汽车零部件用高品质特殊钢技术的最新发展New

汽车零部件用高品质特殊钢技术的最新发展
付俊岩【1】，雍歧龙【2】，董翰【2】
【1】.中信微合金化技术中心，北京100004
【2】. 钢铁研究总院结构钢研究所，北京100081
摘要：汽车制造厂对高性能的工程用钢材料不断提出了更高的要求，除车体用高强度板带钢材外，每辆商用客，卡车的零部件通常需要大约180kg的特殊钢长材，也是汽车轻量化技术的重要组成部分。

近20年来，为提高安全性、可靠性、寿命和节省零部件热处理工序成本，欧美日等国家率先开发了V，V-Nb析出硬化型微合金化非调质钢（铁素体+珠光体），近年又采用Nb-V-Ti复合微合金化技术提升传统的含V-的C-Mn 及CrMo/-Ni系非调质钢，锻材，悬挂弹簧钢和表面渗碳齿轮钢等特殊钢长材的强韧性，耐蚀性，抗疲劳性能及横向韧性等综合性能。

本文简要介绍Nb-V-Ti微合金化钢的物理冶金特点，国内外这类钢的研究与生产情况，并给出最新研究开发的零部件用含铌微合金化非调质低碳贝氏体钢，高端弹簧钢及渗碳齿轮钢的一些实例，作为提升我国特殊钢品质技术路线的参考。

关键词：轻量化，零部件，特殊钢，非调质钢，弹簧钢，齿轮钢，Nb-V-Ti 复合微合金化New Development of High Quality Special Steels Used for Auto Parts
Fu Junyan【1】，Yong Qilong【2】, Dong Han【2】
【1】CITIC Microalloying Technology Center, Beijing 100004
【2】Central Iron & Steel Research Institute，Beijing 100082
ABSTRACT: Automotive industry to constantly seek improvement in reliability and reduction in components weight using higher strength and performance steels. With the exception of high strength sheet steels used for car body, every commercial vehicle consumes about 180 kg of special steel long products in components, which is also important to contribute to weight lighting and reliability. In recent 20 years, Europe, America, Japan first took the lead in developing V/Nb microalloyed precipitation hardening non-quenching-tempering steels (Ferrite+Pearlite), These years, Nb-V-Ti combined microalloying was used to improve properties including strength, toughness, corrosion-resistance, fatigue and others of traditional V and CrMo/-Ni non-quenching-tempering steels, suspension springs and carburized pinion steels. This paper is going to introduce the physical metallurgical characteristics of Nb-V-Ti steels, and the development status of these steels in overseas countries. The latest developed Nb-bearing non-quenching-tempering steels, spring steels and carburized pinion steel were also introduced as examples of technical routes to improve the quality of special steels in China.
KEY WORDS：weight lighting, Auto Parts, special steels, non-quenching-tempering steels, spring steel, carburized pinion steel, Combined Nb-V-Ti microalloying
前言
近十年来，我国微合金化技术和含铌钢生产取得快速发展，含铌钢年产量从1990年的3
万吨发展到2008年近4000万吨，名列世界第一；含铌钢品种从几个发展到200多个，含铌钢的产量已占全国低合金高强度钢总产量的50%以上，不仅为国防和经济建设解决了急需的高性能钢材，也大大缩小了中国钢铁工业与发达国家的差距。

其中，铌在汽车车身用高强度板带材，尤其IF钢，烘烤硬化钢，多相钢，TRIP钢及热成型马氏体钢等的应用技术取得长足进展。

除车体用高强度板带钢材外，每辆商用客车的零部件通常需要大约180kg的特殊钢长材，也是汽车轻量化技术的重要组成部分。

但是，铌微合金化技术的巨大潜质还没有在我国汽车零部件用的特殊钢（锻件、紧固件、弹簧，齿轮和渗碳件）中得到广泛应用。

总体上，我国特殊钢和汽车零部件产业的装备和生产技术相对落后，汽车行业还没有中国自己的SAE标准，来自多国的汽车合资企业对其结构用钢执行多种标准和技术条件，极其分散，为冶金厂的生产带来很大困难。

