Mn-V 微合金鋼在汽車前軸中的應用

文／劉中陽，杜強·湖北神力鍛造有限責任公司

張峰·東風商用車有限公司技術中心工藝研究所

王一同，胡澤啟·武漢理工大學 汽車工程學院

微合金鋼是一種新型的結構鋼，零件整體性能穩定，截面尺寸效應小，并且屬綠色低碳鋼種，主要用于汽車及其他車輛的承力鍛造部件，如發動機連桿、曲軸、前軸和轉向節等，零件通過熱鍛成形，并鍛后通過適當的控制冷卻即可獲得較高的強度。本文探討了一種以Mn-V 為主添加合金元素的微合金鋼在汽車前軸中的試驗及應用。結果表明，與普通中碳調質鋼相比，在結構相同并省去調質熱處理工序的情況下，應用Mn-V 系中碳微合金鋼，組織性能指標滿足要求，臺架測試在載荷提高15%時，壽命超過100 萬次，順利通過臺架試驗，同時前軸生產過程中的開裂、變形和組織不均勻等質量問題顯著減少。

前軸作為汽車轉向系統的重要組成部分，其質量和性能直接關系著汽車的安全性和可靠性。前軸的材料組織狀態和力學性能對汽車的轉向穩定性、懸掛系統的舒適性以及整車的使用壽命都有著重要影響。隨著重載汽車向大噸位、輕量化的方向發展，普通低碳合金鋼受限于強度級別較低，在重載汽車前軸領域已不具備優勢。微合金鋼被國際上公認為21 世紀鋼種，相比于普通調質合金鋼其含碳量較低，在保證高強度的同時，仍能保持較好的韌性。因此其應用范圍較為廣泛，可用于汽車及其他車輛的承力鍛造部件，如發動機連桿、曲軸、前軸和轉向節等，鍛造后通過適當的控制冷卻即可獲得較高的強度。

近年來，在機械、汽車制造等行業，非調質鋼替代傳統的調質鋼已經獲得了廣泛的應用。Mn-V 系低碳微合金鋼屬于非調質鋼中的一種，由于在生產中可在鍛造成形后直接控溫冷卻就能滿足機械性能要求，省去了鍛后熱處理工序，不僅節約了能源、簡化了工藝、提高了生產效率，而且可以避免由淬火引起的變形、開裂及氧化、脫碳等熱處理缺陷。

微合金鋼概述

在普通軟鋼和高強度低合金鋼基體中添加微量合金元素的鋼，稱為微合金鋼。微合金鋼中添加的合金元素，主要是強烈的碳氮化物形成元素，如Nb、V、Ti、Al 等，其含量大約在0.01%～0.20%之間。添加微量合金元素后，使鋼的一種或幾種性能得到明顯的提高，典型的微合金鋼有15MnVN 和06MnNb 等。

釩是微合金元素中最早引起人們注意的一種，其在鋼材中的應用歷史悠久。早在1916 年，美國就開始試驗添加釩到軟鋼中，后續發展出含釩碳錳鋼等不同類型的鋼材。1939 年開始加入鈮元素，為鋼材性能的提升探索了新的可能性。在20 世紀50 年代后期，美國進行了含鈮半鎮靜鋼的工業試驗，進一步推動了微合金元素在鋼材中的應用。鈦的應用始于1944 年，當時美國研究了低碳錳銅鈦鋼板，1957 年聯邦德國發布了關于鈦鋼板性能數據的報告。20 世紀60 年代初，聯邦德國推薦了含鈦碳錳鋼用于制造型鋼和鋼板，但是控制鋼中鈦含量在0.01%～0.20%之間一直是一個困難。然而，隨著80 年代初鋼包噴吹技術的發展，鋼中鈦含量的控制難題已基本得到解決，為鋼材性能的進一步提升提供了支持。

微合金鋼的發展確實與低合金高強度鋼的發展密切相關，這一過程反映了鋼材設計理念的演變和工程需求的變化。隨著焊接技術的廣泛應用，人們開始更加重視鋼材的韌性、焊接性等綜合性能，而不僅僅是抗拉強度。這導致鋼材中碳含量的降低以及對晶粒細化、屈服強度提高等性能指標的要求不斷增加。在鋼材生產和應用過程中，微合金元素的引入發揮了關鍵作用。釩、鈮、鈦等微合金元素的添加可以有效地細化晶粒、提高屈服強度，同時不明顯增加成本，使鋼材在保持高強度的同時具備良好的韌性和焊接性能。這種微合金鋼因其多功能、經濟實惠而受到人們的青睞，逐漸成為一種重要的工程材料。

