曲轴
2. 汽车保安件对冲击韧性的要求
转向系、悬挂系、驱动系等有较高安全性要求的零件，可能存在风险； 3) 950MPa 级的中低碳贝氏体非调质钢，韧性不稳定，成本较高，适合用于代替部分对屈
服强度要求较低的 42CrMo 调质零件； 另外，调质钢零件锻造余热淬火工艺的逐步完善和推广，对非调质钢的应用同样构成了 竞争。调质钢零件锻造余热淬火工艺相对于再加热淬火，可以降低约 60%的能耗，相对于 非调质钢零件，则具有更高强韧性（表 2）
0.25
3.4. 复合微合金化，细化终锻工步的动态再结晶晶粒，阻止此后的晶粒长大 非调质钢在锻造控冷过程中，随着变形温度和变形量、变形速率的变化，理论上可能发
生的再结晶过程为： 1) 动态回复与再结晶； 2) 动态回复与再结晶——准动态再结晶； 3) 动态回复——静态再结晶。
4
完成再结晶后，将进入晶粒长大阶段。因此再结晶晶粒度、高温奥氏体晶粒长大倾向、
3. 汽车公司保证非调质钢锻件强韧性的一般方法
如前所述，非调质钢热锻件塑韧性不足，限制了其在汽车底盘零件，特别是保安件上的 应用。为了消除这一技术障碍，汽车行业和钢铁行业都进行了长久努力，笔者结合自身工作 经验，总结了如下几个行之有效的措施。 3.1. 选用中低碳“珠光体-铁素体”非调质钢
如表 2 所示，在相同的强度等级下，碳含量较低的 30MnSiVS 与碳含量较高的 48MnV 相比，前者具有更好的韧性。主要原因在于铁素体的韧性高于层片状的珠光体，而前者组织 中铁素体含量达到 40%以上，后者的仅为 10%左右，尽管后者同样存在少量的晶内铁素体， 但从几何上看，完全可能被裂纹绕过，起不到增加裂纹扩展功的作用（图 1）。
汽车前轴、轮毂、转向节、转向节臂、传动轴叉，等等，这些零件的失效，可能导 致车毁人亡的安全事故，被列为保安件。这些零件必需足够的可靠性和安全性。零件的可靠 性，可以通过疲劳台架试验和道路试验进行技术验证，安全性的保证除了需要足够的可靠性 和抗过载断裂能力外，其承受冲击载荷的能力、以及缺口敏感性同样十分关键。后两者，则 主要与材料的塑韧性有关。
热锻用非调质钢推广应用中的问题与对策
高亮庆，张峰
（东风商用车有限公司工艺研究所，442001）
摘要：热锻用非调质钢锻件能够实际应用的必要条件包括：与调质钢锻件相比具有综合成本 竞争力，强韧性水平满足零件性能要求。强韧性不足，是制约非调质钢锻件在汽车行业推广 应用的主要技术障碍。可以从材料选择、锻造控冷工艺优化、材料锻造控冷工艺性能改善等 方面采取措施，改善非调质钢锻件的强韧性。非调质钢锻造控冷工艺性能需要运用热变形再 结晶图、奥氏体连续转变冷却曲线、高温奥氏体晶粒度等数据进行评价。 关键词：非调质钢 综合成本 强韧性 锻造控冷工艺性能 高温奥氏体晶粒度 热变形再结晶 图
表中反映出，非调质钢应用最为广泛的零件是发动机曲轴和连杆。这是因为，经过长期 的实践证明，这两个零件，对于材料韧性没有过高的要求，中、高碳“珠光体-铁素体”非 调质钢即使韧性较低，也能满足要求。
30MnSiV 能够部分用于汽车前轴，在于其碳含量较低，通过增加铁素体含量，控制强 度，保证了塑韧性。但这样做，其强度等级限定于 800MPa 级这一较低水平，相对于同一强 度等级的 50#调质前轴，30MnSiV 前轴不再有成本优势。低碳贝氏体非调质钢能够成功用于 卡车前轴，同样归功于其具有良好的强韧性配合，但只有代替 42CrMoH 调质前轴才能有成 本优势，这时却面临着屈服强度偏低的窘境。
