微合金非調(diào)質(zhì)鋼在控制臂和曲軸生產(chǎn)中的應(yīng)用

文／孫建，鐘勇，李新平·南昌齒輪鍛造廠

微合金非調(diào)質(zhì)鋼在控制臂和曲軸生產(chǎn)中的應(yīng)用

文／孫建，鐘勇，李新平·南昌齒輪鍛造廠

控制臂用非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀

控制臂用非調(diào)質(zhì)鋼

控制臂是汽車的重要安全件和功能件，作為汽車懸架系統(tǒng)的導(dǎo)向和傳力元件，受拉伸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等作用，其性能特性對汽車懸架系統(tǒng)的綜合性能有著至關(guān)重要的影響。因此，需要控制臂必須具有較高的強(qiáng)度和韌性。近年來，控制臂已逐漸廣泛采用非調(diào)質(zhì)鋼，例如江鈴汽車控制臂采用38MnVS鐵素體-珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼；日本愛知制鋼開發(fā)了貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼SVd15BX，豐田高級轎車“皇冠”控制臂采用此非調(diào)質(zhì)鋼，制造成本降低了5%～10%。

非調(diào)質(zhì)鋼控制臂的鍛造工藝性

38MnVS非調(diào)質(zhì)鋼的冶煉方法采用電爐冶煉+爐外精煉或轉(zhuǎn)爐冶煉+爐外精煉，化學(xué)成分如表1所示。

控制臂的鍛造工藝流程具體為：下料→中頻加熱→輥鍛→制坯→預(yù)鍛→終鍛→切邊、校形→控冷→拋丸。

非調(diào)質(zhì)鋼控制臂的鍛后控冷工藝

圖1所示為38MnVS控制臂鍛后控冷線。控制臂生產(chǎn)采用的是專門設(shè)計的配套控冷線，控制臂控冷線具體分為快冷區(qū)、等溫區(qū)、緩冷區(qū)、對流區(qū)。

圖1 控制臂控冷線

表1 38MnVS非調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分 （單位：%）

控制臂鍛件切邊后溫度為850～900℃，控制臂冷卻線快冷區(qū)控制的冷卻速度為60～80℃/min。在快冷區(qū)進(jìn)行快速冷卻，冷卻約3min，溫度達(dá)到630～650℃，然后進(jìn)入等溫區(qū)，等溫區(qū)設(shè)置的保溫溫度為600～630℃，等溫時間約為40min。等組織完全轉(zhuǎn)變成鐵素體+珠光體后，再進(jìn)入到緩冷區(qū)，該區(qū)域主要起到去應(yīng)力作用，緩冷時間大約為30min。最后進(jìn)入對流區(qū)，使鍛件迅速冷卻到室溫，以便下料。

進(jìn)入等溫區(qū)溫度在初始等溫溫度以上20～30℃。控制臂鍛件從高溫下快速冷卻下來，忽然在某一溫度停留，造成奧氏體穩(wěn)定化，即熱穩(wěn)定化。由于奧氏體的熱穩(wěn)定化，將轉(zhuǎn)變溫度遞減滯后一定范圍。因此，將進(jìn)入保溫區(qū)時的瞬間溫度預(yù)定在等溫溫度以上約20℃，相對來說降低了20℃，有利于過冷奧氏體直接轉(zhuǎn)變。圖2是38MnVS非調(diào)質(zhì)鋼控制臂的冷卻曲線。

圖2 38MnVS非調(diào)質(zhì)鋼控制臂冷卻曲線

圖3為某38MnVS非調(diào)質(zhì)鋼控制臂經(jīng)鍛造成形并控冷后的金相組織照片。由圖3可以看出，鍛件組織由鐵素體和珠光體組成，組織分布較均勻，鐵素體成塊狀和斷續(xù)網(wǎng)狀分布。通常，中碳鋼鍛件經(jīng)過鍛造變形后，冷卻速度或者過冷度不大時，先共析鐵素體在晶界析出充分，鐵素體沿奧氏體晶界長大速度遠(yuǎn)大于向晶內(nèi)長大速度，易于沿著奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出。在一定范圍內(nèi)，隨著過冷度增大，先共析鐵素體晶粒變得細(xì)小，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越明顯。當(dāng)冷速或者過冷度達(dá)到一定程度，先共析出鐵素體，晶界、晶內(nèi)均析出，組織比較均勻，晶粒度達(dá)到6～7級，沒有出現(xiàn)粗晶、混晶等現(xiàn)象。說明控制臂鍛件在此控冷工藝下比較合適，等溫溫度為600～630℃時，金相組織良好。如果等溫溫度過高，過冷度較小，容易生成大塊狀鐵素體，并且有團(tuán)簇狀現(xiàn)象產(chǎn)生。由于較高溫度轉(zhuǎn)變時，先共析出鐵素體在晶界處充分析出，鐵素體含量較高。如果等溫溫度太低時，過冷度太大，先共析出鐵素體變得很細(xì)小，鐵素體數(shù)量太少，容易形成貝氏體組織。

圖3 38MnVS非調(diào)質(zhì)鋼控制臂控冷后的金相組織

38MnVS非調(diào)質(zhì)鋼控制臂鍛件經(jīng)過鍛造后，均通過以上控冷線對控制臂進(jìn)行冷卻，鍛件金相組織、硬度和機(jī)械性能都能達(dá)到技術(shù)要求，能完全滿足顧客的要求。

