淺談汽車用非調質鋼的應用現狀與發展論文
1 前言
近年來，隨著汽車產量和汽車保有量的不斷增加，汽車工業鋼鐵材料消耗量也在不斷增加。據統計，2009～2012 年汽車工業鋼材消耗量分別4500萬t、6000萬t、6500萬t和6 800萬t。傳統汽車零件以中碳鋼棒材為坯料，熱鍛成型后進行調質處理來提高強度和韌性，缺點是能耗高、工序多、周期長、污染重、成本高、效率低，且普遍存在淬透性不足，調質后零件芯部得不到強韌性匹配較好的組織。隨著冶金技術的進步，為了解決以上問題，在20世紀70年代末開發了一類新鋼種即微合金非調質鋼。
汽車工業用鋼在追求更高的零部件強韌性匹配度的同時更注重減輕重量，降低成本。非調質鋼通過微合金化、氧化物冶金技術及控軋控冷技術等便可實現高的強韌性匹配度，是滿足上述需求的有效途徑。非調質鋼的應用不僅可以省略調質過程、節省 30%～40%零件制造能耗、還可以降低20%成本。另外，應用非調質鋼可減少調質過程中淬火引起的變形開裂，從而簡化矯直工序。因此非調質鋼在汽車工業的應用可以顯著降低汽車零件制造過程中的能源消耗。目前國外非調質鋼的品種和用量都遠高于中國汽車工業，因此開發高強韌性、高切削加工性、低成本的非調質鋼，擴大非調質鋼在我國汽車工業中的應用，以滿足我國汽車工業節能減排和輕量化需求。
2 國內外非調質鋼的歷史及應用現狀
2.1 國外非調質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始研制非調質鋼，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發了一類新型鋼種，即非調質鋼，并以49MnVS3為代表的非調質鋼號提供給汽車工業，至今該鋼號已經取代了 50Mn、40Cr 等一系列調質鋼，用于制造汽車的鍛造曲軸。隨后，世界各國都競相研究和應用非調質鋼，先后開發了第二、三代及復合微合金化非調質鋼，從而擴大了非調質鋼的應用領域。
國外關于含有Nb、V、Ti或Al的微合金鋼晶粒尺寸與性能之間關系的研究結果表明，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點形式存在，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、瑞典和日本對非調質鋼研究與應用較好。國外強度級別900 MPa以上非調質鋼及其應用。德國大眾使用 27MnSiVS6 非調質鋼制造的轎車連桿年產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；美國福特、意大利菲亞特及俄羅斯伏爾加汽車廠都采用非調質鋼來制造其曲軸、連桿等零件。近幾年，日本在非調質鋼方面的推廣應用及新鋼種、新技術的開發方面已占據世界領先地位。2004年日本汽車用特殊鋼為 319 萬 t，其中非調質鋼為 204 萬 t，占64%。美國已成功研究具有自己特點的第二類非調質鋼，并由美國查帕爾鋼公司的 Wright，提出了第三代非調質鋼的概念，并將非調質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鋼高得多，甚至達到40ХГН 調質鋼的水平。
2.2 國內非調質鋼的發展及應用
我國非調質鋼先后經歷了鐵素體-珠光體型、貝氏體型、馬氏體型等三個階段的發展，三類非調質鋼沖擊值與抗拉強度的關系見圖1。抗拉強度900 MPa 以下的 Mn-V 系列（如 35MnVSX、C38N2、48MnVS 等），主要用于發動機曲軸、連桿、半軸等軸桿零件；抗拉強度大于 900 MPa 的如 C70S6、40CrMnVB，主要用于發動機連桿、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，主要用于發動機的連桿；新型貝氏體基非調質鋼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，同時減小珠光體片間距，使滲碳體變薄。此外非調質鋼中一般含有 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提高材料強度和韌性。
