淺談汽車用非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展論文
1 前言
近年來，隨著汽車產(chǎn)量和汽車保有量的不斷增加，汽車工業(yè)鋼鐵材料消耗量也在不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009～2012 年汽車工業(yè)鋼材消耗量分別4500萬t、6000萬t、6500萬t和6 800萬t。傳統(tǒng)汽車零件以中碳鋼棒材為坯料，熱鍛成型后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理來提高強(qiáng)度和韌性，缺點(diǎn)是能耗高、工序多、周期長(zhǎng)、污染重、成本高、效率低，且普遍存在淬透性不足，調(diào)質(zhì)后零件芯部得不到強(qiáng)韌性匹配較好的組織。隨著冶金技術(shù)的進(jìn)步，為了解決以上問題，在20世紀(jì)70年代末開發(fā)了一類新鋼種即微合金非調(diào)質(zhì)鋼。
汽車工業(yè)用鋼在追求更高的零部件強(qiáng)韌性匹配度的同時(shí)更注重減輕重量，降低成本。非調(diào)質(zhì)鋼通過微合金化、氧化物冶金技術(shù)及控軋控冷技術(shù)等便可實(shí)現(xiàn)高的強(qiáng)韌性匹配度，是滿足上述需求的有效途徑。非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用不僅可以省略調(diào)質(zhì)過程、節(jié)省 30%～40%零件制造能耗、還可以降低20%成本。另外，應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼可減少調(diào)質(zhì)過程中淬火引起的變形開裂，從而簡(jiǎn)化矯直工序。因此非調(diào)質(zhì)鋼在汽車工業(yè)的應(yīng)用可以顯著降低汽車零件制造過程中的能源消耗。目前國(guó)外非調(diào)質(zhì)鋼的品種和用量都遠(yuǎn)高于中國(guó)汽車工業(yè)，因此開發(fā)高強(qiáng)韌性、高切削加工性、低成本的非調(diào)質(zhì)鋼，擴(kuò)大非調(diào)質(zhì)鋼在我國(guó)汽車工業(yè)中的應(yīng)用，以滿足我國(guó)汽車工業(yè)節(jié)能減排和輕量化需求。
2 國(guó)內(nèi)外非調(diào)質(zhì)鋼的歷史及應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1 國(guó)外非調(diào)質(zhì)鋼的歷史及應(yīng)用現(xiàn)狀
20世紀(jì)70年代初，石油危機(jī)促使世界各國(guó)開始研制非調(diào)質(zhì)鋼，用以代替碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。20世紀(jì)80年代初，德國(guó)蒂森公司率先開發(fā)了一類新型鋼種，即非調(diào)質(zhì)鋼，并以49MnVS3為代表的非調(diào)質(zhì)鋼號(hào)提供給汽車工業(yè)，至今該鋼號(hào)已經(jīng)取代了 50Mn、40Cr 等一系列調(diào)質(zhì)鋼，用于制造汽車的鍛造曲軸。隨后，世界各國(guó)都競(jìng)相研究和應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼，先后開發(fā)了第二、三代及復(fù)合微合金化非調(diào)質(zhì)鋼，從而擴(kuò)大了非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用領(lǐng)域。
國(guó)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(jié)果表明，晶粒細(xì)化是唯一能使鋼強(qiáng)化且韌化的有效手段，析出強(qiáng)化也是微合金鋼的一種主要強(qiáng)化機(jī)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(xì)小質(zhì)點(diǎn)形式存在，可作為鋼冷卻過程中的外來形核核心，因而能有效地改善鋼的性能。
德國(guó)、瑞典和日本對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼研究與應(yīng)用較好。國(guó)外強(qiáng)度級(jí)別900 MPa以上非調(diào)質(zhì)鋼及其應(yīng)用。德國(guó)大眾使用 27MnSiVS6 非調(diào)質(zhì)鋼制造的轎車連桿年產(chǎn)250萬件；瑞典Volvo公司每年約耗用 25 000 t 鋼材用于制造汽車零件；美國(guó)福特、意大利菲亞特及俄羅斯伏爾加汽車廠都采用非調(diào)質(zhì)鋼來制造其曲軸、連桿等零件。近幾年，日本在非調(diào)質(zhì)鋼方面的推廣應(yīng)用及新鋼種、新技術(shù)的開發(fā)方面已占據(jù)世界領(lǐng)先地位。2004年日本汽車用特殊鋼為 319 萬 t，其中非調(diào)質(zhì)鋼為 204 萬 t，占64%。美國(guó)已成功研究具有自己特點(diǎn)的第二類非調(diào)質(zhì)鋼，并由美國(guó)查帕爾鋼公司的 Wright，提出了第三代非調(diào)質(zhì)鋼的概念，并將非調(diào)質(zhì)鋼的組織擴(kuò)展至低碳馬氏體。俄羅斯研究的30ХГФБ、30ХГБТ和 30ХГФТ鋼，其強(qiáng)韌性比一般非調(diào)質(zhì)鋼高得多，甚至達(dá)到40ХГН 調(diào)質(zhì)鋼的水平。
2.2 國(guó)內(nèi)非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展及應(yīng)用