国内冶金系统的特殊钢的现行标准也多是仿前苏联的标准的翻版, 特殊钢品种多是调质处理的中高碳含V的MnV，CrMo或NiCrMo系钢，其组织结构多是铁素体-珠光体型钢，强韧性和抗疲劳性能欠佳，质量与性能不能完全满足现代汽车轻量化及环保，安全，寿命和低成本的要求。

尤其在国外已大量应用的微合金化非调质钢的生产和应用的比例很低（不足10%），是资源与能源的极大浪费，高端的零部件产品还依赖国外进口。

尽快与汽车工业合作建立中国自己的SAE标准，统一中国汽车结构用钢的标准和规范，是当前我国特殊钢产业结构调整和促进汽车产业升级的一项重要工作。

2008年底，WTO对中国关于对超过整车产值60%以上的进口零部件按整车征税一案终审裁决败诉，大量高性能零部件持续的进口的现状，正激发国内特钢和零部件产业对提高国产化高品质特钢产品热情，以取代进口满足汽车轻量化和高品质零部件的需求。

在最近二十年来，国外汽车工业对零部件用特殊钢，如曲轴，连杆，紧固件、悬挂弹簧和表面硬化零件（齿轮钢）的疲劳极限和韧性不断提出了更高的要求，以满足安全性和使用寿命的要求[1]（图1）。

当前，冶金装备精炼技术和热机械加工技术的进步已为生产超纯净化的高品质特殊钢和复合微合金化技术的发展创造了条件。

在钢的强韧化机制中，晶粒细化是改善钢的强韧性和提高疲劳性能最有效方法，也是改善非调质钢，弹簧钢，齿轮钢和轴件综合性能的重要手段（图2），而Nb是最有效的细化晶粒的微合金化元素。

因此，近年来Nb 微合金化技术在中高碳的特殊钢长材中也获得了广泛应用，而发展了含Nb-V/Ti复合微合金化特殊钢，利用Nb防止在热加工或热处理过程加热时的晶粒粗化; 在含珠光体的钢中可使相变后细化的组织中的珠光体的片层间距和长度减小，从而改善钢的强韧性和提高钢的疲劳极限强度[2-4]。

图1 过去20年间汽车结构件对钢的疲劳极限强度和韧性的要求的变化
Fig.1 Changes of requirements for auto steel properties in fatigue strength
and toughness in past two decades
钢材的性能是由钢的组织结构决定的。

由于铁素体+珠光体型的组织的的强度提高是有限的，因此，通过合理的合金设计和热加工后加速冷却技术还使钢的组织结构从铁素体+珠光体向针状铁素体，贝氏体等多相组织方向发展，以提高钢的强韧性[5, 6]。

这也应是我国提升特殊钢品质技术发展的方向。

图2 晶粒细化对结构钢零部件机械性能的影响
Fig.2 Effect of grain refinement on mechanical properties of components
1 铌在中高碳特殊钢中作用机理
国内外冶金学者对铌在低碳钢中物理冶金的研究是最深入和应用最为成功的。

在我国特殊钢领域，中高碳钢中则多以钒的应用最为广泛，对铌钛的研究和应用相对较少。

与低碳微合金化HSLA 钢不同，工程结构用特殊钢的碳含量较高，碳含量范围在0.20%（表面渗碳钢）、0.60％（弹簧钢）、到0.80％（高碳工具钢），除微合金化非调质钢外，一些零部件生产过程中还包括各种热处理工艺，明显不同于板带材的生产工艺。

铌在钢中的作用必须要与其他元素的相互作用加以考虑[4, 6]。

对于特定的微合金化合金设计及工艺过程控制，主要是基于其碳化物、氮化物以及碳氮化物的溶解与析出的溶度积规律决定的，如图3所示。

静态性能 固容积
图3 析出物的溶解积曲线
Fig. 3 Solubility curve of precipitations
微合金化元素Nb,V, Ti 在钢中的溶解析出规律是不同的。

