非調質鋼在汽車行業的應用研究

摘 要：非調質鋼不需要進行淬火和高溫回火加熱，不進行淬火冷卻，顯著降低生產過程中產生的煙、汽對環境的污染，并節約大量能源，引起汽車零部件生產廠家的廣泛重視，以期能代替中碳結構鋼或合金結構鋼。

關鍵詞：非調質鋼；力學性能；應用

1 非調質鋼的出現和發展

汽車制造中有大量齒輪、軸、連桿等受力結構件，通常選用中碳結構鋼和合金結構鋼等傳統材料。當采用這些傳統材料時，需要將鑄造或鍛造好的零件重新加熱至完全奧氏體化，正火或者淬火冷卻后再進行高溫回火加熱和冷卻，以獲得均勻、細密的回火索氏體組織，滿足結構件的綜合力學性能要求，調質處理后進行冷切削加工成各種結構件。這種生產過程消耗大量的加熱能源，大多數情況下需要進行強制冷卻，產生大量的環境污染物，生產工藝復雜，周期較長。

非調質鋼是指通過添加微合金化元素改變組織的相變機理，通過軋制、鍛造和控制冷卻等方法，使性能達到或接近調質鋼力學性能的中碳低合金結構鋼。

非調質鋼在熱軋、正火或鍛造后空冷狀態下的強度等級在500MPa以上。

目前，世界各國都在尋求節能、環保的可循環經濟增長方式。由于冶金技術和鋼材熱加工技術的不斷發展，各國陸續開發并生產了不需要進行調質處理，只需要進行控制軋制、鍛造工藝及軋制、鍛造后的冷卻速度就可以獲得所需要的強度、韌度和切削性能的非調質易切削鋼。常規的非調質結構鋼是在中碳鋼中添加微量合金化元素（釩、鈦和鈮等），通過控制軋制、鍛造過程和隨后的控溫冷卻，在鐵素體和珠光體中彌散析出碳（氮）化合物為強化相，使之在軋制、鍛造后不經過調質處理，即可獲得碳素結構鋼或合金結構鋼經調質處理后才能達到的力學性能。

非調質鋼的經濟技術特點：

（1）非調質鋼的規格效應較小，其強度和硬度沿零件截面積的分布較均勻，提高了零件的整體強度；（2）避免了調質過程中的工件的變形、開裂，而產生廢品的風險，提高了成品率；（3）減少了高能耗的熱處理，節能減排；（4）縮短生產周期，提高勞動生產率，節約生產管理費用；（5）良好的切削性能和表面強化性能。

德國在70年代首先研制成功非調質鋼。德國、美國和日本對非調質鋼的研究與應用處于世界領先水平。

我國起步較晚，80年代開始研究非調質節能鋼材。我國自行研制的非調質鋼節能鋼材90年代在汽車制造業中得到初步應用，目前已得到推廣應用。我國將非調質鋼分為4類：易切削非調質鋼、鍛造用非調質鋼、高強度高韌性非調質鋼、冷作強化非調質鋼。總的看來，微合金非調質鋼由于具有節能節材及綠色環保等優點，應用范圍日益擴展，在汽車工業中已成為鍛件、熱處理件用材的發展趨勢，并在其他領域不斷擴大應用。但是，目前國內非調質鋼還存在以下問題：