轻型商用车转向节在“制坯-预锻-终锻”三个工步的坯料变形温度在 1130℃~1050℃之 间。为验证上述结论，我们测定了 30MnSiVS(0.12%V-0.027%Ti)坯料在三个工步锻后立刻淬 火组织的原奥氏体形貌，发现锻坯不同部位晶粒存在大小差异，预锻工步的有混晶，但均为
等轴晶粒。可以推定，材料在各工步锻造变形时已经完成动态回复与再结晶，不存在后续的
笔者经过实践证明，保安件要求一定的冲击韧性是必需的。用于焊接结构的驱动桥轴管、 传动轴叉等零件，可能存在裂纹、裂缝等尖锐的焊接缺陷，必需的冲击韧性可以参照工程构 件的要求确定；其他非焊接结构件，容易防止内部出现裂纹等非连续性缺陷，但在生产过程 中或用户使用过程中，均可能存在应力集中圆角或表面磕碰伤，因此同样需要一定的塑韧性， 以降低缺口敏感性，但是，要求的冲击韧性可以采用机械行业常用的 KU2。汽车非焊接结 构保安件必需的最低冲击韧性是多少，还未见公开报道。因为难以试验确认，各公司的要求 可能差异较大，以前轴为例，A 公司参照使用了 40 多年的 50 钢(GB/T 699)前轴材料必需的 最低冲击韧性，要求非调质钢前轴冲击韧性 KU2≥31J，B 公司则没有明确要求。
3
a) 30MnSiVS
b) 48MnV
图 1 两种 800MPa 级非调质钢热模锻件组织形貌
3.2. 选用低碳贝氏体非调质钢
常用的贝氏体非调质钢锻件中，可能主要包括粒状组织、粒状贝氏体两种组织，如果冷
速过低，可能出现少量的先共析铁素体或珠光体。其中 12Mn2VB锻件中粒状组织较多，材 料强度较低而韧性较高；25Mn2CrVS锻件中则多为粒状贝氏体和少量珠光体，其抗拉强度 较高，可达到 960MPa以上，而韧性较低，冲击功UK2一般为 20~40J，尽管如此，相对于相 同强度等级的“珠光体-铁素体”非调质钢锻件，其韧性已经大为改善。 3.3. 不过分追求易切削化，降低硫含量
为防止脆性断裂，钢铁构件必需的冲击韧性一直是一个经验统计值。例如，1952 年美 国国家标准局通过统计分析提出，防止船舶用钢板脆性断裂的冲击韧性为 KV2≥21J，而 1978 年联邦德国提出焊接构件防止脆断的冲击韧性为 KV2≥27J，我国西安交通大学强度所 对脆断事故调查分析后，提出工程机械零件防止脆性断裂的冲击韧性为 KV2≥30J。
40CrH
38MnSiVS
40MnBH
42CrMoH
转向节臂
40CrH
25Mn2CrVS
40MnBH
42CrMoH
万向节叉
40CrH
38MnSiV
40MnBH
贯通轴
40MnBH
半轴
40MnBH
推力杆头
35 45
30MnV
冲焊桥壳轴 管
30Cr 40Cr 40MnBH
35MnV
钢板弹簧吊 耳
45
45V
增加钢材的硫含量，对于改善其切削性能非常有利，对其纵向强度和塑韧性的影响较小，
但会增加材料的各向异性，降低材料横向性能和扭转性能。为了试验加硫易切削化对感应淬
火扭杆性能的影响，对两种不同硫含量的中碳 Mn-V 系非调质钢“淬火+低温回火”状态下 的纵向和横向性能进行了对比试验，试验数据如表 3，由此可见，“淬火+低温回火”状态下， 硫含量对钢材纵横向性能均具有显著影响。
●
◎
韧性不稳定
0
●
●
●
●
◎
韧性不稳定
0
●
●
●
●
◎
韧性不稳定
0
●
●
●
0
○
●
●
0
○
●
●
0
○
●
●
0
●
●
●
0
◎
●
●
●
○
屈服强度低
●
●
●
●
●
●
●
◎
韧性不稳定
●
●
2
50# 再加热淬火 50# 锻造余热控温淬火
30MnSiVS 锻后控冷 38MnSiVS 锻后控冷 48MnV 锻后控冷
表 2 不同材料工艺方案锻件性价比
φ (MPa)
τm/Rm
冲击 KU2 (J)
工艺状态
35MnV