TiN在温度超过1200℃时仍保持稳定，可利用这特点控制高的锻造温度下及高温渗碳过程的奥氏体晶粒尺寸；而VN (或V(CN))溶解于奥氏体低温区，从而获得锻后冷却的细小析出强化作用；NbC 与（TiC）溶解与析出温度介于TiN与VN之间，可利用NbC析出物阻止终轧/锻过程中奥氏体再结晶，从而达到组织细化和析出强化的的作用，如图4所示，铌是钢的强韧化最有效的元素。

由于钛在冶炼过程的不稳定，钛的加入要已小于Ti：N的化学当量比的量加入，避免在高温液态下形成大颗粒的TiN，以保证冶金质量和NbC作用有效利用。

与低碳钢不同，在中高碳的非调质钢和特殊钢中，铌的作用主要是通过未溶的NbC阻止再加热过程奥氏体晶粒长大，和析出的NbC阻止终轧/锻阶段的奥氏体再结晶，从而达到晶粒细化的效果。

在铁素体-珠光体钢中，铌可对珠光体转变有明显的抑制作用，达到晶粒细化和减小珠光体片层间距的作用。

降低碳含量也可改善韧性，其强度的损失可由提高铌析出相(NbCN)来补偿[6]。

图4 微合金化元素在晶粒细化和析出硬化对C-Mn钢的强度和韧性的贡献的示意图Fig. 4 Effects of microalloying elements Nb, Ti and V on strength and toughness of C-Mn
steel in grain refining and precipitation
因此，要充分发挥铌的作用，就必须通过合金设计和工艺控制，使NbC析出物的尺寸与体积分数达到最优匹配。

通过Nb与C的溶度积曲线，可以计算在给定温度下NbC的析出量（图5）。

为了充分利用铌的物理冶金潜能，必须在热变形之前在足够再加热温度下使一定数量的Nb(C,N)固溶，变成固溶于奥氏体中的铌。

归纳起来，铌在钢中主要作用[2-4,6]如下：铌具有三重的作用来影响钢的机械性能：在热机械加工中细化晶粒；降低γ → α的转变温度(Ar3)和析出强化。

细化晶粒是唯一能够同时提
高强度，韧性和延性的机制。

这使得铌是最有效的微合金化元素; 铌细化晶粒的作用主要是在热加工过程中，延迟或阻止终轧阶段的再结晶, 伸长的和高位错密度的奥氏体具有较高的铁素体形核率, 通过降低γ → α转变温度，固溶铌可同时提高铁素体形核率和降低晶粒长大速度。

这种复合作用可导致典型的细晶粒组织转变。

组织的细化对提高钢的韧性特别是疲劳性能非常有利，因为疲劳裂纹通常是沿原始奥氏体晶粒的网状铁素体产生并扩展的。

复合微合金化设计和合理生产工艺的控制是改善钢综合性能的最有效的方法。

图5 NbC 的溶解度曲线 Fig. 5 Solubility curve of NbC 2 微合金化非调质机械结构钢（热/冷锻材）
非调质机械结构钢是指通过微合金化，控制轧制（锻制）和控制冷却等强韧化方法，取消了调质热处理，达到或接近调质钢力学性能的一类优质或特殊钢质量的钢材[7]。

主要分三类：热锻钢，冷加工钢和直接切割用钢[8]。

当前在欧美日的发达国家实际生产中，如锻态汽车曲轴、连杆、机轴、凸轮轴、转向节，防摇摆稳定杆、后旋转轴等部件的生产中，已基本都采用了微合金化的非调质钢，尤其是曲轴和连杆两大部件；非调质钢产量已在国外汽车零部件总量的60%以上[5]。

虽然，我国自上世纪80年代，在国家科委组织的全国低合金高强度钢-“六五”攻关计划以来，开展微合金化非调质钢的研究和生产，取得一定的成绩，开发了20多个以含V 系为主的非调质钢，应用在汽车和机械的零部件上。

