淺談汽車(chē)用非調質(zhì)鋼的應用現狀與發(fā)展論文
1 前言
近年來(lái)，隨著(zhù)汽車(chē)產(chǎn)量和汽車(chē)保有量的不斷增加，汽車(chē)工業(yè)鋼鐵材料消耗量也在不斷增加。據統計，2009～2012 年汽車(chē)工業(yè)鋼材消耗量分別4500萬(wàn)t、6000萬(wàn)t、6500萬(wàn)t和6 800萬(wàn)t。傳統汽車(chē)零件以中碳鋼棒材為坯料，熱鍛成型后進(jìn)行調質(zhì)處理來(lái)提高強度和韌性，缺點(diǎn)是能耗高、工序多、周期長(cháng)、污染重、成本高、效率低，且普遍存在淬透性不足，調質(zhì)后零件芯部得不到強韌性匹配較好的組織。隨著(zhù)冶金技術(shù)的進(jìn)步，為了解決以上問(wèn)題，在20世紀70年代末開(kāi)發(fā)了一類(lèi)新鋼種即微合金非調質(zhì)鋼。
汽車(chē)工業(yè)用鋼在追求更高的零部件強韌性匹配度的同時(shí)更注重減輕重量，降低成本。非調質(zhì)鋼通過(guò)微合金化、氧化物冶金技術(shù)及控軋控冷技術(shù)等便可實(shí)現高的強韌性匹配度，是滿(mǎn)足上述需求的有效途徑。非調質(zhì)鋼的應用不僅可以省略調質(zhì)過(guò)程、節省 30%～40%零件制造能耗、還可以降低20%成本。另外，應用非調質(zhì)鋼可減少調質(zhì)過(guò)程中淬火引起的變形開(kāi)裂，從而簡(jiǎn)化矯直工序。因此非調質(zhì)鋼在汽車(chē)工業(yè)的應用可以顯著(zhù)降低汽車(chē)零件制造過(guò)程中的能源消耗。目前國外非調質(zhì)鋼的品種和用量都遠高于中國汽車(chē)工業(yè)，因此開(kāi)發(fā)高強韌性、高切削加工性、低成本的非調質(zhì)鋼，擴大非調質(zhì)鋼在我國汽車(chē)工業(yè)中的應用，以滿(mǎn)足我國汽車(chē)工業(yè)節能減排和輕量化需求。
2 國內外非調質(zhì)鋼的歷史及應用現狀
2.1 國外非調質(zhì)鋼的歷史及應用現狀
20世紀70年代初，石油危機促使世界各國開(kāi)始研制非調質(zhì)鋼，用以代替碳素結構鋼和低合金結構鋼。20世紀80年代初，德國蒂森公司率先開(kāi)發(fā)了一類(lèi)新型鋼種，即非調質(zhì)鋼，并以49MnVS3為代表的非調質(zhì)鋼號提供給汽車(chē)工業(yè)，至今該鋼號已經(jīng)取代了 50Mn、40Cr 等一系列調質(zhì)鋼，用于制造汽車(chē)的鍛造曲軸。隨后，世界各國都競相研究和應用非調質(zhì)鋼，先后開(kāi)發(fā)了第二、三代及復合微合金化非調質(zhì)鋼，從而擴大了非調質(zhì)鋼的應用領(lǐng)域。
國外關(guān)于含有Nb、V、Ti或Al的微合金鋼晶粒尺寸與性能之間關(guān)系的研究結果表明，晶粒細化是唯一能使鋼強化且韌化的有效手段，析出強化也是微合金鋼的一種主要強化機制。微合金化元素如V、Ti、Nb是碳化物、氮化物形成元素，由于這些元素的碳化物或氮化物以細小質(zhì)點(diǎn)形式存在，可作為鋼冷卻過(guò)程中的外來(lái)形核核心，因而能有效地改善鋼的性能。
德國、瑞典和日本對非調質(zhì)鋼研究與應用較好。國外強度級別900 MPa以上非調質(zhì)鋼及其應用。德國大眾使用 27MnSiVS6 非調質(zhì)鋼制造的轎車(chē)連桿年產(chǎn)250萬(wàn)件；瑞典Volvo公司每年約耗用 25 000 t 鋼材用于制造汽車(chē)零件；美國福特、意大利菲亞特及俄羅斯伏爾加汽車(chē)廠(chǎng)都采用非調質(zhì)鋼來(lái)制造其曲軸、連桿等零件。近幾年，日本在非調質(zhì)鋼方面的推廣應用及新鋼種、新技術(shù)的開(kāi)發(fā)方面已占據世界領(lǐng)先地位。2004年日本汽車(chē)用特殊鋼為 319 萬(wàn) t，其中非調質(zhì)鋼為 204 萬(wàn) t，占64%。美國已成功研究具有自己特點(diǎn)的第二類(lèi)非調質(zhì)鋼，并由美國查帕爾鋼公司的 Wright，提出了第三代非調質(zhì)鋼的概念，并將非調質(zhì)鋼的組織擴展至低碳馬氏體。俄羅斯研究的30ХГФБ、30ХГБТ和 30ХГФТ鋼，其強韌性比一般非調質(zhì)鋼高得多，甚至達到40ХГН 調質(zhì)鋼的水平。
