非调质钢及其锻造成型概况

非调质钢及其锻造成型概况
一、非调质钢概况
1.1 定义
非调质钢是通过微合金化、控制轧制（锻制）和控制冷却等强韧化方法，取消了调质处理，达到或接近调质钢力学性能的一类优质或特殊质量结构钢。

1.2 分类
根据非调质钢加工工艺，可分为：热轧、热锻非调质钢、易切削非调质钢、冷作硬化非调质钢。

热锻用非调质钢用于热锻件（如曲轴、连杆等），直接切削用非调质钢用热轧件直接加工成零件，冷作强化非调质钢用于标准件（如螺母等）。

根据非调质钢显微组织的不同，可分为：铁素体加珠光体型非调质钢、贝氏体型非调质钢、马氏体型非调质钢。

根据非调质钢性能，可分为：高强度微合金非调质钢，高韧性微合金非调质钢，高强高韧微合金非调质钢，表面强化微合金非调质钢。

另外还有轧制型材、切削加工性能等分类标准。

1.2.1 铁素体加珠光体型非调质钢
根据铁素体是沿原奥氏体晶界析出还是晶内析出，可以分为普通的铁素体加珠光体型非调质钢和晶内铁素体型非调质钢。

普通的铁素体加珠光体型非调质钢由德国蒂森钢公司率先于1972 年开发，目前国内外非调质钢的应用类型主要以此为主。

这是因为此类非调质钢所含合金元素少，生产工艺简单，而社会效益却很显著。

铁素体加珠光体型非调质钢的强度水平在600～900 MPa 之间，但因其韧性较差，使用范围受到很大限制。

此类钢主要用于生产轴类零件以及机床的丝杠、汽车上的曲轴、连杆和轮毂。

铁素体加珠光体型非调质钢在控制冷却过程中发生相变时，铁素体易沿过冷奥氏体晶界析出，形成网状铁素体，使钢的韧性降低。

近年来，将氧化物冶金技术应用于非调质钢，开发出晶内铁素体型非调质钢。

具有晶内铁素体组织的非调质钢，其抗拉强度可达1 000 MPa ，并具有良好的韧性，是一种非常适合于制
造汽车零件的非调质钢。

该钢种在日本已应用于载重汽车和普通乘用车。

1.2.2 贝氏体型非调质钢
其化学成分特征为微合金低碳钢，显微组织为贝氏体。

与铁素体加珠光体型非调质钢相比，这类非调质钢具有较高的强韧性配合，特别是具有较好的低温韧性和焊接性。

日本的VMC 系列和我国的12Mn2VB 钢就属于此类钢种。

贝氏体型非调质钢的性能特点决定其适合于用做高强度、并要求高韧性(特别是低温韧性) 且形状复杂的重要制品。

表1为五种贝氏体型非调质钢的化学成分和力学性能。

1.3.3 马氏体型非调质钢
1988 年美国Chaparral Steel 的P. H. Wright首次提出了第三代非调质钢的概念，指出此类钢具有低碳回火马氏体组织。

之后，日本、美国和我国相继开展了此类非调质钢的研究。

特点是:含碳量较低，其组织为回火马氏体，具有较高的强度和良好的韧性。

表2为马氏体非调质钢的化学成分和力学性能。

1.3 国内外研究进展
早在1969年，德国科研人员研究了v元素在低碳钢中的强化作用；结合这
一研究成果，1970年蒂森公司着手进行模锻新钢种的开发，随着研制出世界上第一个微合金非调质钢49MnVS3，用来替代调质钢CK45、球墨铸铁和中碳结构钢制造汽车的曲轴和连杆，并于1972年投入工业生产。

随后几年，蒂森公司的工程师们分别在非调质钢的力学性能、疲劳性能和使用性能方面进行了深入的研究。

上世纪七十年代爆发了中东战争，在世界范围内产生了石油危机，因此，以节能为特点的微合金非调质钢在欧洲和日本得到迅速的发展。

非调质钢以其节约能源，简化生产工序，减少环境污染等功效，受到各国生产和使用部门的重视，世界上的主要产钢国家都积极致力于此类钢种的生产和研制，例如，日本新日铁公司的高村等提出了氧化物冶金的概念，对非调质钢中硫化物形核及其对晶内铁素体(Intragranular ferrite，IGF)形核促进作用机理进行了大量研究；并对微合金钢的铁素体形核机理和影响控制因素进行了深入探索。

