浅谈汽车用非调质钢的应用现状与发展
作者：admin2014-11-17 11:44阅读：
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1 前言
近年来，随着汽车产量和汽车保有量的不断增加，汽车工业钢铁材料消耗量也在不断增加。据统计，2009～2012 年汽车工业钢材消耗量分别4 500万t、6 000万t、6 500万t和6 800万t。传统汽车零件以中碳钢棒材为坯料，热锻成型后进行调质处理来提高强度和韧性，缺点是能耗高、工序多、周期长、污染重、成本高、效率低，且普遍存在淬透性不足，调质后零件芯部得不到强韧性匹配较好的组织。随着冶金技术的进步，为了解决以上问题，在20世纪70年代末开发了一类新钢种即微合金非调质钢。
汽车工业用钢在追求更高的零部件强韧性匹配度的同时更注重减轻重量，降低成本。非调质钢通过微合金化、氧化物冶金技术及控轧控冷技术等便可实现高的强韧性匹配度，是满足上述需求的有效途径。非调质钢的应用不仅可以省略调质过程、节省 30%～40%零件制造能耗、还可以降低20%成本。另外，应用非调质钢可减少调质过程中淬火引起的变形开裂，从而简化矫直工序。因此非调质钢在汽车工业的应用可以显著降低汽车零件制造过程中的能源消耗。目前国外非调质钢的品种和用量都远高于中国汽车工业，因此开发高强韧性、高切削加工性、低成本的非调质钢，扩大非调质钢在我国汽车工业中的应用，以满足我国汽车工业节能减排和轻量化需求。
2 国内外非调质钢的历史及应用现状
2.1 国外非调质钢的历史及应用现状
20世纪70年代初，石油危机促使世界各国开始研制非调质钢，用以代替碳素结构钢和低合金结构钢。20世纪80年代初，德国蒂森公司率先开发了一类新型钢种，即非调质钢，并以49MnVS3为代表的非调质钢号提供给汽车工业，至今该钢号已经取代了 50Mn、40Cr 等一系列调质钢，用于制造汽车的锻造曲轴。随后，世界各国都竞相研究和应用非调质钢，先后开发了第二、三代及复合微合金化非调质钢，从而扩大了非调质钢的应用领域。
国外关于含有Nb、V、Ti或Al的微合金钢晶粒尺寸与性能之间关系的研究结果表明，晶粒细化是唯一能使钢强化且韧化的有效手段，析出强化也是微合金钢的一种主要强化机制。微合金化元素如V、Ti、Nb是碳化物、氮化物形成元素，由于这些元素的碳化物或氮化物以细小质点形式存在，可作为钢冷却过程中的外来形核核心，因而能有效地改善钢的性能。
德国、瑞典和日本对非调质钢研究与应用较好。国外强度级别900 MPa以上非调质钢及其应用。德国大众使用 27MnSiVS6 非调质钢制造的轿车连杆年产250万件；瑞典Volvo公司每年约耗用 25 000 t 钢材用于制造汽车零件；美国福特、意大利菲亚特及俄罗斯伏尔加汽车厂都采用非调质钢来制造其曲轴、连杆等零件。近几年，日本在非调质钢方面的推广应用及新钢种、新技术的开发方面已占据世界领先地位。2004年日本汽车用特殊钢为 319 万 t，其中非调质钢为 204 万 t，占64%。美国已成功研究具有自己特点的第二类非调质钢，并由美国查帕尔钢公司的 Wright，提出了第三代非调质钢的概念，并将非调质钢的组织扩展至低碳马氏体。俄罗斯研究的30ХГФБ、30ХГБТ和 30ХГФТ钢，其强韧性比一般非调质钢高得多，甚至达到40ХГН 调质钢的水平。
2.2 国内非调质钢的发展及应用
