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汽配型小型金材整合鋼質(zhì)的集成—華蓋機械
發(fā)布人員：網(wǎng)站管理員 新聞來(lái)源： 發(fā)布日期：2013-6-25
將淬回火調質(zhì)鋼改成空冷非調質(zhì)鋼的主要驅動(dòng)力是降低成本。通過(guò)下列全部或部分工藝路線(xiàn)可降低總的制造成本：省去熱處理；不需再進(jìn)行校正；縮短訂貨至交貨時(shí)間；減少再加工。
在性能上非調質(zhì)鋼零件比較普通熱處理調質(zhì)鋼的優(yōu)勢為：減少變形；減少機械性能的偏差；整個(gè)斷面上性能均勻一致；改善切削加工性能。20世紀70年代初期，德國發(fā)展了鍛態(tài)微合金化中碳鋼49MnVS3，主要用作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的曲軸，80年代非調質(zhì)鋼得到迅速發(fā)展。曲軸用傳統調質(zhì)鋼CK45（相當于SAE1045，C0142%0145%，Mn015%018%，即45鋼）需要進(jìn)行淬火處理，且能耗高，在淬火時(shí)有淬裂的危險，變形程度大；但是在采用非調質(zhì)鋼49MnVS3時(shí)（C0147%，Mn0175%，V0110%，S0105%），則不需要熱處理設備及有關(guān)熱處理工藝所需之費用，同時(shí)排除了工件產(chǎn)生裂紋和變形的危險。
日本汽車(chē)工業(yè)也在20世紀70年代末期接受了該鋼類(lèi)并加以發(fā)展。到80年代中期，日本鍛造連桿的75%、鍛造曲軸的55%是由微合金非調質(zhì)鋼制造；當時(shí)歐洲鍛造連桿、曲軸和前軸梁有30%35%是由非調質(zhì)鋼制造，隨即非調質(zhì)零碳材鋼的應用范圍又擴大到美國。
英國工程用鋼公司和瑞典實(shí)驗室在70年代聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Vanard系列非調質(zhì)鋼覆蓋的強度范圍為7001000MPa，主要用來(lái)制作曲軸、連桿、輪軸和輪轂。1為Vanard非調質(zhì)鋼、調質(zhì)合金鋼和SG球墨鑄鐵機械性能對比。非調質(zhì)鋼的經(jīng)濟性已在應用中得到體現，Rover集團聲稱(chēng)，在A(yíng)系列1131發(fā)動(dòng)機曲軸使用微合金非調質(zhì)鋼，按1982年價(jià)格每年已經(jīng)節省50萬(wàn)英磅。日本日產(chǎn)汽車(chē)公司有90%的曲軸都已采用非調質(zhì)鋼制造，只是采用非調質(zhì)鋼制造汽車(chē)前輪輪轂后，就使該項生產(chǎn)成本降低45%.空冷鐵素體2珠光體非調質(zhì)鋼通過(guò)適當地選擇鋼中的碳、錳、硅和釩等元素的含量，空冷鐵素體2珠光體非調質(zhì)鋼的強度可達7501150MPa，主要用來(lái)制造曲軸、連桿、輪軸和輪轂。雖然鐵素體2珠光體非調質(zhì)鋼的沖擊韌性低于相等強度的調質(zhì)鋼，但仍可滿(mǎn)足多種鍛制品的使用要求，且其沖擊韌性高于鑄鐵。為提高韌性，一種辦法是加微量鈦形成氮化鈦以細化晶粒；另一種辦法是即使奧氏體組織較粗，可在原奧氏體晶粒內形成大量晶粒內鐵素體核心，生成細的鐵素體2珠光體組織。用VC和VN作為形成晶內鐵素體的核心，這種晶內鐵素體型鋼比加鈦微合金化鋼的鐵素體2珠光體組織更細。