微合金的作用機理

按早期的最簡單的類型，微合金鋼是鐵素體-珠光體組織。到20 世紀80 年代后微合金鋼的內涵已廣泛地包括：少珠光體、無珠光體、針狀鐵素體、超低碳貝氏體等組織的低合金高強度鋼。

對于鐵素體-珠光體鋼來說，要得到細鐵素體晶粒，需要滿足一定條件。首先，需要有盡可能細的再結晶奧氏體晶粒或者經過劇烈變形但未再結晶的奧氏體。這些條件可以提供最大的奧氏體晶界面積，為鐵素體的成核提供必要條件。此外，鐵素體也可以在未再結晶奧氏體的形變帶、回復的亞結構邊界以及未溶解的碳化物、氮化物質點上進行形核。添加鈮、釩和鈦等微合金元素的作用之一是通過它們所形成的碳化物、氮化物質點來阻止奧氏體晶粒在再加熱時長大。作用之二是在軋制過程中延緩奧氏體的再結晶。鈮可以顯著提高再結晶溫度的門檻值，釩次之，而鈦只在含量相當高時才能發揮有效作用。

國際冶金研究中心的科研人員研究了與Mn-V鋼(EN)相似的微合金鋼種，不同之處是后者添加了少量的Ti。通常Mn-V 鋼化學成分中Ti 和Al 的含量分別為Ti=0.020mass%，Al=0.035mass%。這兩種元素很容易與N 結合，尤其是Ti。同時還發現在二次加熱溫度下，相對高的Al 含量對控制奧氏體晶粒極其不利。根據對具有不同Ti/Al 比例的38MnSiVS5鋼錠進行的研究表明：組織中發生奧氏體晶粒不正常長大與Ti 和Al 的含量無關，從根本上講歸因于TiN的部分溶解和沉淀粗化。而Al 含量高的鋼顯示出不良特性是因為形成了被稱為AlN 的二次沉淀物，該沉淀物在1000℃和1100℃之間快速溶解，導致其釘扎力急劇下降。

為了解決鐵素體-珠光體型微合金非調質鋼韌性低的問題，可以采用降低鋼中碳含量的方法。通過降低碳含量，可以增加組織中鐵素體的體積百分比，從而消除網狀鐵素體，減少組織中珠光體的體積百分比，提高珠光體片的退化程度，并細化珠光體片，從而提高鋼材的韌性。舉例來說，德國THYSSEN 鋼公司在49MnVS3 的基礎上開發了一系列微合金非調質鋼，如38MnVS5、42MnVS6、27SiMnVS7 等。這些鋼種通過控制碳含量等合金元素，實現了組織結構的優化，從而提高了鋼材的性能，特別是韌性方面得到了改善。另外，20 世紀80 年代后期，日本新日鐵采用晶內鐵素體技術，開發了碳含量為0.30%的高韌性微合金非調質鋼。這種鋼材利用晶內鐵素體的形成機制，結合合金設計和工藝控制，實現了高韌性的目標，為鋼材的應用提供了新的選擇。

這些微合金鋼材料廣泛應用在各種車輛上的結構件，如活塞連桿、發動機連桿、轉向前軸、發動機曲軸和轉向節等，其他如火車車廂底盤、車廂、礦山設備料罐、翻斗、液壓頂板支架系統，工程機械的吊臂、挖斗等特種設備上也有較多應用。

本文主要從微合金鋼的形成機理、樣件的制造過程及樣件的化學成分、組織、性能測試等方面對Mn-V 型中碳微合金鋼在前軸上的試驗及應用進行了探討。

試驗材料及方法

本文試驗采用的是Mn-V 系中碳鐵素體＋珠光體鋼(32MnSiVS5)，采用鍛后控溫冷卻的工藝制造汽車前軸，試驗相關情況如下所述。

試驗材料

32MnSiVS5 是一種中碳鐵素體＋珠光體型高強韌非調質鋼，在Mn-V 鋼的基礎上加入了Ni、N 等元素改善鋼的韌性。本文中試驗樣件鋼材的化學成分如表1 所示。