Honeycombe等对微合金钢中含V析出物的强化作用及析出物对组织性能的影响进行了研究。

欧洲一些国家(西德、法国、英国、意大利等)和日本的各大钢铁公司都制定了适应不同要求的钢种系列标准。

如英国的Sheffield公司开发了含V和Nb的非调质钢系列，瑞典开发了Din49MnV3t53。

551，法国东部优质钢公司开发了含V和Nb的非调质钢系列。

日本的各大钢铁公司相续建立了自己的非调质钢体系。

其中，日本的大同特殊钢公司生产了MF和MM系列非调质钢；新日铁开发出了锻造、直接切削和冷作强化等各种类型的非调质钢；神户制钢开发了出含v的非调质钢，用于制作汽车的连杆等；三菱制钢开发Nb、V复合添加的非调质钢，以改善了非调质钢的韧性；山阳特殊钢公司还研制了含铅易切削非调质钢MA系列。

我国非调质钢的研究和开发，比德国、瑞典等欧洲国家和日本晚，但比美国和俄罗斯要早。

从“六五’’攻关开始，国家先后组织了包括冶金、机械等行业，以及有关科研院所和高等学校在内的非调质钢研究与开发队伍，调查、研究并确定了开发的方向和内容；：制定了我国的第一个非调质钢标准GB／T15712．1995；“七五”进入研究的高潮，开发出我国的微合金非调质钢系列，填补了我国在该方面的空白；“八五”进行推广，形成了一定的规模；“九五”主要面向轿车用非调质钢的开发，扩大非调质钢的使用范围和数量，并在我国汽车制造业中获得应用。

随着汽车行业的飞速发展，对汽车零部件质量提出了更高的要求。

需要零部件生产过程能够对性能进行在线检测，并实现锻造和冷却过程的在线控制。

利用控锻、控冷方法生产高强度、高韧性的非调质钢曲轴，不但是汽车减重、降低能耗的需求；更是提高汽车发动机制造水平、保障整车性能的关键。

非调质钢发展的方向势必满足上述要求。

二、锻造工艺
2.1 锻造工艺简介
锻造是常用而古老的制造方法，锻造成形加工效率高，锻件的形状、尺寸稳定性好，具有最佳的综合力学性能；锻件的韧性高，纤维组织合理，件与件之间性能变化小，锻件的内部质量优于任何一种金属加工工艺。

锻造成形是指金属材料在工具（模具）的作用下，发生塑性变形从而获得具有一定形状和尺寸的锻件，并改善其组织结构而获得高的力学性能的加工方法。

锻造是热加工领域中得基本工艺之一，变形方式为体积成形。

按变形时的温度，有热锻、温锻和冷锻之分。

热锻时降低终锻温度或增大变形量，将会改变锻件的组织，改善钢的性能。

通过研究热锻工艺对钢的显微组织的影响，可以指导人们控制其力学性能。

2.2 调制钢强韧化工艺简介
结构钢在淬火、高温回火（即调质处理）后具有良好的综合机械性能，有较高的强度，良好的塑性和韧性。

适用于这种热处理的钢种称为调制钢。

淬火时最易产生变形和开裂缺陷。

如只产生变形，虽然有些零件课设法校正，或靠预先留出加工余量，通过随后的机械加工（如磨削）使之达到技术条件要求，但这样却使生产工复杂化，且降低了劳动生产率，提高了成本。