我國(guó)非調(diào)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，三類非調(diào)質(zhì)鋼沖擊值與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系見圖1。抗拉強(qiáng)度900 MPa 以下的 Mn-V 系列（如 35MnVSX、C38N2、48MnVS 等），主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、半軸等軸桿零件；抗拉強(qiáng)度大于 900 MPa 的如 C70S6、40CrMnVB，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向節(jié)背、前軸等零件；抗拉強(qiáng)度大于 950 MPa 的如FAS2237、70MnVS4、35CrMnVS 等，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿；新型貝氏體基非調(diào)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(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌化手段
3.1 合理利用強(qiáng)化元素提高強(qiáng)韌性
碳是最有效的強(qiáng)化元素，合理增加碳含量有利于增加珠光體百分?jǐn)?shù)、提高材料強(qiáng)度、從而使韌性下降。Mn、Cr元素以固溶強(qiáng)化方式強(qiáng)化珠光體和鐵素體，并擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，有利于珠光體百分?jǐn)?shù)增加，同時(shí)減小珠光體片間距，使?jié)B碳體變薄。此外非調(diào)質(zhì)鋼中一般含有 V、Nb、Ti、N 等微量元素，這些元素以細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化方式同時(shí)提高材料強(qiáng)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(kuò)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(kuò)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(kuò)展能量。
3.2 晶粒細(xì)化法提高強(qiáng)韌性
細(xì)化鋼的晶粒能有效地提高鋼的韌性、保持高強(qiáng)度。非調(diào)質(zhì)鋼中常添加Al、Ti等元素，通過析出AlN、TiN來釘扎奧氏體晶界，提高奧氏體晶粒長(zhǎng)大激活能量，在加熱時(shí)阻止晶粒長(zhǎng)大，在形變過程中抑制奧氏體再結(jié)晶，細(xì)化奧氏體晶粒。
微合金元素的復(fù)合加入比單獨(dú)加入作用更大，如用Ti-V復(fù)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作為最早開發(fā)的非調(diào)質(zhì)鋼，其室溫沖擊韌性一直是制約其進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的主要因素，為了提高其室溫沖擊韌性，近期研究發(fā)現(xiàn)在鋼中添加一定量的Ti和少量的O，配以適當(dāng)?shù)腻懺旃に嚕瑠W氏體平均晶粒直徑可從原來的110 μm下降到40 μm。加Ti與不加Ti鋼斷裂試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，其裂紋產(chǎn)生能量相近，而含Ti鋼因其組織精細(xì)裂紋擴(kuò)展阻力加大，裂紋擴(kuò)展能量提高，因而韌性提高。
4 硫化物對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼的影響
硫化物在非調(diào)質(zhì)鋼中的有益作用，一方面是改善非調(diào)質(zhì)鋼的切削性能；另一方面是細(xì)化晶粒。關(guān)于硫化物細(xì)化晶粒，目前在非調(diào)質(zhì)鋼領(lǐng)域最主流的觀點(diǎn)是促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形成。高村等人認(rèn)為，通過氧化物冶金技術(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(cuò)配率小，從而在其上面形成晶內(nèi)鐵素體。
5 我國(guó)汽車用非調(diào)質(zhì)鋼的問題及建議
我國(guó)非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用數(shù)量和品種與國(guó)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(diào)質(zhì)鋼與國(guó)外有較大差距，難以滿足汽車工業(yè)應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼制件功能和輕量化的要求。目前我國(guó)汽車用非調(diào)質(zhì)的發(fā)展過程中還存在以下問題。