我国非调质钢先后经历了铁素体-珠光体型、贝氏体型、马氏体型等三个阶段的发展，三类非调质钢冲击值与抗拉强度的关系见图1。抗拉强度900 MPa 以下的 Mn-V 系列（如 35MnVSX、C38N2、48MnVS 等），主要用于发动机曲轴、连杆、半轴等轴杆零件；抗拉强度大于 900 MPa 的如 C70S6、40CrMnVB，主要用于发动机连杆、转向节和转向节背、前轴等零件；抗拉强度大于 950 MPa 的如FAS2237、70MnVS4、35CrMnVS 等，主要用于发动机的连杆；新型贝氏体基非调质钢30MnCrSiMoVB主要用于曲轴、喷油器、悬架背和高压共轨零件。
3 非调质钢的强韧化手段
3.1 合理利用强化元素提高强韧性
碳是最有效的强化元素，合理增加碳含量有利于增加珠光体百分数、提高材料强度、从而使韧性下降。Mn、Cr元素以固溶强化方式强化珠光体和铁素体，并扩大奥氏体相区，有利于珠光体百分数增加，同时减小珠光体片间距，使渗碳体变薄。此外非调质钢中一般含有 V、Nb、Ti、N 等微量元素，这些元素以细晶强化和沉淀强化方式同时提高材料强度和韧性。
冲击韧性实际取决于材料受冲击时裂纹产生和裂纹扩展两个方面。Mn、Cr有利于提高裂纹产生能量，减小裂纹扩展能量，并最终提高冲击韧性；V、Si有利于铁素体形成和均匀分布，从而提高裂纹扩展能量。
3.2 晶粒细化法提高强韧性
细化钢的晶粒能有效地提高钢的韧性、保持高强度。非调质钢中常添加Al、Ti等元素，通过析出AlN、TiN来钉扎奥氏体晶界，提高奥氏体晶粒长大激活能量，在加热时阻止晶粒长大，在形变过程中抑制奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒。
微合金元素的复合加入比单独加入作用更大，如用Ti-V复合微合金化，则晶粒尺寸和材料性能基本上不受加热温度影响。49MnVS3作为最早开发的非调质钢，其室温冲击韧性一直是制约其进一步扩大应用的主要因素，为了提高其室温冲击韧性，近期研究发现在钢中添加一定量的Ti和少量的O，配以适当的锻造工艺，奥氏体平均晶粒直径可从原来的110 μm下降到40 μm。加Ti与不加Ti钢断裂试验对比结果表明，其裂纹产生能量相近，而含Ti钢因其组织精细裂纹扩展阻力加大，裂纹扩展能量提高，因而韧性提高。
4 硫化物对非调质钢的影响
硫化物在非调质钢中的有益作用，一方面是改善非调质钢的切削性能；另一方面是细化晶粒。关于硫化物细化晶粒，目前在非调质钢领域最主流的观点是促进晶内铁素体形成。高村等人认为，通过氧化物冶金技术，以 FeO、MnO 为质点，形成 MnS 夹杂物，MnS 夹杂物上析出 TiN、VN颗粒，这样析出的 TiN、VN 颗粒与铁素体错配率小，从而在其上面形成晶内铁素体。
5 我国汽车用非调质钢的问题及建议
我国非调质钢应用数量和品种与国外均有较大差距，特别是高性能、高切削加工性、硫化物形态控制、高疲劳性能的非调质钢与国外有较大差距，难以满足汽车工业应用非调质钢制件功能和轻量化的要求。目前我国汽车用非调质的发展过程中还存在以下问题。
a.标准体系不完善。目前执行的“非调质机械结构钢”标准涵盖钢种面较小，约占目前用户所使用非调质钢钢号的 30%。在非调质钢应用中，国外有相应的各类型标准，如意大利的依维柯公司，与胀断连杆相关非调质钢标准及其应用标准就有6项，而我国这类标准严重缺失，影响了非调质钢的推广和应用；
b.汽车用非调制钢结构件性能需求不明确 汽车厂对非调质钢结构件的性能评价不全面，仅简单的用调质钢的标准来要求非调质钢，使得非调质钢在使用过程无参考依据。从而限制了非调质钢在国内的应用和推广；
c.汽车用非调质钢品种有待增加、性能有待提升。目前国内高强韧性、高性价比的非调质钢种品种不足。成分波动范围大，性能不稳定。如日本新日铁不同炉号之间的成分几乎相同，而我国不同炉号成分差距很大，甚至判若两个钢号；
