微合金非調質鋼在汽車零部件生產中的應用

李新平，趙韓飛，熊 劍，姚孝寒，高 原

（江西恒大高新技術股份有限公司，江西 南昌 330096）

國內微合金非調質鋼已廣泛應用于連桿、控制臂等汽車零部件，非調質鋼是伴隨國際上能源短缺而發展起來的一種高效節能鋼，與調質鋼相比具有簡化生產工藝流程，提高材料利用率，降低能耗和制造成本（25%～28%）的優點[1]。非調質鋼在汽車行業的應用已日趨廣泛[2]。拒不完全統計，目前我國非調質鋼的年用量在10 ～15 萬噸，其中汽車行業的年用量就達5 ～8萬噸。非調質鋼已先后經歷了鐵素體-珠光體型、貝氏體型、馬氏體型等三個階段的發展，目前工業上最廣泛應用的是鐵素體-珠光體型非調質鋼，鐵素體-珠光體型非調質鋼現廣泛應用于連桿、控制臂、曲軸等汽車零部件。本文根據筆者近年來對非調質鋼應用于連桿、控制臂、曲軸等汽車零部件的一些生產經驗和技術成果，以及生產過程中的一些技術問題做探討分析，為國內非調質鋼在連桿、控制臂、曲軸等的廣泛應用提供參考。

1 非調質鋼在連桿生產中的應用

1.1 連桿用非調質鋼

連桿是發動機的重要零件，它的作用是連接活塞和曲軸，使活塞的往復運動變換成曲軸的旋轉運動，受到拉伸、壓縮和彎曲應力及交互疲勞載荷作用[3]。在我國，應用非調質鋼最成功的零件是汽車發動機連桿。使用的非調質鋼數量最多，約占全國非調質鋼生產總量的一半。例如，上海大眾汽車連桿使用的非調質鋼是30Mn2VS；江鈴汽車連桿使用的非調質鋼是35MnVS；天津大發TJ370Q、TJ376Q 發動機連桿使用的非調質鋼是進口S43CVS1；廣州標致汽車連桿使用的非調質鋼是引進法國的45M5UA2。

1.2 連桿的鍛造工藝性

圖1 是汽車發動機連桿，所用非調質鋼為35MnVS。連桿鍛造工藝流程為：

下料—中頻加熱—滾鍛—制坯—預鍛—終鍛—切邊—風冷—拋丸。

1.3 連桿鍛造過程中的影響因素

1.3.1 原材料化學成分的影響

表1 是連桿用鋼35MnVS 的化學成分技術要求，此批連桿用鋼有爐號有兩種。

從表1 可以看出，此兩種爐號的原材料均符合技術要求。但是在生產中發現，鍛造并鼓風冷卻后，檢測其金相組織，經鍛造的爐號1#的35MnVS 連桿不能超過500 轉/min 的冷速進行風冷，否則，金相組織出現大量異常，硬度也偏低。而經鍛造的爐號2#的35MnVS 連桿則可用800 轉/min 的冷速進行風冷，金相硬度都符合要求。從表1 中可以看出，爐號1#鋼比爐號2#鋼中的V 含量低0.016%，在鍛后冷卻過程中，V 的碳化物彌散析出，可以阻礙奧氏體的再結晶過程，細化晶粒。爐號1#鋼的V 的這方面作用較弱，晶粒相對粗大，冷速較快時，易產生魏氏體組織。

1.3.2 鍛造加熱溫度的影響

提高鍛造加熱溫度，即提高奧氏體化溫度，可使V、Ti 的固溶量增大， V、Ti 的碳氮化物逐漸溶入奧氏體中，大量溶解的微合金碳氮化物在冷卻過程中彌散析出，可提高鋼的強度和硬度。連桿的鍛造加熱溫度控制在不超過1200℃較為合理，若超過此溫度，奧氏體晶粒度迅速長大，導致風冷后晶粒度不合格，強硬度降低，韌性下降。下料直徑不能太大，當坯料有效厚度較小，內外容易達到鍛造溫度并且均勻。