但是，由于价格和性价比等多种原因，实际在汽车工业的应用比例很低。

2007年我国非调质钢总产量约6万多吨，仅占零部件的10%以下[5] 。

在我国2008年修改的“GB/T 15712-2008非调质机械结构钢标准”中[8]，向客户推荐的十大钢号全部为含V 系的MnV 系钢，性能标准均低于国外水平。

正在进行产业结构调整的汽车工业对发展高性价比的微合金化非调质钢的要求不断提高，是对特殊钢行业的极大挑战。

2.1 Nb-V 复合微合金铁素体+珠光体非调质钢
上世纪70年代，欧洲首先开发了中碳-V-N 微合金化非调质钢 49MnVS3(0.50%C-
0.25%Si -0.70%Mn-0.040%S-0.10%V)，当时人们就认识到提高钒加入量可使这些钢的强度呈线性增加，但由于晶粒粗大及析出强化而恶化了韧性。

因此，上世纪80年代后，由法国、德国、意大利等国开发并生产了第二代Nb-V 非调质钢，利用了铌的晶粒细化、降低珠光体片层间距、析出强化的三重作用，使METASAFE 钢成为Nb-V 非调质钢家族的主要成员（表1）。

根据钢级的不同，碳含量变化范围为0.15%-0.45%，碳含量的降低也对传统的V-N 钢的韧性与焊接性的改善非常有利[1-3]。

表1 析出强化型铁素体-珠光体组织METASAFE 钢实例[6] （%）
)
K (T 790042.3]C ][Nb [log k log o 10s 10-==
Table 1 Example of METASAFE ferrite-pearlite steel strengthened by precipitation[6]（%）
METASAFE1000钢在1200℃热1.5小时, 约有0.03-0.04%Nb固溶。

Nb-V钢的最佳成分设计是Nb含量为0.05~.06%，确保在再加热过程中有0.02% Nb碳氮化物形态存在，用于细化晶粒，还保留0.03% Nb固溶在奥氏体中，作用是控制相变，细化珠光体片层间距和用于随后的析出强化。

0.03%溶质铌产生的析出强化效果为150 MPa。

而对同样含量的V，只有50 MPa的强化效果，即0.03%Nb相当于0.08%V的强化效果[6]。

2.2 Nb-V-Ti复合微合金化非调质低碳贝氏体钢
近年来，随着汽车零部件对安全性，可靠性，使用寿命及低成本的提高，传统的微合金化非调质钢（铁素体+珠光体）已不能满足高强度和韧性配合要求。

如图6所示，在微合金化钢的拉伸强度和韧性的关系，贝氏体和马氏体组织比铁素体+珠光体组织具有最好的强韧性的配合。

微合金化贝氏体或多相钢通常可采用适当的微合金化元素，热加工及控制冷却工艺等方法获得[8]。

因此，近年来，低碳贝氏体组织的第三代非调质钢（低C-Mn-Mo-Nb-Ti-B）研究开发应运而生，并获得广泛应用.
图6，微合金化钢中拉伸强度和韧性的关系
Fig. 6 Relationship of tensile strength and toughness in microalloyed steel
2.2.1 Nb-V-Ti复合微合金化贝氏体+铁素体钢
德国DeutscheEdelstahlwerke Gmbh公司对典型AFP钢（析出硬化钢）38MnSiVS6进行了Nb-Ti 微合金化处理，开发了38MnSiV5(+Nb,Ti)钢，并把硫含量降低到0.015%的水平，以改善钢的横向韧性，从而取消原钢号中的S名字。

K.Klenke等在报告[9]中指出：改进后的38MnSiV5(+Nb,Ti)钢，控制轧制后经加速冷却后的33-60毫米直径的棒材的性能得到明显改善，钢的拉伸强度达1000兆巴，屈服强度达到750兆巴以上，并具有更高的延伸率和稳定的缺口冲击强度。

固溶的Nb在热加工后的冷却过程中，以Nb碳氮化物缓慢析出，非常细小NbCN 可明显提高钢的屈服强度, 而保留的固溶Nb可降低奥氏体向铁素体转变的临界冷却
速度，从而减少铁素体量增加贝氏体量，其显微组织以贝氏体为主，提高了钢的硬度。