a.標(biāo)準(zhǔn)體系不完善。目前執(zhí)行的`“非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼”標(biāo)準(zhǔn)涵蓋鋼種面較小，約占目前用戶所使用非調(diào)質(zhì)鋼鋼號(hào)的 30%。在非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用中，國(guó)外有相應(yīng)的各類型標(biāo)準(zhǔn)，如意大利的依維柯公司，與脹斷連桿相關(guān)非調(diào)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)就有6項(xiàng)，而我國(guó)這類標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重缺失，影響了非調(diào)質(zhì)鋼的推廣和應(yīng)用；
b.汽車用非調(diào)制鋼結(jié)構(gòu)件性能需求不明確 汽車廠對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)件的性能評(píng)價(jià)不全面，僅簡(jiǎn)單的用調(diào)質(zhì)鋼的標(biāo)準(zhǔn)來要求非調(diào)質(zhì)鋼，使得非調(diào)質(zhì)鋼在使用過程無參考依據(jù)。從而限制了非調(diào)質(zhì)鋼在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和推廣；
c.汽車用非調(diào)質(zhì)鋼品種有待增加、性能有待提升。目前國(guó)內(nèi)高強(qiáng)韌性、高性價(jià)比的非調(diào)質(zhì)鋼種品種不足。成分波動(dòng)范圍大，性能不穩(wěn)定。如日本新日鐵不同爐號(hào)之間的成分幾乎相同，而我國(guó)不同爐號(hào)成分差距很大，甚至判若兩個(gè)鋼號(hào)；
d.硫化物形態(tài)、尺寸的控制手段不足。硫化物對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼組織和性能的影響機(jī)理需深入研究，無硫化物形態(tài)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。硫化物的形態(tài)、分布及大小對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼組織和性能有較大影響。硫化物除了可以提高非調(diào)制鋼切削性能、細(xì)化晶粒外，還對(duì)非調(diào)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(jī)理研究也有待進(jìn)一步深入。
針對(duì)目前國(guó)內(nèi)汽車用非調(diào)質(zhì)鋼存在的問題，提出以下幾個(gè)方面的發(fā)展建議。
a.汽車用非調(diào)質(zhì)鋼部件功能數(shù)據(jù)的積累。對(duì)典型汽車用非調(diào)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(duì)零件功能影響的基礎(chǔ)上，制定和完善產(chǎn)品的相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。提高我國(guó)非調(diào)質(zhì)剛的冶金水平，以保證非調(diào)質(zhì)鋼成分、性能及C當(dāng)量的一致性；
b.開發(fā)高強(qiáng)韌性、高性價(jià)比的非調(diào)質(zhì)鋼，以滿足汽車構(gòu)件輕量化和構(gòu)件的特殊性能要求（如高壓共軌零部件）。開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、高性價(jià)比的非調(diào)質(zhì)鋼（如38MnNS5），滿足量大、面廣的汽車非調(diào)質(zhì)鋼構(gòu)件的需求；
c.進(jìn)行非調(diào)質(zhì)鋼工藝分析。對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、高強(qiáng)、高韌非調(diào)質(zhì)鋼的冶金、軋（鍛）制和控冷過程中的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行研究，相關(guān)牌號(hào)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)地檢測(cè)，結(jié)合零部件的制作工藝和使用要求，系統(tǒng)研究非調(diào)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(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并準(zhǔn)確測(cè)量鋼種的CCT曲線，作為控軋（鍛）分段控制冷技術(shù)研究和非調(diào)質(zhì)鋼性能預(yù)測(cè)的基本依據(jù)；
d.研究微合金化作用。研究復(fù)合微合金化作用，優(yōu)化合金含量，優(yōu)化高性價(jià)比的大截面非調(diào)質(zhì)鋼的成分體系和工藝流程，建立大尺寸非調(diào)質(zhì)鋼零件的制造工藝和性能預(yù)測(cè)系統(tǒng)。并在經(jīng)表面淬火強(qiáng)化的零件用非調(diào)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(duì)非調(diào)質(zhì)鋼組織、性能的影響機(jī)理研究。研究高硫易切非調(diào)質(zhì)鋼中硫化物形態(tài)、大小、尺寸等對(duì)非調(diào)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(diào)質(zhì)鋼硫化物形態(tài)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖譜的試驗(yàn)依據(jù)。
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