蘇鋼微合金化非調質鋼的開發

崔 冕， 喬曉陽， 周 旭， 李占陽

(江蘇蘇鋼集團蘇州蘇信特鋼有限公司， 江蘇 蘇州 215151)

引 言

微合金化非調質鋼是一種將軋制與熱處理結合為一體，省去調質工序的新型節能結構材料；是伴隨國際能源短缺而發展起來的一種高效節能鋼， 其性價比遠優于傳統合金結構鋼，可廣泛用于裝備制造業。在汽車工業中，非調質鋼因具備一系列優點而被廣泛應用，其中德國、瑞典和日本對非調質鋼的研究與應用較好，美國起步較晚但正以較快速度追趕。現在大眾、福特、菲亞特以及伏爾加汽車生產商都采用非調質鋼來制造其曲軸、連桿等零件；目前日本90%以上的曲軸、連桿均采用非調質鋼制造。中國非調質鋼應用情況長期以來都不甚理想，在應對能源緊缺、順應國際發展趨勢的前提下，如何擴展非調質鋼在中國工業特別是汽車工業中的應用成為一個重要的課題[1]。江蘇蘇鋼集團有限公司(以下簡稱“蘇鋼”)在繼承了國內已開發的38MnVS6，49MnVS3，36MnVS4，C70S6等非調質鋼的基礎上，研發了SG420X系列非調質鋼，用于完全取代調質使用的42CrMo、40Cr鋼，目前已取得成功。

1 傳統非調質鋼的特性

第一代非調質鋼是西德在1972年開發的，稱為沉淀硬化鐵素體—珠光體鋼(AFPSteels)，其中典型的鋼號是49MnVS3，通過在鍛造溫度下直接快冷，析出碳化釩實現強化[2]。第一代非調質鋼由于韌性較差，只能運用于受沖擊負荷小的部件，限制了它的應用范圍。西德通過十多年的研究和改進， 重點改善了非調質鋼的韌性，于上世紀80年代初開發出了第二代非調質鋼。第二代非調質鋼通過降低碳含量，增加合金元素含量，同時通過控軋控冷，細化了晶粒，促進晶內鐵素體形核達到提高沖擊韌性的目的。

第二代非調質鋼是目前使用量最大的非調質鋼，廣泛應用于汽車的曲軸、連桿、轉向節等零部件。目前日本及歐洲的汽車工業已基本實現了非調質鋼的普及，而在國內，國產汽車生產商對國產非調質鋼的認可度還有待提高。蘇鋼充分應用第二代非調質鋼的生產技術，通過控制冶煉和軋制工藝， 增加VN，MnS在奧氏體內的析出，從而為鐵素體提供大量的晶內形核點，同時嚴格控制軋后冷卻速度，阻止再結晶晶粒長大。目前蘇鋼生產的49MnVS3，38MnVS6，C70S6化學成分、力學性能如表1和表2所示(正火處理是為了模擬加工汽車零件時的熱鍛條件)。

由表1和表2可以看出，隨著碳含量的降低，非調質鋼的韌性顯著增加，而通過提高Mn, Si元素的含量，在不損傷韌性的同時提高了強度。此外，正火狀態下材料的機械性能優于熱軋態。

表1 蘇鋼49MnVS3，38MnVS6，C70S6鋼的化學成分/%

表2 蘇鋼49MnVS3、38MnVS6、C70S6鋼的機械性能

2 SG420X系列非調質鋼的開發

上文所述的49MnVS3, 38MnVS6, C70S6為鍛造用非調質鋼，其性能須經過鍛造后才能達到調質鋼的水平。為了開發出一系列能夠完全代替調質鋼的直接切削用非調質鋼，蘇鋼與鋼研院展開了合作，通過微合金化的深入研究和控軋控冷的精確控制，成功開發出了SG420X系列哥林柱用非調質鋼，目前SG4201鋼主要用于注塑機以代替調質42CrMo, 40Cr鋼。

2.1 理化性能指標

表3為SG4201鋼的化學成分要求。

表3 SG4201鋼的化學成分/%

圖1為SG4201熱軋棒材由邊緣到心部的金相照片，由圖1可知， 棒材表面為細密的回火組織， 而心部為片層細密的珠光體組織。

表4為SG4201非金屬夾雜物等級；圖2為非金屬夾雜物金相照片。由圖2可知SG4201鋼的非金屬夾雜物等級優良，其中A類硫化物形態呈紡錘體或半紡錘體，這種夾雜物形態有利于提高材料的切削性能。通過冶金過程中對Al元素的嚴格控制以及優良的脫氧工藝，B類、D類夾雜物含量較低；通過渣系調配，并選用合理的耐火材料，基本不形成C類硅酸鹽夾雜。

圖3為SG4201晶粒度照片，根據GB/T6394-2002標準進行評級，SG4201實際鐵素體晶粒度為10～11級。

圖1 SG4201熱軋態金相照片

圖2 SG4201非金屬夾雜物金相照片(100X)

表4 SG4201非金屬夾雜物等級

圖3 SG4201晶粒度金相照片

2.2 性能對比

選用Φ125 mm的SG4201，42CrMo，40Cr熱軋態棒材進行試驗。對42CrMo，40Cr棒材進行調質處理，熱處理工藝為850 ℃加熱保溫3.5 h后油淬，560 ℃回火4 h后水淬。將調質后的42CrMo，40Cr以及熱軋態的SG4201加工成拉伸、沖擊、硬度試樣，并對加工過程中的車削性能進行測試。

表5為SG4201，42CrMo，40Cr機械性能測試結果，由表5可知，SG4201拉伸性能優于調質42CrMo和40Cr，沖擊性能與調質42CrMo和40Cr相當。

表6為SG4201，42CrMo，40Cr硬度測試結果，由表6可知，調質42CrMo，40Cr硬度由心部到表面逐漸增加，而SG4201從心部到表面硬度變化小，性能更穩定。

表5 SG4201，42CrMo，40Cr機械性能對比

表6 SG4201，42CrMo，40Cr心部到表面硬度變化/HBW

圖4為SG4201，42CrMo，40Cr車削性能對比，由圖4可知，SG4201切屑平整，易下料，切削后試樣光滑度高，具有比42CrMo，40Cr更好的切削性能。

圖4 SG4201，42CrMo，40Cr車削性能對比

3 結束語

介紹了傳統非調質鋼49MnVS3，38MnVS6，C70S6的性能，通過對比、分析了蘇鋼集團新開發SG4201鋼與調質42CrMo，40Cr鋼在成分和性能方面的優勢，得出以下結論：

(1)傳統非調質鋼49MnVS3，38MnVS6正火態性能優于熱軋態。

(2)熱軋態SG4201具有比調質42CrMo，40Cr鋼更優良的抗拉強度和屈服強度，其沖擊韌性與調質鋼相當。

(3)與調質后42CrMo，40Cr棒材相比，SG4201熱軋棒材表面到心部的硬度更均勻。

(4)熱軋態SG4201具有比調質42CrMo，40Cr更好的切削性能。