1.3.3 風冷對鍛件質量的影響

在鍛后風冷過程中，風冷速度對于組織的轉變有顯著的影響，工件的最終組織性能很大程度取決于冷速控制。其確定了鐵素體和珠光體的分配情況，形態，鐵素體晶粒度大小，珠光體片層間距等。

圖1 為連桿經鍛造成型后，不合理風冷時的金相組織照片，零件組織產生了大量貝氏體組織。這是由于風量太大導致冷卻速度過快造成的。生產中也發現，當冷卻速度低于40℃/min 以上，硬度往往達不到要求。由于冷卻緩慢，相變過冷度較小，使先共析鐵素體形核率減小，先共析鐵素體在晶界處析出充分。且先共析鐵素體晶粒尺寸大，鐵素體含量也較高，珠光體含量相對減少。

表1 35MnVS 鋼化學成分（質量分數，%）

圖1 連桿在不合理冷卻速度下的金相組織

圖2 是連桿在80-180℃/min 冷卻速度范圍內的金相組織，由鐵素體和珠光體組成，將冷速控制在80-180℃/min，獲得比較理想的顯微組織。

圖2 連桿在合理冷卻速度下的金相組織

2 非調質鋼在控制臂生產中的應用

2.1 控制臂用非調質鋼

近年來，控制臂已逐漸廣泛采用非調質鋼，例如江鈴汽車控制臂采用鐵素體-珠光體型非調質鋼38MnVS；日本愛知制鋼開發了貝氏體非調質鋼SVd15BX，豐田高級轎車“皇冠”控制臂采用鐵素體-珠光體型非調質鋼38MnVS，制造成本降低了5%～10%。

2.2 控制臂的鍛后控冷工藝

控制臂鍛件所采用38MnVS 非調質鋼，鍛造工藝流程為：下料—中頻加熱—滾鍛—制坯—預鍛—終鍛—切邊/校形—控冷—拋丸。

圖3 控制臂的鍛后控冷生產線

控制臂對控冷設備要求高，設備結構較復雜，工藝流程更多，制造成本高。圖3 為控制臂控冷線，具體分為四個區：快冷區、等溫區、緩冷區、對流區。

控制臂鍛件切邊后溫度為850℃～900℃，控制臂冷卻線快冷區控制的冷卻速度為60℃/min ～80℃/min，在快冷區進行快速冷卻，冷卻約3～4 分鐘，溫度達到630℃～650℃，然后進入等溫區，等溫區保溫溫度為600℃～630℃，等溫時間約為35～45分鐘。組織完全轉變成鐵素體+珠光體后，再進入到緩冷區，防止產生大的應力，時間大約25～30 分鐘。最后進入對流區，使鍛件迅速冷卻到室溫，以便下料。

圖4 控制臂在合理冷卻速度下的金相組織

圖4 為控制臂鍛造控冷后金相組織。由圖8 可以看出，組織由鐵素體和珠光體組成，組織分布均勻。通常，中碳鋼鍛件經過鍛造變形后，冷卻速度不大時，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大于向晶內長大速度，易于沿著奧氏體晶界呈網狀析出。在一定范圍內，隨著過冷度增大，先共析鐵素體晶粒變得細小，網狀結構越明顯，鐵素體含量較少。當冷速達到一定程度，先共析鐵素體晶界、晶內均析出，組織比較均勻。晶粒度達到6 ～7 級，沒有出現粗晶、混晶等現象。說明鍛件在此控冷制度下比較合理，等溫溫度為600℃～630℃時，金相組織良好。

3 結論

針對生產中鍛件出現的組織異常、晶粒粗大、硬度不均等問題，不斷摸索和開發新工藝，通過對生產線工藝流程的嚴格控制和反復試驗，得出了連桿、控制臂等非調質鋼汽車零部件的合理工藝參數和生產規律。現在這些零部件鍛造工藝性及控冷等都比較良好，均能滿足生產的要求。