表1 32MnSiVS5 材料成分(質量分數，%)

32MnSiVS5 是一種中碳鐵素體-珠光體型高強韌非調質鋼，該鋼材在Mn-V 非調質鋼的基礎上加入了Ni、N 等元素，改善了鋼材的韌性。控制合適的碳含量可以保證鋼材具有較高的強度，同時不會明顯降低其塑、韌性。同時，Si 在一定程度上能提高鋼材的強度，但過高的含量可能會導致馬氏體的形成。Mn 是一種重要的合金元素，可以提高鋼材的強度和韌性，但含量過高也會對鋼材的韌性和強度產生不利影響。V 是一個重要的析出強化元素，在不影響鋼的塑、韌性情況下能夠大幅度地提高鋼材的強度。此外，Cr、Ni、Mo、Ti 等合金元素還能夠細化晶粒，為鋼材的性能提升提供幫助。釩作為晶粒尺寸抑制劑僅在溫度低于950℃時起作用，O 是有害元素，要嚴格控制。同時，氮和釩等元素容易形成氮化物或氮碳化物，進而可以細化晶粒，通過析出強化來提高鋼材的強韌性。研究結果表明，在非調質鋼中增加氮的含量到0.01%～0.02%可以對提高鋼材的性能十分有利。根據對具有不同Ti/Al 比例的32MnSiVS5 鋼錠進行的研究表明：組織中發生奧氏體晶粒不正常長大與Ti 和Al 的含量無關，從根本上講歸因于TiN 的部分溶解和沉淀粗化。而Al 含量高的鋼顯示出不良特性是因為形成了被稱為AlN 的二次沉淀物，該沉淀物在1000℃和1100℃之間快速溶解，導致其釘扎力急劇下降。本次試驗采用的32MnSiVS5 材料在保證力學性能的前提下，增加了S 的含量,其作用主要是形成MnS，改善鋼的切削加工性。

本次試驗料與某鋼廠聯合研制，采用電爐初煉，真空精煉，真空脫氣處理，連鑄連軋成形，要求軋制壓縮比大于4。鋼的橫截面酸浸低倍組織試片或前切斷口上不允許有肉眼可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻邊、白皮等缺陷。按照GB/T 226-2015 和ASTM E45A 分別檢驗低倍組織和鋼的非金屬夾雜物，情況分列見表2、表3。

表2 按照GB/T 226-2015 和ASTM E45A 檢驗低倍組織

表3 按照GB/T 226-2015 和ASTM E45A 檢驗鋼的非金屬夾雜物

按照ASTM E112 檢驗鋼的奧氏體晶粒度(950℃±10℃/30min，水冷)，級別≥5。成品鋼材力學性能見表4。

鋼材需100%超聲波探傷，按GB/T 4162-2022標準檢驗，合格級別為B 級以上。

試驗條件及試樣制備

前軸的制造工藝流程大致為：下料→中頻感應加熱→輥鍛制坯→彎曲→預鍛→終鍛→切邊→校直→控溫冷卻→拋丸→探傷→檢驗→防銹入庫。熱成形前的加熱爐溫度要比普通碳素鋼加熱溫度高出30℃～50℃，中頻爐感應加熱溫度不能超過1300℃，且使用三分選溫度儀來有效區分高溫料和低溫料，高溫過燒料直接報廢，低溫料可重復加熱三次使用；鍛造工序采用萬噸熱模鍛壓機，一次鍛壓成形；下線控溫溫度為900℃～500℃，消除應力溫度小于600℃，需嚴格控制控溫冷卻，使冷卻速度在1.5 ～2.5℃/s 的范圍內，此為關鍵工序，可有效保障綜合力學性能和加工性能。具體工藝參數如表5 所示。