2.2 國內非調質(zhì)鋼的發(fā)展及應用
我國非調質(zhì)鋼先后經(jīng)歷了鐵素體-珠光體型、貝氏體型、馬氏體型等三個(gè)階段的發(fā)展，三類(lèi)非調質(zhì)鋼沖擊值與抗拉強度的關(guān)系見(jiàn)圖1�？估瓘姸�900 MPa 以下的 Mn-V 系列（如 35MnVSX、C38N2、48MnVS 等），主要用于發(fā)動(dòng)機曲軸、連桿、半軸等軸桿零件；抗拉強度大于 900 MPa 的如 C70S6、40CrMnVB，主要用于發(fā)動(dòng)機連桿、轉向節和轉向節背、前軸等零件；抗拉強度大于 950 MPa 的如FAS2237、70MnVS4、35CrMnVS 等，主要用于發(fā)動(dòng)機的連桿；新型貝氏體基非調質(zhì)鋼30MnCrSiMoVB主要用于曲軸、噴油器、懸架背和高壓共軌零件。
3 非調質(zhì)鋼的強韌化手段
3.1 合理利用強化元素提高強韌性
碳是最有效的強化元素，合理增加碳含量有利于增加珠光體百分數、提高材料強度、從而使韌性下降。Mn、Cr元素以固溶強化方式強化珠光體和鐵素體，并擴大奧氏體相區，有利于珠光體百分數增加，同時(shí)減小珠光體片間距，使滲碳體變薄。此外非調質(zhì)鋼中一般含有 V、Nb、Ti、N 等微量元素，這些元素以細晶強化和沉淀強化方式同時(shí)提高材料強度和韌性。
沖擊韌性實(shí)際取決于材料受沖擊時(shí)裂紋產(chǎn)生和裂紋擴展兩個(gè)方面。Mn、Cr有利于提高裂紋產(chǎn)生能量，減小裂紋擴展能量，并最終提高沖擊韌性；V、Si有利于鐵素體形成和均勻分布，從而提高裂紋擴展能量。
3.2 晶粒細化法提高強韌性
細化鋼的晶粒能有效地提高鋼的韌性、保持高強度。非調質(zhì)鋼中常添加Al、Ti等元素，通過(guò)析出AlN、TiN來(lái)釘扎奧氏體晶界，提高奧氏體晶粒長(cháng)大激活能量，在加熱時(shí)阻止晶粒長(cháng)大，在形變過(guò)程中抑制奧氏體再結晶，細化奧氏體晶粒。
微合金元素的復合加入比單獨加入作用更大，如用Ti-V復合微合金化，則晶粒尺寸和材料性能基本上不受加熱溫度影響。49MnVS3作為最早開(kāi)發(fā)的非調質(zhì)鋼，其室溫沖擊韌性一直是制約其進(jìn)一步擴大應用的主要因素，為了提高其室溫沖擊韌性，近期研究發(fā)現在鋼中添加一定量的Ti和少量的O，配以適當的鍛造工藝，奧氏體平均晶粒直徑可從原來(lái)的110 μm下降到40 μm。加Ti與不加Ti鋼斷裂試驗對比結果表明，其裂紋產(chǎn)生能量相近，而含Ti鋼因其組織精細裂紋擴展阻力加大，裂紋擴展能量提高，因而韌性提高。
4 硫化物對非調質(zhì)鋼的影響
硫化物在非調質(zhì)鋼中的有益作用，一方面是改善非調質(zhì)鋼的切削性能；另一方面是細化晶粒。關(guān)于硫化物細化晶粒，目前在非調質(zhì)鋼領(lǐng)域最主流的觀(guān)點(diǎn)是促進(jìn)晶內鐵素體形成。高村等人認為，通過(guò)氧化物冶金技術(shù)，以 FeO、MnO 為質(zhì)點(diǎn)，形成 MnS 夾雜物，MnS 夾雜物上析出 TiN、VN顆粒，這樣析出的 TiN、VN 顆粒與鐵素體錯配率小，從而在其上面形成晶內鐵素體。
5 我國汽車(chē)用非調質(zhì)鋼的問(wèn)題及建議
我國非調質(zhì)鋼應用數量和品種與國外均有較大差距，特別是高性能、高切削加工性、硫化物形態(tài)控制、高疲勞性能的非調質(zhì)鋼與國外有較大差距，難以滿(mǎn)足汽車(chē)工業(yè)應用非調質(zhì)鋼制件功能和輕量化的要求。目前我國汽車(chē)用非調質(zhì)的發(fā)展過(guò)程中還存在以下問(wèn)題。