有些零件如带型腔的模具、成型刀具或高强度钢制零件，淬火后往往不便于或不可能进行校正或机械加工，一旦变形超差就无法挽救而报废。

至于零件淬裂，自然更是无法挽救，从而给生产上带来损失。

此外，淬火还会产生氧化与脱碳、硬度不足和软点等缺陷。

调制钢的强度主要取决于α相的强度和碳化物的弥散强化作用。

淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得到在α相基体上分布有极细小的颗粒状碳化物。

钢
中碳的质量分数在0.3%-0.5%之间，可保证有足够大的碳化物体积分数以获得高强度。

在回火后，磷、锡、锑、砷等，在原奥氏体晶界平衡偏聚引起晶界脆化，导致高温回火脆性。

2.3 非调质钢锻造工艺的意义
传统锻件为确保其综合力学性能，去除锻造应力或改善切削性能，力学加工前后通常必须进行预前以及最终热处理。

而非调质钢因其材料特性，可以利用锻造余热直接进行处理。

由于不需进行常规调质热处理，因此，减少和避免了常规热处理所带来的缺陷，如淬火裂纹、畸变、脱碳。

特别是对降低能源消耗、减少环境污染具有重要意义。

非调钢的设计原理主要是通过添加钒(V)钛(Ti)氮(N)等元素，采取锻造后控制锻件的不同冷却方式，使各种元素析出硬化而获得锻件所需的综合力学性能。

2.4 锻造工艺参数对非调质钢锻件组织和性能的影响
由于非调质钢锻件在热锻后直接使用，省去了调质热处理工序，与调质钢锻件相比强度较高，但韧性较差。

为了保证非调质钢强韧性，获得良好的综合性能，有效途径即是细化奥氏体晶粒，配以适当冷速，即通过控锻控冷来达到控制材料力学性能。

对锻造非调质钢来说，锻造工序不仅是零件初成形的手段．同时又是锻件达到力学性能的关键工序。

影响非调质钢主要锻造工艺参数有加热温度、终锻温度、锻后冷却速度等。

因此，控索合理的锻造工艺参数极为重要。

2.4.1控锻
是在锻造过程中通过对锻造工艺参数的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使锻件具有优异的综合力学性能的锻造锻造加热温度对非调质钢组织和性能的影响新工艺。

2.4.1.1加热温度
加热温度不仅是降低锻件形变抗力，提高金属流动性的变形条件，而且也是使微合金元素固溶，为弥散沉淀强化做好必要准备的先决条件。

在1050～1300℃的加热范围内，试件的强度随着温度的升高而增加，但增加的幅度并不大。

这是因为在1050℃下，以钒作为主要沉淀强化元素已基本同溶，来溶的部分已经很微量，因此，温度再升高，强度只有微量增加。

随着加热温度的升高、塑性、韧
性均降低，在1050～1200℃范围内，降低的幅度很小．而当加热温度提高到1300℃时，塑性、韧性均发生急剧性下降，这主要是钒的碳氰化合物完全国溶后，在高温下，钢的晶粒迅速长大，使钢的塑性，韧性大幅度地下降。

因此，非调质钢的锻造加热温度不可太高。

研究表明，锻造加热温度的波动对含Nb钢性能的影响较大，而对含V钢的影响较小，尤其是锻造加热温度在1150~1250°C间，含V钢的强度和塑性几乎没有变化，只有冲击韧性缓慢降低。

含V非调质钢的锻造加热温度一般规定在1250°C以下。

2.4.1.2锻造温度
锻造温度将影响奥氏体晶粒再结晶的程度、奥氏体晶粒的尺寸以及形变诱导析出的效果。

研究表明，非调质钢的硬度与晶粒尺寸的对数均呈线性关系。

热加工的温度越高，奥氏体晶粒粗化，再结晶驱动力越大，并且不易发生形变诱导析出，因而再结晶后的奥氏体晶粒也越大，冷却后钢的硬度也越高。

2.4.1.3终锻温度
终锻温度降低，铁素体数量增多，颗粒直径变小，呈弥散分布。

原因主要是由于在锻造条件下，奥氏体晶粒变形并细化，处于动态再结晶过程中；终锻温度低，则驱动力小，晶粒没有足够的激活能促进晶粒长大，因此保留了细晶粒状态；而终锻温度高地试样，由于热激活能高，通过晶界迁移、经历吞并而长大。

同时，低终锻温度下，由于晶粒细小、畸变，先共析铁素体的形核位置多，因此铁素体数量较多；而终锻温度高，一方面使晶界减少，另一方面使得成分更为均匀，均导致先共析铁素体形核位置减少，因此铁素体数量较少。