d.硫化物形态、尺寸的控制手段不足。硫化物对非调质钢组织和性能的影响机理需深入研究，无硫化物形态评级标准。硫化物的形态、分布及大小对非调质钢组织和性能有较大影响。硫化物除了可以提高非调制钢切削性能、细化晶粒外，还对非调质钢疲劳极限有明显的影响。但目前其控制手段有限，相关的机理研究也有待进一步深入。
针对目前国内汽车用非调质钢存在的问题，提出以下几个方面的发展建议。
a.汽车用非调质钢部件功能数据的积累。对典型汽车用非调质钢零部件（曲轴、连杆等）进行全面的性能及使用工况分析。在研究各种因素对零件功能影响的基础上，制定和完善产品的相关检测标准。提高我国非调质刚的冶金水平，以保证非调质钢成分、性能及C当量的一致性；
b.开发高强韧性、高性价比的非调质钢，以满足汽车构件轻量化和构件的特殊性能要求（如高压共轨零部件）。开发经济实用、高性价比的非调质钢（如38MnNS5），满足量大、面广的汽车非调质钢构件的需求；
c.进行非调质钢工艺分析。对经济实用、高强、高韧非调质钢的冶金、轧（锻）制和控冷过程中的技术特点进行研究，相关牌号的基础数据进行系统地检测，结合零部件的制作工艺和使用要求，系统研究非调质钢控轧（锻）分段控冷技术与钢材的性能、零部件的功能及本身的物理、力学冶金数据之间的关系，并准确测量钢种的CCT曲线，作为控轧（锻）分段控制冷技术研究和非调质钢性能预测的基本依据；
d.研究微合金化作用。研究复合微合金化作用，优化合金含量，优化高性价比的大截面非调质钢的成分体系和工艺流程，建立大尺寸非调质钢零件的制造工艺和性能预测系统。并在经表面淬火强化的零件用非调质中，添加微合金元素B，以保证表面淬硬层深度；
e.硫化物对非调质钢组织、性能的影响机理研究。研究高硫易切非调质钢中硫化物形态、大小、尺寸等对非调质钢力学性能、疲劳性能及切削性能的影响，作为制定非调质钢硫化物形态评级标准图谱的试验依据。
近年来，随着汽车产量和汽车保有量的不断增加，汽车工业钢铁材料消耗量也在不断增加。据统计，2009～2012 年汽车工业钢材消耗量分别4 500万t、6 000万t、6 500万t和6 800万t。传统汽车零件以中碳钢棒材为坯料，热锻成型后进行调质处理来提高强度和韧性，缺点是能耗高、工序多、周期长、污染重、成本高、效率低，且普遍存在淬透性不足，调质后零件芯部得不到强韧性匹配较好的组织。随着冶金技术的进步，为了解决以上问题，在20世纪70年代末开发了一类新钢种即微合金非调质钢。
汽车工业用钢在追求更高的零部件强韧性匹配度的同时更注重减轻重量，降低成本。非调质钢通过微合金化、氧化物冶金技术及控轧控冷技术等便可实现高的强韧性匹配度，是满足上述需求的有效途径。非调质钢的应用不仅可以省略调质过程、节省 30%～40%零件制造能耗、还可以降低20%成本。另外，应用非调质钢可减少调质过程中淬火引起的变形开裂，从而简化矫直工序。因此非调质钢在汽车工业的应用可以显著降低汽车零件制造过程中的能源消耗。目前国外非调质钢的品种和用量都远高于中国汽车工业，因此开发高强韧性、高切削加工性、低成本的非调质钢，扩大非调质钢在我国汽车工业中的应用，以满足我国汽车工业节能减排和轻量化需求。
2 国内外非调质钢的历史及应用现状
2.1 国外非调质钢的历史及应用现状
20世纪70年代初，石油危机促使世界各国开始研制非调质钢，用以代替碳素结构钢和低合金结构钢。20世纪80年代初，德国蒂森公司率先开发了一类新型钢种，即非调质钢，并以49MnVS3为代表的非调质钢号提供给汽车工业，至今该钢号已经取代了 50Mn、40Cr 等一系列调质钢，用于制造汽车的锻造曲轴。随后，世界各国都竞相研究和应用非调质钢，先后开发了第二、三代及复合微合金化非调质钢，从而扩大了非调质钢的应用领域。
