汽車底盤零部件用非調質冷鐓鋼開發與應用

王楊 周蕾

（南京鋼鐵股份有限公司特鋼事業部，南京 210035）

1 前言

在汽車工業領域中，非調質鋼的應用可顯著降低汽車零件制造過程中的能源消耗[1]，其不僅可以省略調質工藝過程、節省30%～40%零件制造能耗，還可以降低約20%成本。此外，采用非調質鋼可減少零件調質過程中因淬火引起的變形、開裂，進而節省矯直工序。因此，非調質鋼近年來被廣泛應用于汽車零部件制造。

隨著生產裝備的升級和工藝技術的革新，非調質鋼在經歷多年的發展后，國內鋼廠采用連鑄材成功替代了模鑄材，并批量應用于曲軸、連桿、凸輪軸等發動機關鍵部件。同時，在汽車底盤零部件生產中也有應用。然而，目前汽車用非調質鋼在零部件成型過程中仍以熱鍛和溫鍛為主，冷鍛較少。

為進一步拓展非調質冷鐓鋼在汽車底盤零部件制造領域的應用，本文旨在開發一種可同時滿足多種零部件性能要求的材料，提高材料普適性同時降低生產制造成本。

2 材料設計

2.1 成分設計

與調質鋼相比，非調質鋼雖然有很多優勢，但成本較高，主要表現在3 個方面：鋼中合金含量增加，合金成本增加；冷變形過程中模具壽命有所降低，加工成本增加；關鍵部位零件需進行時效處理，后道處理成本增加。因此，合理的成分設計是非調質鋼開發成功的關鍵。

非調質鋼成分設計時，一般會添加微量合金元素，主要為V、Nb、Ti 和B 等。其中，最常見的是V 元素，質量分數一般為0.06%~0.13%。加入Ti 元素能夠使珠光體片層間距得到細化，對提高材料韌性和強度有利。研究表明[4]，含有Nb 元素的微合金非調質鋼須配合適當的加熱溫度，才能在相變過程中形成具備釘扎晶界作用的NbC 粒子，起到阻止晶粒長大的作用。另外，普遍通過在非調質鋼中添加質量分數為0.6%~1.5%的Mn 元素增大珠光體比例，同時減小珠光體片層間距，進而提高材料強度；添加Mn 元素還可以降低碳氮化合物的固溶溫度，促進微合金碳氮化合物溶解。但非調質鋼中Mn 元素的質量分數超過1.50%，將極易產生貝氏體組織。

此外，非調質鋼主要依靠冷作硬化工藝提高強度，原材料成分設計時需要考慮性能與成本之間的平衡，在滿足技術要求的同時實現低成本設計，本文采用鐵素體+珠光體的設計思路，基于南鋼非調質鋼開發經驗，采用Thermo-Calc 軟件進行成分設計，所開發的汽車底盤零部件采用非調質冷鐓鋼，具體成分如表1 所示。

表1 汽車底盤零部件用非調質冷鐓鋼成分（質量分數）%

據表1 成分的目標范圍值，采用Thermo-calc軟件計算平衡相變點溫度，如圖1 所示，可知該成分下非調質冷鐓鋼的熔點為1 499 ℃，奧氏體轉變結束溫度A3=802 ℃，珠光體-奧氏體轉變溫度A1=718 ℃。

圖1 汽車底盤零部件用非調質冷鐓鋼平衡態相圖

2.2 煉鋼工藝設計

為提高鋼水純凈度、改善鑄坯偏析，滿足成品盤條非金屬夾雜物要求，本文針對電爐出鋼、爐外精煉、真空脫氣以及連鑄工序關鍵環節重點管控，具體要求如下：電爐出鋼控制P、C 以及鋼水溫度，確保出鋼氧位處于較低水平；爐外精煉（Ladle Fur?nace，LF）采用專用渣系，嚴格控制精煉時間，實現質量分數控制：C±0.01%、Si±0.03%、Mn±0.02%；真空處理嚴格控制真空度、高真空保持時間，確保鋼水中氫含量≤2.0×10-6，同時控制靜攪時間及氬氣流量，確保夾雜物充分上??；連鑄過程采用氬封全保護，防止鋼水二次氧化。借助結晶器電磁攪拌及末端輕壓技術，實現與拉速、二冷強度、過熱度間的最佳匹配，確保鑄坯質量、連鑄坯碳偏析指數為0.96~1.04。采用恒拉速澆鑄基于塞棒控制系統確保澆鑄過程結晶器液面平穩。