強度和韌性德國的DIN49MnVS在空冷狀態(tài)下的強度極限超過(guò)850MPa，它是通過(guò)高體積百分比的相對/稀釋珠光體（低的平均碳含量）和在多角鐵素體和珠光體型鐵素體（共析鐵素體）中的V（C，N）沉淀進(jìn)行強化，替代Mn和Mn2Cr型調質(zhì)鋼。可以通過(guò)增加鋼材鍛后的冷卻速度來(lái)提高零件的強度，因為冷速的提高（由自然冷卻改為風(fēng)冷）可以得到大量的細珠光體和更小的V（C，N）沉淀。應提出的是加011%V可有效地在連續冷卻轉變（CCT）圖上將珠光體向貝氏體轉變移向較快的冷卻速度，因而減少了在以后正常的工藝下產(chǎn)生后一種轉變。
一般空冷非調質(zhì)鋼是在碳素鋼的基礎上添加少量元素Nb、V、Ti或Mo（<0125%），與含較高合金元素的調質(zhì)鋼相比，微合金化非調質(zhì)鋼使成分與熱加工工藝相結合以獲得高的性能。在這種情況下，非調質(zhì)鋼的組織可能含75%的珠光體和25%的鐵素體。
實(shí)踐表明，降低碳含量，增加Mn或Cr含量有利于提高非調質(zhì)鋼的韌性。降低碳含量對鋼的強度損失較大，但顯著(zhù)提高沖擊韌性，主要原因是減少鋼中的珠光體數量。適當地提高鋼中的Mn含量，當Mn含量由0185%增加至1115%1130%時(shí)，則在同一強度下非調質(zhì)鋼的韌性提高30JPcm2，與調質(zhì)碳鋼相當。
通常采用加微量鈦細化奧氏體晶粒，以便形成很細的先共析鐵素體晶粒和珠光體，來(lái)改善鋼的韌性。雖然降低軋制和鍛造溫度也有利于改善非調質(zhì)鋼的韌性，但會(huì )增加鍛造和軋制的能耗，降低鍛軋設備的生產(chǎn)能力。非調質(zhì)鋼的強度和韌性一般都隨熱加工后的冷卻速度的增加而提高，且韌性的提高更為顯著(zhù)。
但如果冷卻速度高于65ePmin，盡管可以獲得較細的晶粒，但韌性明顯降低。為了獲得細晶粒，鍛造后在700e以上溫度應迅速冷卻，而后緩冷到600e以下，600700e區間相當于相轉變溫度，冷卻速度對轉變產(chǎn)物鐵素體和珠光體的形態(tài)，及兩相的相對量都有重要影響。如將加熱后的非調質(zhì)鋼冷卻到800e左右再進(jìn)行適量的熱作變形，或將終加工溫度降至800e以下，可以顯著(zhù)提高非調質(zhì)鋼的韌性。
高韌性非調質(zhì)鋼的發(fā)展鐵素體2珠光體非調質(zhì)鋼通常為中碳鋼，加入釩等微量元素，通過(guò)增加珠光體量和碳化釩等沉淀強化來(lái)提高鋼的強度，如成分和熱加工工藝合理，完全可以達到淬火回火鋼9001000MPa的強度水平。但非調質(zhì)鋼為鐵素體2珠光體組織，其韌性一般都低于調質(zhì)鋼的回火索氏體組織，再加上共格析出物的沉淀強化，則進(jìn)一步降低了鋼的韌性，使非調質(zhì)鋼在承受沖擊負荷零部件上的應用受到限制。為了克服非調質(zhì)鋼韌性不足，促進(jìn)了高韌性非調質(zhì)鋼的發(fā)展。
調質(zhì)鋼的強韌性主要受化學(xué)成分和熱處理工藝的影響，而非調質(zhì)鋼的強韌性除受化學(xué)成分影響外還受加熱溫度、熱加工和冷卻速度的影響。熱加工的應變量影響碳化物的析出，進(jìn)而影響再結晶過(guò)程。應變量大，析出物的孕育期和完成期就較短。微合金化非調質(zhì)鋼用工藝手段細化鐵素體晶粒尺寸，減少珠光體中Fe3C的片厚和片間距，既可提高鋼的強度又可提高鋼的韌性。所以對非調質(zhì)鋼來(lái)說(shuō)，除合理選擇和精確控制鋼的成分外，嚴格鍛、軋工藝是鋼材獲得高強韌性能的必要條件。
化學(xué)成分對非調質(zhì)鋼強韌性的影響化學(xué)成分對非調質(zhì)鋼的強度和韌性的影響可歸納如下：（1）提高強度，降低韌性的元素有C、N、V、Nb、P.（2）提高強度同時(shí)還能改善韌性的元素有Mn、Cr、Cu+Ni、Mo.20世紀80年代已開(kāi)發(fā)了中碳錳鉻非調質(zhì)鋼：0145C21Mn2015Cr2011V，稱(chēng)之為IVA1000.其抗拉強度和疲勞強度均優(yōu)于調質(zhì)鋼水平，沖擊韌性可通過(guò)熱加工和低溫正火得到改善。（3）固溶Al對強度和韌性幾乎沒(méi)有影響，但以AlN形式存在可以細化晶粒，改善鋼的韌性。（4）Ti在非調質(zhì)鋼中的作用是降低強度，改善韌性。在Mn含量為110%215%時(shí)，加入0101%0105%Ti，可以有效地改善鋼的韌性。