国外关于含有Nb、V、Ti或Al的微合金钢晶粒尺寸与性能之间关系的研究结果表明，晶粒细化是唯一能使钢强化且韧化的有效手段，析出强化也是微合金钢的一种主要强化机制。微合金化元素如V、Ti、Nb是碳化物、氮化物形成元素，由于这些元素的碳化物或氮化物以细小质点形式存在，可作为钢冷却过程中的外来形核核心，因而能有效地改善钢的性能。
德国、瑞典和日本对非调质钢研究与应用较好。国外强度级别900 MPa以上非调质钢及其应用。德国大众使用 27MnSiVS6 非调质钢制造的轿车连杆年产250万件；瑞典Volvo公司每年约耗用 25 000 t 钢材用于制造汽车零件；美国福特、意大利菲亚特及俄罗斯伏尔加汽车厂都采用非调质钢来制造其曲轴、连杆等零件。近几年，日本在非调质钢方面的推广应用及新钢种、新技术的开发方面已占据世界领先地位。2004年日本汽车用特殊钢为 319 万 t，其中非调质钢为 204 万 t，占64%。美国已成功研究具有自己特点的第二类非调质钢，并由美国查帕尔钢公司的 Wright，提出了第三代非调质钢的概念，并将非调质钢的组织扩展至低碳马氏体。俄罗斯研究的30ХГФБ、30ХГБТ和 30ХГФТ钢，其强韧性比一般非调质钢高得多，甚至达到40ХГН 调质钢的水平。
2.2 国内非调质钢的发展及应用
我国非调质钢先后经历了铁素体-珠光体型、贝氏体型、马氏体型等三个阶段的发展，三类非调质钢冲击值与抗拉强度的关系见图1。抗拉强度900 MPa 以下的 Mn-V 系列（如 35MnVSX、C38N2、48MnVS 等），主要用于发动机曲轴、连杆、半轴等轴杆零件；抗拉强度大于 900 MPa 的如 C70S6、40CrMnVB，主要用于发动机连杆、转向节和转向节背、前轴等零件；抗拉强度大于 950 MPa 的如FAS2237、70MnVS4、35CrMnVS 等，主要用于发动机的连杆；新型贝氏体基非调质钢30MnCrSiMoVB主要用于曲轴、喷油器、悬架背和高压共轨零件。
3 非调质钢的强韧化手段
3.1 合理利用强化元素提高强韧性
碳是最有效的强化元素，合理增加碳含量有利于增加珠光体百分数、提高材料强度、从而使韧性下降。Mn、Cr元素以固溶强化方式强化珠光体和铁素体，并扩大奥氏体相区，有利于珠光体百分数增加，同时减小珠光体片间距，使渗碳体变薄。此外非调质钢中一般含有 V、Nb、Ti、N 等微量元素，这些元素以细晶强化和沉淀强化方式同时提高材料强度和韧性。
冲击韧性实际取决于材料受冲击时裂纹产生和裂纹扩展两个方面。Mn、Cr有利于提高裂纹产生能量，减小裂纹扩展能量，并最终提高冲击韧性；V、Si有利于铁素体形成和均匀分布，从而提高裂纹扩展能量。
3.2 晶粒细化法提高强韧性
细化钢的晶粒能有效地提高钢的韧性、保持高强度。非调质钢中常添加Al、Ti等元素，通过析出AlN、TiN来钉扎奥氏体晶界，提高奥氏体晶粒长大激活能量，在加热时阻止晶粒长大，在形变过程中抑制奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒。
微合金元素的复合加入比单独加入作用更大，如用Ti-V复合微合金化，则晶粒尺寸和材料性能基本上不受加热温度影响。49MnVS3作为最早开发的非调质钢，其室温冲击韧性一直是制约其进一步扩大应用的主要因素，为了提高其室温冲击韧性，近期研究发现在钢中添加一定量的Ti和少量的O，配以适当的锻造工艺，奥氏体平均晶粒直径可从原来的110 μm下降到40 μm。加Ti与不加Ti钢断裂试验对比结果表明，其裂纹产生能量相近，而含Ti钢因其组织精细裂纹扩展阻力加大，裂纹扩展能量提高，因而韧性提高。