（1）性能不穩定；（2）韌性較低；（3）材料成本較高。

2 非調質鋼的性能及強化機理

非調質鋼的顯微組織是鐵素體和珠光體，以及彌散析出的碳化物、碳氮化物，其機械性能由下列因素決定：

（1）球光體與鐵素體的比例；（2）鐵素體晶粒尺寸和珠光體團尺寸；（3）微合金元素的析出硬化效果；（4）珠光體片的間距。

非調質鋼的強化是通過Mn等合金元素的固溶析出，同時MnS、V和C、N形成化合物復合析出，可以細化晶粒，提高材料綜合性能。

非調質鋼的強韌化處理是非調質鋼應用中的一項重要技術。通過一定的加工工藝處理，非調質鋼的良好性能可得到充分的發揮。通過選擇不同的化學成分和相應的軋制、鍛造工藝，非調質鋼可以具有與碳素結構鋼及合金結構鋼調質處理后一樣的強度。雖然其韌性稍差，但在采取某些韌化措施后，也已可以達到相應的韌性水平。正火是一種簡單有效的強韌化處理工藝。正火處理可以使中碳非調質鋼的顯微組織進一步細化，改變鐵素體—珠光體的組織形態，有效地提高鋼的沖擊韌度，最大限度地改善非調質鋼的性能，以擴大使用范圍，物盡其用。許多學者研究了中碳非調質鋼的正火工藝和性能。對非調質鋼正火性能的分析研究，能使正火工藝在非調質鋼的應用中發揮很大的作用。非調質鋼的正火析出沉淀強化、細晶強化是非調質鋼的主要強化機制。非調質鋼經控制軋制（鍛造）和控制冷卻，控制變形量、變形溫度、冷卻速度等工藝參數，鋼中的V、Nb、Ti等合金碳氮化合物在冷卻過程中析出大量彌散分布的微細合金碳氮化合物，發生沉淀強化，以及先共析鐵素體呈細小、彌散析出，分割和細化奧氏體晶粒，從而使鋼的強度與韌度都得以提高。

3 應用舉例

下面舉例說明非調質鋼零件的制造方法：

曲軸：

某廠非調質鋼重卡發動機曲軸采用中頻感應加熱，加熱溫度為1250℃，輥鍛機輥鍛，輥鍛后溫度為1200℃，16000t熱模鍛壓力機鍛造成型，終鍛溫度為1120℃，機械壓力機切邊，切邊后溫度1000℃，液壓機進行校正，校正后溫度不低于920℃，鍛造后采用懸掛方式進行控制冷卻。懸掛式控制冷卻裝置包括三個控溫冷卻階段：

第一階段：曲軸從920℃控制冷卻到550℃。在此階段的冷卻速度，特別是在800℃～550℃之間的冷卻速度，即Ar3～Ar1相變溫度范圍內的冷卻速度，將明顯影響鋼的晶粒大小、鐵素體和珠光體的數量和形態，珠光體的片間距和珠光體中滲碳體片的厚度，以及鋼中微合金碳、氮化物的數量和顆粒的大小，從而影響非調質鋼的力學性能。

第二階段：曲軸從550℃控制冷卻到250℃。消除零件在鍛造過程中產生的內應力。

第三階段：曲軸從250℃冷卻到60℃以下，可以進行人工操作。

連桿：

某廠非調質鋼發動機連桿采用中頻感應加熱，加熱溫度為1220℃，4000t熱模鍛壓力機鍛造成型，終端溫度為1050℃，機械壓力機切邊，切邊后溫度920℃。鍛造后采用平擺控制冷卻，設備選用網帶式控制冷卻裝置。網帶式控制冷卻裝置分為三個控溫冷卻階段：

第一階段：從920℃控制冷卻到600℃。

第二階段：從600℃控制冷卻到300℃。

第三階段：從300℃冷卻到60℃以下，可以進行人工操作。

隨著世界各國對發動機排放要求的提高，用非調質鋼生產的脹斷型連桿以其具有更好的配合精度，將成為今后連桿行業的主流趨勢。

為了保證在大批量連續生產條件下非調質鋼零件性能的穩定，要求嚴格控制鋼材化學成分、冶金質量、加熱溫度、終鍛溫度、冷卻曲線，以獲得要求的組織和性能。

4 應用前景

目前，國內已成功開發出載重車大功率發動機曲軸用非調質鋼48MnV和連桿用非調質鋼40MnV、35MnVS等，各大型鋼廠正在汽車用非調質鋼領域進行研發，方向主要針對非調質鋼的韌性改善，這也是國際上研究的熱點，主要冶金措施有氧化物冶金、硫化物冶金、晶內鐵素體化等，目的是促進晶粒細化以改善韌性。

隨著我國市場經濟體制的不斷完善，有顯著節能和環保效果的非調質鋼一定能在汽車行業得到較快發展，并將逐步擴展到其它領域。