1890 10.0 45.0 30 1566 157° 0.83
20
（0.0057%S）
淬火+低温回火
35MnVS
1740 7.5 33.0 26 1374 42° 0.79
5
（0.064%S）
性能比例
0.92 0.75 0.73 0.86 0.88 0.27 0.95
表 1 中同时列举了非调质钢在其他零件上难以实际应用的原因——成本或者强韧性难 以满足。
总之，目前制约非调质钢在汽车零件上扩大应用的具体原因为： 1) 800MPa 级及以下强度等级的非调质钢，强韧性匹配合理，但综合成本较高，或成本优
势不明显； 2) 850MPa 级以上的“珠光体-铁素体”非调质钢，韧性较低，缺口敏感性较高，用于汽车
高硫含量，还会导致焊接热裂纹等工艺缺陷，显著恶化材料的焊接工艺性能。因此，承
受扭转载荷或横向拉应力的零件，以及焊接结构零件，不应采用加硫易切削钢。
表 3 硫易切削化对 “淬火-低温回火” 中碳钢机械性能的影响
纵向取样
横向取样
材料牌号
拉伸 Rm A Z (MPa) (%) (%)
冲击 KU2 (J)
扭转 τm
晶粒停止长大前的高温区冷却速度，将决定锻件的最终原奥氏体晶粒度。
表 4 试验确定的不同微合金钢静态再结晶临界温度[1]
微合金系
应变量 20%
应变量 35%
备注
0.042%Nb 0.095%V
1021℃ 969℃* 961℃**
1000℃ 925℃
⋅
应变速率 ε =3.63s-1
*形变前奥氏体晶粒尺寸 D0=165μm
注：●-满足，◎-部分零件满足，○-不满足
表 1 常用热锻用非调质钢在某公司汽车零件上的应用情况
实际生产中非 调质钢占比
成本降低
能耗降低
非调质钢应用效果 热处理缺陷消除 生产周期缩短
零件强韧性要求
备注
100%
●
●
●
●
●
检出“磁痕”
100%
●
●
●
10%
◎
●
●
0
●
●
●
●
●
材料价格高
●
◎
屈服强度偏低，韧性不稳 定
5
⋅
步的动态再结晶晶粒大小有关。另外，变形率 ε 决定于锻压机的滑块下降速度和锻件形状，
对特定零件和设备，难以进行调整。因此，控制动态再结晶晶粒度的可用手段只有材料因素 Q（奥氏体形变再结晶激活能）和工艺因素T（终锻温度）。
综上所述，细化锻件原奥氏体晶粒的途径为： 1) 提高材料的热变形激活能； 2) 降低终锻温度以下的高温奥氏体晶粒长大倾向； 3) 降低终锻温度； 4) 加快终锻温度至晶粒停止长大温度区间内的锻件冷却速度； 5) 合理分配预锻、终锻工步的变形量，适当增加终锻工步变形量。
1. 非调质钢在汽车零件上实际应用的必要条件
随着钒铁等合金价格的降低和增氮工艺的改善，非调质钢（Microalloyed Medium Carbon Steels）的合金成本逐步降低，给非调质钢在汽车零件上的应用创造了有利条件，但非调质 钢塑韧性不足，仍然是制约其在汽车行业推广应用的主要障碍。
表 1 列举某公司载货卡车汽车零件常用调质钢和代用非调质钢两种材料工艺方案的对 比情况。
其中前两项均与材料的合金化有关，第 1）项与奥氏体固溶的合金元素有关，而第 2） 项则与析出或未溶的碳氮化物有关，第 3）、4）项依赖于锻件大小、比表面积和控冷工艺条 件，第 5）项依赖于锻造工艺设计，对于发挥终锻工序细化晶粒的作用至关重要。
因为既要求有合金元素固溶，又要求有合金元素以第二相颗粒析出，因此，对于要求强 韧性的锻件用钢，V-Ti、Nb-Ti 或 V-Nb-Ti 复合微合金化往往是必需的；对于 V、Ti、Nb 单 一微合金元素的非调质钢，微合金元素的含量不但需要考虑析出强化所需，而且需要保证在 终锻温度下必需的未溶和溶出碳氮化物的数量和大小。