采用回歸分析的方法可得出各元素對V2形缺口沖擊值和硬度的影響。為了得到高質(zhì)量和性能穩定的非調質(zhì)鋼，有的采用超純凈鋼冶煉技術(shù)，使化學(xué)成分控制在很窄的范圍內，如曲軸用非調質(zhì)鋼，要求成分波動(dòng)范圍為：C0103%，Mn0110%，V0103%，同時(shí)限定Cr、Mo含量。
晶粒細化對非調質(zhì)鋼韌性的影響除上面提到的加入適當Ti、Al、N來(lái)細化鋼的奧氏體晶粒外，加工工藝也是影響奧氏體晶粒的重要因素。加工溫度高，再結晶速度快，奧氏體晶粒大，冷卻后鋼中珠光體量增加，強度增高，韌性下降。加工溫度低時(shí)，因產(chǎn)生形變誘發(fā)析出，再結晶核心增加，再結晶后的晶粒長(cháng)大的驅動(dòng)力小，晶粒細化，鋼的強度變化不大，但可以大幅度提高韌性。研究表明，隨著(zhù)精軋溫度的降低，沖擊值提高。在同一溫度下加工量增加，強度和韌性可以同時(shí)提高。
熱加工后冷卻速度亦影響鋼的晶粒大小，如熱變形是在珠光體轉變的溫度以上變形，在變形后對于斷面尺寸較大鋼材或鍛件的冷速應加快以防止晶粒長(cháng)大。冷卻速度過(guò)慢也會(huì )使析出物的顆粒變粗，亦不利于韌性的提高。對小規格的鋼材或鍛件應避免加工后過(guò)快的冷卻，否則會(huì )產(chǎn)生殘余應力，并且有可能生成貝氏體組織，從而影響鋼的室溫韌性提高。
形成晶內鐵素體改善非調質(zhì)鋼的韌性雖然采用加鈦形成彌散的TiN顆粒能有效地阻止奧氏體晶粒粗化，但與淬回火調質(zhì)鋼相比，含微量Ti的非調質(zhì)鋼的韌性仍顯不足。因為在這種情況下，當鋼加熱至1250e時(shí)難以保持鋼的奧氏體晶粒比7級還細。
非調質(zhì)鋼在熱加工后的冷卻過(guò)程中，首先鐵素體沿奧氏體晶界成核生長(cháng)，其余奧氏體轉變成珠光體團。這種由鐵素體網(wǎng)包圍的珠光體的組織結構的韌性很差。
從另一方面來(lái)看，如果能在原奧氏體晶粒內產(chǎn)生大量的鐵素體晶核，則即使奧氏體晶粒粗大，也可以獲得細小的鐵素體2珠光體組織。VC和VN可作為晶內鐵素體的核心，為了生成晶內鐵素體必須同時(shí)加釩和氮。研究發(fā)現當鋼中硫含量增加，晶內鐵素體量增加，這樣能明顯增加熱鍛材的韌性。
結束
（1）自20世紀70年代以來(lái)，因非調質(zhì)鋼具有節約能源、減少工件變形和開(kāi)裂、減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各主要工業(yè)化國家的普遍重視，尤其是改善非調質(zhì)鋼韌性新技術(shù)的采用，完善了非調質(zhì)鋼系列產(chǎn)品，擴大了非調質(zhì)鋼的使用范圍，并大規模應用于機械制造業(yè)，尤其是汽車(chē)工業(yè)。（2）我國非調質(zhì)鋼在應用上、標準水平和實(shí)物質(zhì)量穩定性等方面均有所進(jìn)展，但應開(kāi)發(fā)高性能非調質(zhì)鋼。
在性能上非調質(zhì)鋼零件比較普通熱處理調質(zhì)鋼的優(yōu)勢為：減少變形；減少機械性能的偏差；整個(gè)斷面上性能均勻一致；改善切削加工性能。20世紀70年代初期，德國發(fā)展了鍛態(tài)微合金化中碳鋼49MnVS3，主要用作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的曲軸，80年代非調質(zhì)鋼得到迅速發(fā)展。曲軸用傳統調質(zhì)鋼CK45（相當于SAE1045，C0142%0145%，Mn015%018%，即45鋼）需要進(jìn)行淬火處理，且能耗高，在淬火時(shí)有淬裂的危險，變形程度大；但是在采用非調質(zhì)鋼49MnVS3時(shí)（C0147%，Mn0175%，V0110%，S0105%），則不需要熱處理設備及有關(guān)熱處理工藝所需之費用，同時(shí)排除了工件產(chǎn)生裂紋和變形的危險。