為掌控鋼水澆鑄過程中過熱度變化情況、確保過熱度變化處于受控狀態，除了在現場采用傳統經驗公式外，本文還采用了文獻[5]中的液相線預測模型在線輔助，實現“雙保險”實時監控。

農業生產量的高低是由小型農田水利建設完善程度來決定的。因此，應當對小型農業水利設備的使用加以重視，并對其不定期地進行檢查和維修，以確保農田水利設備能發揮出更大的作用。此外，在充分運用現有小型農田水利設施的過程中，應積極預防一些可能對小型農田設施造成損壞的不確定因素。

2.3 軋鋼工藝設計

為獲得目標組織、滿足預期性能，本文基于測定的連續冷卻轉變（Continuous Cooling Transforma?tion，CCT）曲線（圖2）制定了汽車底盤零部件用非調質鋼控溫-控軋-控冷工藝，具體生產工藝流程：鑄坯→坯料修磨→坯料探傷→加熱→除鱗→連軋→減定徑→吐絲→斯太爾摩風冷線→卷取→成品酸洗→表面、尺寸檢測→性能檢測→包裝入庫。

圖2 汽車底盤零部件用非調質冷鐓鋼CCT曲線

為充分發揮Ti、V、N 的復合作用，采用高溫加熱，確保Ti、V、N 全部固溶于奧氏體基體；為徹底去除鋼坯表面氧化鐵皮，設置除鱗水壓力≥18 MPa；為獲得鐵素體+珠光體組織，結合CCT 曲線，控制冷卻速度低于1 ℃/s。同時，為獲得超細晶粒，對連軋及吐絲后斯太爾摩風冷線關鍵環節進行管控，具體控軋控冷工藝參數如下：

a.精軋溫度≤980 ℃；

b.終軋溫度≤860 ℃；

c.吐絲溫度≤850 ℃。

為保證成品盤條表面質量，滿足成品盤條1/3冷頂鍛不開裂要求，軋制時需從以下4 個方面進行管控：

a.卷取過程中采用特制鼻錐進行防護，防止形成擦劃傷；

b.端部防護，防止鋼帶/鋼線勒傷；

c.嚴格控制打捆壓力，防止形成擠壓傷；

d.成品運輸采用精品物流，防止運輸過程中產生磕碰、擦劃傷等影響產品使用的表面缺陷。

3 材料開發

按照本文設計的成分及工藝試制，成品盤條主要規格為Φ14~Φ22 mm，經金相制樣后采用蔡司顯微鏡進行組織觀察，組織為鐵素體+珠光體，如圖3 所示。

圖3 汽車底盤零部件用非調質冷鐓鋼熱軋態組織（500×）

實際晶粒度為9~10 級，全脫碳為零，總脫碳層深≤0.5%D（D為盤條直徑），具體數值如表2 所示。

表2 不同規格非調質冷鐓鋼組織類型、實際晶粒度、脫碳層深

按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》中A 法對非調質冷鐓鋼中非金屬夾雜物進行評級，結果如表3 所示。A 細≤1.0 級，A 粗0 級，B 細≤0.5 級，B 粗0 級，C 類0 級，D 細≤1.0 級，D 粗0 級，Ds 類0 級。