沖擊韌性實際取決于材料受沖擊時裂紋產生和裂紋擴展兩個方面。Mn、Cr有利于提高裂紋產生能量，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，提高奧氏體晶粒長大激活能量，在加熱時阻止晶粒長大，在形變過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作為最早開發的非調質鋼，其室溫沖擊韌性一直是制約其進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 硫化物對非調質鋼的影響
硫化物在非調質鋼中的有益作用，一方面是改善非調質鋼的切削性能；另一方面是細化晶粒。關于硫化物細化晶粒，目前在非調質鋼領域最主流的觀點是促進晶內鐵素體形成。高村等人認為，通過氧化物冶金技術，以 FeO、MnO 為質點，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 我國汽車用非調質鋼的問題及建議
我國非調質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、硫化物形態控制、高疲勞性能的非調質鋼與國外有較大差距，難以滿足汽車工業應用非調質鋼制件功能和輕量化的要求。目前我國汽車用非調質的發展過程中還存在以下問題。
a.標準體系不完善。目前執行的`“非調質機械結構鋼”標準涵蓋鋼種面較小，約占目前用戶所使用非調質鋼鋼號的 30%。在非調質鋼應用中，國外有相應的各類型標準，如意大利的依維柯公司，與脹斷連桿相關非調質鋼標準及其應用標準就有6項，而我國這類標準嚴重缺失，影響了非調質鋼的推廣和應用；
b.汽車用非調制鋼結構件性能需求不明確 汽車廠對非調質鋼結構件的性能評價不全面，僅簡單的用調質鋼的標準來要求非調質鋼，使得非調質鋼在使用過程無參考依據。從而限制了非調質鋼在國內的應用和推廣；
c.汽車用非調質鋼品種有待增加、性能有待提升。目前國內高強韌性、高性價比的非調質鋼種品種不足。成分波動范圍大，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，甚至判若兩個鋼號；
d.硫化物形態、尺寸的控制手段不足。硫化物對非調質鋼組織和性能的影響機理需深入研究，無硫化物形態評級標準。硫化物的形態、分布及大小對非調質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，還對非調質鋼疲勞極限有明顯的影響。但目前其控制手段有限，相關的機理研究也有待進一步深入。
針對目前國內汽車用非調質鋼存在的問題，提出以下幾個方面的發展建議。
a.汽車用非調質鋼部件功能數據的積累。對典型汽車用非調質鋼零部件（曲軸、連桿等）進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，制定和完善產品的相關檢測標準。提高我國非調質剛的冶金水平，以保證非調質鋼成分、性能及C當量的一致性；
b.開發高強韌性、高性價比的非調質鋼，以滿足汽車構件輕量化和構件的特殊性能要求（如高壓共軌零部件）。開發經濟實用、高性價比的非調質鋼（如38MnNS5），滿足量大、面廣的汽車非調質鋼構件的需求；
c.進行非調質鋼工藝分析。對經濟實用、高強、高韌非調質鋼的冶金、軋（鍛）制和控冷過程中的技術特點進行研究，相關牌號的基礎數據進行系統地檢測，結合零部件的制作工藝和使用要求，系統研究非調質鋼控軋（鍛）分段控冷技術與鋼材的性能、零部件的功能及本身的物理、力學冶金數據之間的關系，并準確測量鋼種的CCT曲線，作為控軋（鍛）分段控制冷技術研究和非調質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，優化合金含量，優化高性價比的大截面非調質鋼的成分體系和工藝流程，建立大尺寸非調質鋼零件的制造工藝和性能預測系統。并在經表面淬火強化的零件用非調質中，添加微合金元素B，以保證表面淬硬層深度；
e.硫化物對非調質鋼組織、性能的影響機理研究。研究高硫易切非調質鋼中硫化物形態、大小、尺寸等對非調質鋼力學性能、疲勞性能及切削性能的影響，作為制定非調質鋼硫化物形態評級標準圖譜的試驗依據。
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