如果热加工后采用自然空冷，40毫米的钢棒组织为铁素体+珠光体,含少量的贝氏体，钢的拉伸强度为860兆巴，屈服强度600兆巴。

2.2.2 低C-Mn-Nb-B贝氏体铁+马氏体非调质钢
为生产抗拉强度800-1000MPa的高强度螺栓紧固件，传统工艺需要很多热处理步骤：球化退火、淬火回火（调质处理）。

Heritier等[10]报道：使用具有低碳贝氏体组织和一定数量的均匀分布的马氏体组织的铌微合金化低C-Mn-Nb-B非调质钢(0.12%C-1.65%Mn- 0.08%Nb-B)可以省去这些高成本热处理工艺，可生产强度水平在1000～1200MPa范围的线棒材。

添加铌是利用了铌的晶粒细化和相间析出的强化作用。

硼的加入使钢具有高的淬透性，在轧后冷却初期促进低碳的贝氏体形成。

上述组织是硼/铌对钢相变特性的复合作用的结果。

众所周知，单加微量硼就有明显的淬透性，促进贝氏体形成的作用。

Nb+B 复合添加可有效抑制铁素体的形核率，扩大贝氏体区；Nb是通过稳定奥氏体和抑制碳扩散，限制了硼碳化物Fe23（CB)6 ,提高活性硼的数量而起作用的。

Nb也在热轧线材中促进细小贝氏体的形成，提高钢的韧性[8],。

低碳贝氏体-铁素体具有高的应变硬化指数，这种组织有足够的延性和加工硬化潜力，可以拉丝和冷镦。

这种钢明显优势是低的硬度不恶化模具使用寿命。

另外，Boratto等人[11]设计09%C-0.2%Si-1.9%Mn-0.6%Cr-0.04%Nb-0.03%Ti，轧后针状铁素体组织产生的抗拉强度900MPa，冷镦后在250℃进行低温时效处理，完全满足10.9级高强度螺栓紧固件的强度与韧性要求, 这种钢明显优势是低的硬度不恶化模具使用寿命。

2.2.3 低C-Mn-Mo-Nb多相钢[2,12-13]
2000年左右，在北美地区开发和生产低碳－铁素体＋贝氏体＋马氏体（F+B+M）的“多相”钢BHS-1[12]和Freeform钢[13]。

铁素体＋贝氏体＋马氏体组织的应力-应变特性是最适合于冷拔和冷镦加工。

连续的加工硬化特性和快的加工硬化速度使钢在微量变形之后强度有显著的提高。

而且，这种钢高的塑性也消除了冷加工过程中发生断裂的可能性。

这两种钢，甚至合金化程度较低的FreeFormTM钢，也能够满足8级螺栓的性能要求。

低C-Mn-Mo-Nb类钢属于多相微合金非调质钢，低碳量0.10-0.15%C，添加0.05-0.12％Nb。

加铌的目的是为了加工过程中奥氏体调节以及在控制冷却过程中的相变特性，以得到一定数量的贝氏体和马氏体。

锰（1.4-2.0%）与钼（0.10-0.50%）也是用来控制相转变的合金元素。

2.2.4 新开发的高强度贝氏体非调质钢（HSBS）
ArcelorMital 最新开发了一种拉伸强度1000兆巴的贝氏体非调质钢，其拉伸强度，切削性和疲劳性能和调质热处理的钢相当，在原Freeform钢的[13]含Nb，B的基础上，降低碳含量并添加了Cr,V,Mo合金元素[14]。

这一新型贝氏体钢在热加工后在较宽的冷却速度下，可具有更好的韧性和均匀的组织，尤其适合汽车和卡车用40-80毫米的大型部件的生产。

2.2.5 新型多用途含铌20MnCrMo7+Nb钢[15]
现代柴油发动机要达到使用寿命1×108，喷射压力已提高到2000巴以上，要求部件具有高疲劳强度。

低的缺口敏感性，高耐磨性和横向韧性。

现有的38MnSiV5钢已不能满足更高的要求，德国Bosch和ArcelorMital联合开发了含0.015-0.03% Nb+Ti的新型多用途高强度钢20MnCrMo7+Nb（图7），以适应燃料喷射系统多用途的高压部件。