表5 試驗工藝參數

控制奧氏體晶粒是改善非調質鋼性能的重要手段，鍛造加熱溫度和鍛后控制冷卻速度是決定鍛件質量過關與否的關鍵步驟。當再加熱溫度從1000℃變化到1200℃時，對機械性能沒有重大影響。在冷卻速率較低條件下，最終顯微組織會產生一些粗糙的珠光體晶胞，該珠光體晶胞團不利于所需要的組織，高冷卻速率，鋼的強度隨之增加，但是韌性沒有明顯發生變化或者根本沒有改變。對含釩鋼，加熱溫度提高到1220℃～1260℃，可以保證V 化合物充分固溶，為其析出強化創作條件，由于此鋼種鍛后沒有二次奧氏體化來細化晶粒，所以應選擇較高的終鍛溫度，下線后立即快速控溫冷卻，主要是為了控制奧氏體晶粒的過度長大。

試驗結果與討論

在試驗鍛件上的彎脖和法蘭座部位分別取樣，制成金相試樣和拉伸試樣，為了試驗的需要，在規定的部位取了8 個試樣，拉伸試樣規格：φ10mm×50mm；沖擊試樣試件2mmU 型缺口，10mm×10mm×55mm。(具體見圖1、圖2)。

圖1 試樣取樣位置、規格

圖2 試樣尺寸規格

顯微組織及晶粒度

金相組織光學顯微鏡照片如圖3 所示。

圖3 前軸鍛件的金相組織

由圖3 可知，在熱鍛后的冷卻過程中因相變形成的鐵素體- 珠光體組織中，由于析出細微的碳氮化物而使組織得以強化。通過TEM 分析可以發現，在鐵素體基體上彌散分布析出的VCN 化合物，對強度低的鐵素體進行了強化，從而強化網狀組織。同時因材料中含有適量的Ti 元素易形成碳氮化物，而這些質點在材料鍛造過程中起到釘扎效果從而細化奧氏體晶粒。有資料介紹利用MnS 細化鐵素體-珠光體組織技術，因此多項措施共同來細化組織，從而使得32MnSiVS5 前軸零件晶粒度達6 ～7 級。

硬度及力學性能測試

選取前軸法蘭座部位的試樣(圖4)，測量截面硬度結果見圖5。

圖5 法蘭座截面硬度分布

從圖5 中硬度統計結果來看，32MnSiVS5 的截面硬度均勻，優于50 鋼調質狀態，此種硬度分布對鍛件的性能有益。樣件心部硬度略有降低，由心部的冷速較慢導致，因50 鋼是調質狀態，心部淬透性稍差，故心部與表面硬度相差較大。

表6 為前軸彎脖處試樣的力學性能及沖擊韌性測試結果，力學性能選取一個試樣，沖擊功選取三件。

表6 力學性能

從測試數據結果來看，樣件的強度指標和塑性指標較好，屈強比達到0.68，斷面收縮率和斷后伸長率較好，與傳統50 鋼調質性能相比具有明顯的提升。抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率等都達到了42CrMo 的要求。對鋼材軋制狀態下的沖擊功及晶粒度進行測試，結果顯示其沖擊功為45 ～55J 之間，晶粒度5 ～7 級。這表明，32MnSiVS5 在鍛造領域的應用，必須嚴格控制坯料加熱溫度及鍛后控冷速度。

臺架試驗結果分析

臺架試驗采用在最大載荷為3 倍額定載荷的情況下，垂向加載時的疲勞壽命≥100 萬次的標準進行評價。并在前軸結構形式保持不變的前提下，與50 鋼的臺架試驗情況進行對比，如表7 所示。

表7 垂向加載臺架試驗結果

從臺架試驗的結果來看，采用相同前軸結構形式，32MnSiVS5 的額定載荷在提高15%的情況下，仍能有較好的疲勞壽命，這也與材料的金相組織形態相對應。

結論

試驗結果表明，Mn-V 系中碳微合金鋼也能應用于汽車前軸鍛造領域，采用鍛后控溫冷卻的方式即可獲得較好的鐵素體-珠光體組織，這種組織強度指標性能與42CrMo 類似，優于50 鋼，能滿足汽車前軸各項性能考核要求。其鍛造生產制造工藝省去了鍛件熱處理工序，縮短了制造周期，避免了開裂、變形和組織不均勻等熱處理質量問題的產生，提升了產品良品率，同時其價格遠低于合金鋼材料，具有較高的使用性價比。使用中須嚴格控制鍛造過程中坯料的加熱溫度、終鍛溫度和控溫冷卻速度，保證晶粒度細小，以便獲得較好的韌性。