表3 不同規格非調質冷鐓鋼非金屬夾雜物評級

按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》進行熱軋盤條力學拉伸試驗，測試數據如表4所示，抗拉強度為740~750 MPa，散差為10 MPa，延伸率為22%~24%，面縮率為52%~62%。按照YB/T 5293—2022《金屬材料頂鍛試驗方法》進行熱軋盤條1/3 冷頂鍛試驗，頂鍛后試樣表面均無裂紋。

表4 不同規格熱軋盤條力學性能、冷頂鍛性能

4 材料應用

4.1 轉向球銷

試制盤條經下游用戶直抽成精線后進行冷鐓成型，具體生產工藝流程為：盤條→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→冷鐓→滾絲（搓絲）→車削加工→渦流探傷→表面處理→包裝。傳統工藝流程為：盤條→球化退火→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→球化退火→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→冷鐓→滾絲（搓絲）→調質→車削加工→渦流探傷→表面處理→包裝。

針對轉向球銷零件，為滿足成品性能要求的同時冷鐓過程不開裂，本文聯同下游用戶從整個產業鏈全局考慮，基于本文成分和工藝設計，考慮下游用戶不同零件型號對應原材料線徑的要求，將精線改制過程中拉拔減面率控制在8%~15%，最終實現非調質工藝替代傳統的調質工藝，得到國外知名主機廠一級供應商的認可，并實現轉向球銷用非調鋼全面量產。

4.2 10.9級螺栓

試制盤條經下游用戶直抽成精線后進行冷鐓成型，具體生產工藝流程為：盤條→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→冷鐓→滾絲（搓絲）→穩定化處理→渦流探傷→表面處理→包裝。傳統工藝流程為：盤條→球化退火→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→球化退火→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→冷鐓→滾絲（搓絲）→調質處理→渦流探傷→表面處理→包裝。

針對10.9 級螺栓零件，由于前期采用非調質鋼面臨各種各樣的難題，目前仍以調質處理為主。為了確保采用非調鋼制成的零件在整個精線改制過程中不顯著降低模具壽命的同時在冷鐓過程中不開裂，本文聯同下游用戶從整個產業鏈全局考慮，基于本文成分和工藝設計，考慮下游用戶不同零件型號對應原材料線徑要求不同的因素，將精線改制過程中拉拔減面率控制在25%~35%；同時為了進一步保證成品性能滿足10.9 級螺栓要求，零件制成毛坯件后進行穩定化處理，最終成功開發出免球化退火免調質的新工藝，確保成品螺栓各項性能指標達到GB/T 3098.15—2023《緊固件機械性能不銹鋼螺母》中10.9 級螺栓要求。

4.3 剎車系統導桿

試制盤條經下游用戶直抽成精線后進行冷鐓成型，具體生產工藝流程為：盤條→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔（減面率10~20%）→冷鐓→滾絲（搓絲）→渦流探傷→表面處理→包裝。傳統工藝流程為：盤條→調質→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→冷鐓→滾絲（搓絲）→渦流探傷→表面處理→包裝。

針對剎車系統導桿零件，目前以進口材料為主，為了達到成品性能要求，進口材料需要先對熱軋盤條進行調質處理后再進行冷鐓成型。為了進一步發揮非調鋼的優勢，本文聯同下游用戶從整個產業鏈全局考慮，基于本文成分和工藝設計，最終在精線改制環節成功采用非調質工藝替代進口材料的調質工藝。同時為確保成品零件各項性能指標滿足用戶要求，將精線改制過程中拉拔減面率控制在10%~20%。

5 結束語

本文采用供應商早期介入開發模式，借助Thermo-Calc 軟件進行成分設計，同時結合CCT 曲線制定了控溫-控軋-控冷工藝，聯同下游用戶開展全產業鏈產品開發與應用?；诒疚脑O計的成分及工藝，成功開發出一種能同時滿足多種汽車底盤零部件性能需求的非調質冷鐓鋼，進一步拓展了汽車底盤冷鍛用非調質鋼的應用領域，降低了零部件制造成本。