Nb细化了原始奥氏体晶粒尺寸在20um以下，使钢的晶粒超细化，析出强化进一步提高钢的强度。

钢的显微组织为贝氏体和低碳马氏体，和具有同样强度的中碳钢相比，提高了钢的疲劳强度15-25%，并有良
好的强韧性，硬度和多种加工性能。

该钢种不仅可用于喷射高压部件，还可以生产其他汽车零部件。

如平衡器，弹簧，紧固，及在氮化处理后在450C 以下温度使用的耐磨件。

图7 含铌20MnCrMo7+Nb 非调质钢成分与合金设计原理示意图
Fig. 7 Composition and alloy design principle of 20MnCrMo7 microalloyed with Nb
3 含Nb 弹簧钢 我国60%的弹簧钢用于汽车悬挂系统和发动机，其产值占弹簧总产值的50%，是汽车重要的基础部件，我国汽车工业用合金弹簧钢的主要品种是60Si2Mn 扁钢，占各类弹簧钢产量的50%。

但是，桥车用的螺旋悬挂弹簧棒材（如50CrVA 光亮材），高附加值的合金弹簧丝，带和光亮材的比例很低，主要依靠进口[16]。

ULSAS 项目研究表明，现代车辆的轻量化也要求弹簧钢向更高强度发展。

通过使用现代高强度钢和适当的方案设计，悬架的重量可以降低35%左右而不增加生产成本，图8给出在过去的数十年里，典型的弹簧钢在抗拉强度和减重率的变化[4]，减重率定义为当前弹簧钢质量与1960年的质量之比。

以汽车悬挂系统中的螺旋弹簧为例，已从1975年的4公斤降到当前2公斤。

拉伸强度为2200兆巴的高强度（硬度为52-56HRC ）不仅可以减重，还可提高钢的抗下垂的松弛性能[15,17]。

Weight Tensile Strength Reduction ratio
图8 数十年来一种典型弹簧钢的抗拉强度和减重率发展
Fig.8 Development of tensile strength and weight lighting ratio of spring steels in past decades
抗拉强度
减重比
新一代高端弹簧钢的合金设计方法如图9所示, 适当地添加与控制合金和微合金化元素，是基于这些元素对硬度，耐蚀性，腐蚀坑的形态，抗氢脆性，韧性和成本的考虑，以满足钢的抗疲劳性能，腐蚀疲劳和抗下垂松弛性能的要求[17]。

图9 新一代高端弹簧钢的合金设计设计原理示意图
Fig. 9 Alloy design principle of new generation high quality spring steels
随着设计应力增加，高强度调质处理弹簧钢要求具有合乎需要的抗张强度、屈服强度、疲劳强度、抗下垂性和腐蚀疲劳强度以及延迟断裂阻力。

2000年左右，日本大同制钢成功开发了一种能满足设计应力1200MPa的新钢种，和传统弹簧钢相比减重20％以上，并且正在逐渐地扩大其商业性生产规模[18-19]。

钢的典型成份为0.4%C-1.8%Si- 0.5%Ni-1.1%Cr-0.15%V- 0.025%Nb -0.0015%B。

减少碳含量是为了增加抗腐蚀疲劳寿命，硅保留在较高的水平是为了保证具有良好的抗下垂性，添加镍是为了阻止麻点腐蚀，而铌以及硼的加入是为了晶粒细化和强化原奥氏体晶界。

M. Head等人开发出降碳的Nb+V合金化的弹簧（表2），利用热机械处理来控制晶粒尺寸，产品晶粒度达到ASTM No10，并具有非常好的断裂韧性（表3）。

表2 新开发Nb+V弹簧钢与传统钢的化学成分比较
Table 2 Comparison between Nb+V spring steels and traditional spring steels in
注：其他元素不超过0.02 P; 0.021 S; 0.012 Ni
表3新开发Nb+V弹簧钢与传统钢的性能比较
Table 3
法国ASCOMETAL 开发生产的含Nb 0.03%的60SiCrV7Nb 悬簧钢，Nb-V 复合加入，抗拉强度超过2000MPa ，并且，由于Nb(C,N)对晶粒的控制，奥氏体晶粒尺寸小于5µm （图10），淬回火后具有高的强韧性水平（图11）[20]。