获得弥散分布的铁素体是较低终锻温度下钢的冲击吸收功得到大幅提高的主要原因，同时由于铁素体总量增多，导致钢的强度及硬度微降。

通常，对制造韧性（尤其是低温韧性）要求较高的零件，终锻温度要控制在1000°C以下，而对一般零件，可以控制在1000~1050°C温度范围。

2.4.2控冷
是控制锻后锻件的冷却速度达到改善锻件组织和性能的目的。

锻后冷却速度
锻后的冷却速度是关系到试件的组织形态和沉淀相析出的重要因素，随着冷
却速度的提高，铁素体由块状向网状分布转变，尺寸由大到小，数量由多变少，珠光体量相应增多。

1200℃加热下，800-600℃范围随着冷却速度的增加，强度、硬度均有明显上升。

这是由于冷却速度的提高，相变过冷度增大，珠光体增加，铁素体量减少，珠光体片间距减小，沉淀相尺寸减小，数量增加，弥散度增大，这些都是使强度、硬度上升的组织因素。

当冷却速度低时，试件的强度、塑性、韧性均低。

强度指标下限对应的冷速也是下限值，要保证锻件的性能，冷却速度必须大于下限值。

冷却速度对锻件的硬度影响较大，而硬度又是影响切削性能的主要因素。

为了有利于切削加工，在保证强度指标下，冷却速度应尽可能低。

锻后冷却方式是为了获得一定的冷却速度所采取的措施。

为了保证冷却速度，不同尺寸的锻件要采取不同的冷却方式，工艺参数只能以冷却速度为指标。

经空冷和风冷后试样的显微组织均为珠光体和铁素体，与空冷相比，风冷试样的显微组织铁素体平均尺寸减小，铁素体百分含量相差不大，即铁素体分布变得更加弥散。

风冷得到的珠光体组织片间距较空冷小，有利于硬度的提高。

研究表明，通常锻后冷却速度不宜超过150°C/min，以防止影响韧性和切削性能的贝氏体组织的形成。

生产实践中，采用控锻和控冷相结合，可以赋予非调质钢更好的强韧化效果。

对于楔横轧工艺，如果选择合适的楔横轧工艺参数和模具尺寸，可以避免零件内部缺陷的出现，很好地保证锻件最终的性能要求。

进行过机加预成型之后锻造和楔横轧预成型之后锻造的工艺比较，发现楔横轧预成型之后锻造的零件比机加预成型之后锻造的零件有更高的屈服应力和最终应力，而且组织更精细，这也说明即使楔横轧预成型出现了内部缺陷，在高温热锻的情况也会消失。

三、展望
调质钢与非调质钢是很重要的结构材料，有关它的性能与微观组织的研究有很重要的实用价值。

为了更好的研究调质钢与非调质钢，以及它用作连杆材料的性能特点，国内大部分学者现在主要在以下几方面进行深入研究：
1.调质钢的调质处理工艺，非调质钢的控锻控冷工艺有待进一步研究；
2.选用具体的调质钢与非调质钢连杆材料，在不同的锻造工艺参数下进行试验，研究锻造工艺参数对调质钢与非调质钢材料组织和性能的影响；
3.采用物理模拟技术和数值模拟技术相结合，模拟调质钢与非调质钢的锻造成形过程，观测成形过程中微观组织和性能的变化情况，以用于指导实际生产。

非调质钢由于省去了热处理工序，跟调质钢相比大大地节约了能源，降低了成本，除了在汽车连杆、曲轴等方面的应用外，还在非调质无缝钢管、非调质易切削塑料模具钢等方面得到逐步开发和应用。

非调质钢属经济型新钢种，在日益竞争激烈的制造业市场，有很广阔的发展前景。

市场需求是发展非调质钢的依据和出发点，市场需求也是发展非调质钢的动力，因此，随着制造业的发展，微合金非调质钢的应用领域将不断扩大，应用的数量将不断增加，微合金化的基础研究和应用研究将不断深入。

四、涉及到文献列表
[1]赵丽萍,于春海,段锐.非调质钢分类的研究[A].1999
[2]徐善义.锻造工艺对非调质钢组织和性能的影响.2000
[3]汪炜，张先宾，宋加兵.非调质钢活塞锻后余热处理的组织和性能.2007
[4]王桂英.调质钢与非调质钢性能与微观组织的研究.2007
[5]张英建.曲轴用非调质钢热锻过程中奥氏体晶粒演变规律的研究及模拟.2008。