a.標準體系不完善。目前執行的`“非調質(zhì)機械結構鋼”標準涵蓋鋼種面較小，約占目前用戶(hù)所使用非調質(zhì)鋼鋼號的 30%。在非調質(zhì)鋼應用中，國外有相應的各類(lèi)型標準，如意大利的依維柯公司，與脹斷連桿相關(guān)非調質(zhì)鋼標準及其應用標準就有6項，而我國這類(lèi)標準嚴重缺失，影響了非調質(zhì)鋼的推廣和應用；
b.汽車(chē)用非調制鋼結構件性能需求不明確 汽車(chē)廠(chǎng)對非調質(zhì)鋼結構件的性能評價(jià)不全面，僅簡(jiǎn)單的用調質(zhì)鋼的標準來(lái)要求非調質(zhì)鋼，使得非調質(zhì)鋼在使用過(guò)程無(wú)參考依據。從而限制了非調質(zhì)鋼在國內的應用和推廣；
c.汽車(chē)用非調質(zhì)鋼品種有待增加、性能有待提升。目前國內高強韌性、高性?xún)r(jià)比的非調質(zhì)鋼種品種不足。成分波動(dòng)范圍大，性能不穩定。如日本新日鐵不同爐號之間的成分幾乎相同，而我國不同爐號成分差距很大，甚至判若兩個(gè)鋼號；
d.硫化物形態(tài)、尺寸的控制手段不足。硫化物對非調質(zhì)鋼組織和性能的影響機理需深入研究，無(wú)硫化物形態(tài)評級標準。硫化物的形態(tài)、分布及大小對非調質(zhì)鋼組織和性能有較大影響。硫化物除了可以提高非調制鋼切削性能、細化晶粒外，還對非調質(zhì)鋼疲勞極限有明顯的影響。但目前其控制手段有限，相關(guān)的機理研究也有待進(jìn)一步深入。
針對目前國內汽車(chē)用非調質(zhì)鋼存在的問(wèn)題，提出以下幾個(gè)方面的發(fā)展建議。
a.汽車(chē)用非調質(zhì)鋼部件功能數據的積累。對典型汽車(chē)用非調質(zhì)鋼零部件（曲軸、連桿等）進(jìn)行全面的性能及使用工況分析。在研究各種因素對零件功能影響的基礎上，制定和完善產(chǎn)品的相關(guān)檢測標準。提高我國非調質(zhì)剛的冶金水平，以保證非調質(zhì)鋼成分、性能及C當量的一致性；
b.開(kāi)發(fā)高強韌性、高性?xún)r(jià)比的非調質(zhì)鋼，以滿(mǎn)足汽車(chē)構件輕量化和構件的特殊性能要求（如高壓共軌零部件）。開(kāi)發(fā)經(jīng)濟實(shí)用、高性?xún)r(jià)比的非調質(zhì)鋼（如38MnNS5），滿(mǎn)足量大、面廣的汽車(chē)非調質(zhì)鋼構件的需求；
c.進(jìn)行非調質(zhì)鋼工藝分析。對經(jīng)濟實(shí)用、高強、高韌非調質(zhì)鋼的冶金、軋（鍛）制和控冷過(guò)程中的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行研究，相關(guān)牌號的基礎數據進(jìn)行系統地檢測，結合零部件的制作工藝和使用要求，系統研究非調質(zhì)鋼控軋（鍛）分段控冷技術(shù)與鋼材的性能、零部件的功能及本身的物理、力學(xué)冶金數據之間的關(guān)系，并準確測量鋼種的CCT曲線(xiàn)，作為控軋（鍛）分段控制冷技術(shù)研究和非調質(zhì)鋼性能預測的基本依據；
d.研究微合金化作用。研究復合微合金化作用，優(yōu)化合金含量，優(yōu)化高性?xún)r(jià)比的大截面非調質(zhì)鋼的成分體系和工藝流程，建立大尺寸非調質(zhì)鋼零件的制造工藝和性能預測系統。并在經(jīng)表面淬火強化的零件用非調質(zhì)中，添加微合金元素B，以保證表面淬硬層深度；
e.硫化物對非調質(zhì)鋼組織、性能的影響機理研究。研究高硫易切非調質(zhì)鋼中硫化物形態(tài)、大小、尺寸等對非調質(zhì)鋼力學(xué)性能、疲勞性能及切削性能的影響，作為制定非調質(zhì)鋼硫化物形態(tài)評級標準圖譜的試驗依據。
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