图10 ASCOMETAL 开发的新型汽车弹簧钢的性能 图11 含铌弹簧的拉伸强度和延伸率 Fig.10 Properties of new suspension spring Fig.11 The Elongation and Tensile
developed by ASCOMETAL strength of Nb-bearing Spring
最近，ASCOMETAL 又日本Kobe 大同制钢公司合作，在原钢种的基础上，降碳（0.045-0.55%C ），提硅（1.6-2.1%Si ），添加Cr, Ni, Cu, 用复合微合金化元素Nb ，Ti ，V ，开发了高耐蚀性和高韧性的的弹簧钢（Grade A 钢）其硬度和腐蚀疲劳性能如图12所示。

与传统的UHS1900和 60SiCrV7Nb 钢相比, 钢A 具有良好的耐氢脆和腐蚀疲劳性能，不仅在腐
蚀疲劳寿命和UHS1900 相当，而且具有更高的剪切应力和更高的硬度[21]。

图12 弹簧的腐蚀疲劳寿命与弹簧的HRC 硬度间关系
Fig. 12 Relationship between fatigue life and HRC of spring steels
奥氏体化温度（℃） 57911137508509501050A S T M g r a i n s i z e n u m b e r A S T M 晶粒尺寸等级 1500 1700 1900 2100 2300 抗拉强度 (MPa) 伸长率 (%)
U H S 1900腐蚀疲劳寿命
在汽车板簧方面，日本Pawelshi 等人[22]发现添加0.03-0.06%Nb 到50CrV4中，延长了热轧后奥氏体再结晶的孕育时间。

在实际生产中，把Nb 与Ti 加入到传统的淬火-回火的50Cr4V 中，热轧后立即淬火，并在280℃进行回火，得到抗拉强度2000MPa ，疲劳性能提高20%，且韧性不降低。

4 含铌表面硬化钢
我国齿轮钢产量约70%用于汽车卡车等车辆动力传动系统，处于主导地位的主要品种仍然是传统的20CrMnTi 钢。

虽然，近年来我国也引进了多国齿轮钢生产线，形成了Cr, CrMo, MnCr, CrNiMo 等系列的齿轮钢品种。

但是，产品质量（如氧含量，晶粒度，淬透性带宽，变形）亟待提升，高端产品比例很少[16]。

对于动力传动部件，其减重压力要比车身和悬架小得多。

汽车零部件，如传动齿轮必须满足复杂的设计要求。

这种锻造零件表面往往经过渗碳和淬火处理以使其表面硬度提高，并具有优异的耐磨性和抗疲劳性能。

如图13所示，热处理工序是这类零件生产的主要成本支出（40%）。

因此，通过提高渗碳温度而减少热处理时间的任何方法都有利于降低生产成本，同时也减少二氧化碳的排放量。

淬火后材料的变形量直接关系到加工成本，因此与标准淬火温度相比，即提高了渗碳温度但不增加材料的变形量。

如图14所示，细晶化有利于改善钢的疲劳性能， 均匀的晶粒尺寸还将大幅度减少材料的变形，从而降低其加工成本[4,6,24]。

众所周知，铌是细化晶粒的最有效的微合金化元素。

图15显示Nb 含量与奥氏体晶粒度和疲劳极限间的关系。

如典型的渗碳钢16MnCr5钢（欧标10084）以不同的微合金化（Nb ，Ti ，Al ）处理后，如图16所示，Nb 和Ti 可有效地稳定晶粒尺寸，把渗碳温度提高到1050 ℃以上。

按照美国标准，晶粒细化两个指数点材料抗疲劳性能提高50%左右[6,19]。

均匀分布的晶粒可以改善材料的机械性能，尤其是减小硬化时的形变量，可以减少机加工而降低生产成本。

图13 齿轮单元的制造成本构成图 Fig.13 Manufacture cost structure of pinion steel 图14 晶粒尺寸与旋转疲劳强度间的关系 Fig.14 Interrelationship between grain size and fatigue strength。