曲軸用非調(diào)質(zhì)鋼現(xiàn)狀

曲軸用非調(diào)質(zhì)鋼

曲軸是汽車發(fā)動機(jī)的重要零部件，曲軸是在不斷周期變化的載荷以及往復(fù)和旋轉(zhuǎn)慣性力和扭、彎力矩共同作用下做功的，主要受拉應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、彎曲循環(huán)周期應(yīng)力作用。各軸頸在很高的比壓下，在軸承中高速滑動摩擦而產(chǎn)生較高的溫度和磨損。據(jù)統(tǒng)計，曲軸主要失效形式是彎曲疲勞斷裂失效和軸頸磨損失效。因此，曲軸材料必須有較高抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度，較高的硬度及耐磨性，且心部有一定的韌性。

表2 49MnVS3非調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分 （單位：%）

曲軸是最早應(yīng)用“鐵素體+珠光體”型非調(diào)質(zhì)鋼的零部件，目前國內(nèi)常用的曲軸用“鐵素體+珠光體”型調(diào)質(zhì)鋼包括49MnVS3、48MnV、38MnVS、38MnVSi以及國外牌號C38、N2等，分別可應(yīng)用于摩托車曲軸、轎車曲軸及卡車曲軸等。如東風(fēng)汽車采用48MnV制造康明斯發(fā)動機(jī)曲軸，江鈴汽車采用49MnVS3非調(diào)質(zhì)鋼制造曲軸，德國大眾采用49MnVS3制造桑塔納汽車發(fā)動機(jī)曲軸等。

非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的鍛造工藝性

49MnVS3非調(diào)質(zhì)鋼曲軸用鋼供貨狀態(tài)為軋制空冷態(tài)。鍛造工藝流程為：下料→中頻加熱→輥鍛→預(yù)鍛→終鍛→切邊→校形→控冷→拋丸。

非調(diào)質(zhì)鋼曲軸的生產(chǎn)工藝及改進(jìn)

技術(shù)性能要求：表面硬度225～277HBW，同一根硬度差≤15HBW；心部硬度225～277HBW，同一根硬度差≤20HBW；金相組織為“鐵素體+珠光體”，晶粒度3～7級，脫碳層≤0.5mm。

最初生產(chǎn)曲軸過程中出現(xiàn)很多問題，如晶粒粗大，硬度過高，小頭與大頭硬度散差大，超過技術(shù)要求規(guī)定的散差值，伸長率只有8%～9%，達(dá)不到技術(shù)要求。分析產(chǎn)生的原因及解決方法如下。

⑴晶粒粗大的原因。中頻爐加熱溫度過快，在中頻爐內(nèi)停留時間過長，爐膛內(nèi)高溫停留造成晶粒度過大；曲軸毛坯進(jìn)控冷線溫度偏高，在傳送帶上高溫長時間停留，促使了晶粒的長大。

改進(jìn)方法為中頻加熱爐時間由3min改為1.5min，中頻加熱溫度由1250℃降為1200℃，進(jìn)控冷線的溫度控制在850℃左右。經(jīng)采取上述措施，晶粒度由1～2級變?yōu)?～5級。

⑵硬度過高，大小頭散差大的原因主要是加熱溫度高，保溫時間長，晶粒粗大，合金元素充分溶解，冷卻過程充分彌散析出；而且冷卻時間過長，鐵素體含量少，珠光體含量多造成硬度偏高；兩頭散差大主要是大小頭直徑相差大，冷卻速度不一致所致。

改進(jìn)方法為降低加熱溫度和保溫時間，細(xì)化晶粒，進(jìn)控冷線后前期快速冷卻到660℃左右，縮短冷卻時間；考慮到大小頭直徑相差大，進(jìn)控冷線前在小頭上套上一個保溫管，以使大小頭冷卻速度基本一致，減小硬度散差值。經(jīng)驗證，改進(jìn)后的產(chǎn)品硬度保持在250～270HBW之間，大小頭硬度散差小于15HBW。

⑶伸長率偏小的原因。晶粒粗大、珠光體量的增多及其片層間距減小，析出強(qiáng)化程度高，都降低了材料的韌性。而且鐵素體呈網(wǎng)狀析出，鐵素體含量少也降低韌性，抗拉強(qiáng)度增加，屈服強(qiáng)度下降。

改進(jìn)方法為降低加熱溫度，控制控冷過程，細(xì)化晶粒，增加晶粒度有效面積。

結(jié)束語

控制臂、曲軸分別采用非調(diào)質(zhì)鋼38MnVS、49MnVS3生產(chǎn)。在最初生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)了許多技術(shù)問題，如產(chǎn)生異常組織、晶粒粗大、強(qiáng)硬度高、韌性低、硬度不均勻等問題。針對這些出現(xiàn)的問題，不斷摸索和開發(fā)新工藝，例如鍛造過程加熱溫度、保溫時間的合理控制，控冷線的結(jié)構(gòu)設(shè)計及冷速、保溫合理化等。通過對生產(chǎn)線工藝流程的嚴(yán)格控制和反復(fù)試驗，得出了控制臂和曲軸等非調(diào)質(zhì)鋼汽車零部件的工藝參數(shù)和生產(chǎn)規(guī)律。