4 硫化物对非调质钢的影响
硫化物在非调质钢中的有益作用，一方面是改善非调质钢的切削性能；另一方面是细化晶粒。关于硫化物细化晶粒，目前在非调质钢领域最主流的观点是促进晶内铁素体形成。高村等人认为，通过氧化物冶金技术，以 FeO、MnO 为质点，形成 MnS 夹杂物，MnS 夹杂物上析出 TiN、VN颗粒，这样析出的 TiN、VN 颗粒与铁素体错配率小，从而在其上面形成晶内铁素体。
5 我国汽车用非调质钢的问题及建议
我国非调质钢应用数量和品种与国外均有较大差距，特别是高性能、高切削加工性、硫化物形态控制、高疲劳性能的非调质钢与国外有较大差距，难以满足汽车工业应用非调质钢制件功能和轻量化的要求。目前我国汽车用非调质的发展过程中还存在以下问题。
a.标准体系不完善。目前执行的“非调质机械结构钢”标准涵盖钢种面较小，约占目前用户所使用非调质钢钢号的 30%。在非调质钢应用中，国外有相应的各类型标准，如意大利的依维柯公司，与胀断连杆相关非调质钢标准及其应用标准就有6项，而我国这类标准严重缺失，影响了非调质钢的推广和应用；
b.汽车用非调制钢结构件性能需求不明确 汽车厂对非调质钢结构件的性能评价不全面，仅简单的用调质钢的标准来要求非调质钢，使得非调质钢在使用过程无参考依据。从而限制了非调质钢在国内的应用和推广；
c.汽车用非调质钢品种有待增加、性能有待提升。目前国内高强韧性、高性价比的非调质钢种品种不足。成分波动范围大，性能不稳定。如日本新日铁不同炉号之间的成分几乎相同，而我国不同炉号成分差距很大，甚至判若两个钢号；
d.硫化物形态、尺寸的控制手段不足。硫化物对非调质钢组织和性能的影响机理需深入研究，无硫化物形态评级标准。硫化物的形态、分布及大小对非调质钢组织和性能有较大影响。硫化物除了可以提高非调制钢切削性能、细化晶粒外，还对非调质钢疲劳极限有明显的影响。但目前其控制手段有限，相关的机理研究也有待进一步深入。
针对目前国内汽车用非调质钢存在的问题，提出以下几个方面的发展建议。
a.汽车用非调质钢部件功能数据的积累。对典型汽车用非调质钢零部件（曲轴、连杆等）进行全面的性能及使用工况分析。在研究各种因素对零件功能影响的基础上，制定和完善产品的相关检测标准。提高我国非调质刚的冶金水平，以保证非调质钢成分、性能及C当量的一致性；
b.开发高强韧性、高性价比的非调质钢，以满足汽车构件轻量化和构件的特殊性能要求（如高压共轨零部件）。开发经济实用、高性价比的非调质钢（如38MnNS5），满足量大、面广的汽车非调质钢构件的需求；
c.进行非调质钢工艺分析。对经济实用、高强、高韧非调质钢的冶金、轧（锻）制和控冷过程中的技术特点进行研究，相关牌号的基础数据进行系统地检测，结合零部件的制作工艺和使用要求，系统研究非调质钢控轧（锻）分段控冷技术与钢材的性能、零部件的功能及本身的物理、力学冶金数据之间的关系，并准确测量钢种的CCT曲线，作为控轧（锻）分段控制冷技术研究和非调质钢性能预测的基本依据；
d.研究微合金化作用。研究复合微合金化作用，优化合金含量，优化高性价比的大截面非调质钢的成分体系和工艺流程，建立大尺寸非调质钢零件的制造工艺和性能预测系统。并在经表面淬火强化的零件用非调质中，添加微合金元素B，以保证表面淬硬层深度；
e.硫化物对非调质钢组织、性能的影响机理研究。研究高硫易切非调质钢中硫化物形态、大小、尺寸等对非调质钢力学性能、疲劳性能及切削性能的影响，作为制定非调质钢硫化物形态评级标准图谱的试验依据。
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