日本汽車(chē)工業(yè)也在20世紀70年代末期接受了該鋼類(lèi)并加以發(fā)展。到80年代中期，日本鍛造連桿的75%、鍛造曲軸的55%是由微合金非調質(zhì)鋼制造；當時(shí)歐洲鍛造連桿、曲軸和前軸梁有30%35%是由非調質(zhì)鋼制造，隨即非調質(zhì)零碳材鋼的應用范圍又擴大到美國。
英國工程用鋼公司和瑞典實(shí)驗室在70年代聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Vanard系列非調質(zhì)鋼覆蓋的強度范圍為7001000MPa，主要用來(lái)制作曲軸、連桿、輪軸和輪轂。1為Vanard非調質(zhì)鋼、調質(zhì)合金鋼和SG球墨鑄鐵機械性能對比。非調質(zhì)鋼的經(jīng)濟性已在應用中得到體現，Rover集團聲稱(chēng)，在A(yíng)系列1131發(fā)動(dòng)機曲軸使用微合金非調質(zhì)鋼，按1982年價(jià)格每年已經(jīng)節省50萬(wàn)英磅。日本日產(chǎn)汽車(chē)公司有90%的曲軸都已采用非調質(zhì)鋼制造，只是采用非調質(zhì)鋼制造汽車(chē)前輪輪轂后，就使該項生產(chǎn)成本降低45%.空冷鐵素體2珠光體非調質(zhì)鋼通過(guò)適當地選擇鋼中的碳、錳、硅和釩等元素的含量，空冷鐵素體2珠光體非調質(zhì)鋼的強度可達7501150MPa，主要用來(lái)制造曲軸、連桿、輪軸和輪轂。雖然鐵素體2珠光體非調質(zhì)鋼的沖擊韌性低于相等強度的調質(zhì)鋼，但仍可滿(mǎn)足多種鍛制品的使用要求，且其沖擊韌性高于鑄鐵。為提高韌性，一種辦法是加微量鈦形成氮化鈦以細化晶粒；另一種辦法是即使奧氏體組織較粗，可在原奧氏體晶粒內形成大量晶粒內鐵素體核心，生成細的鐵素體2珠光體組織。用VC和VN作為形成晶內鐵素體的核心，這種晶內鐵素體型鋼比加鈦微合金化鋼的鐵素體2珠光體組織更細。
強度和韌性德國的DIN49MnVS在空冷狀態(tài)下的強度極限超過(guò)850MPa，它是通過(guò)高體積百分比的相對/稀釋珠光體（低的平均碳含量）和在多角鐵素體和珠光體型鐵素體（共析鐵素體）中的V（C，N）沉淀進(jìn)行強化，替代Mn和Mn2Cr型調質(zhì)鋼。可以通過(guò)增加鋼材鍛后的冷卻速度來(lái)提高零件的強度，因為冷速的提高（由自然冷卻改為風(fēng)冷）可以得到大量的細珠光體和更小的V（C，N）沉淀。應提出的是加011%V可有效地在連續冷卻轉變（CCT）圖上將珠光體向貝氏體轉變移向較快的冷卻速度，因而減少了在以后正常的工藝下產(chǎn)生后一種轉變。
一般空冷非調質(zhì)鋼是在碳素鋼的基礎上添加少量元素Nb、V、Ti或Mo（<0125%），與含較高合金元素的調質(zhì)鋼相比，微合金化非調質(zhì)鋼使成分與熱加工工藝相結合以獲得高的性能。在這種情況下，非調質(zhì)鋼的組織可能含75%的珠光體和25%的鐵素體。
實(shí)踐表明，降低碳含量，增加Mn或Cr含量有利于提高非調質(zhì)鋼的韌性。降低碳含量對鋼的強度損失較大，但顯著(zhù)提高沖擊韌性，主要原因是減少鋼中的珠光體數量。適當地提高鋼中的Mn含量，當Mn含量由0185%增加至1115%1130%時(shí)，則在同一強度下非調質(zhì)鋼的韌性提高30JPcm2，與調質(zhì)碳鋼相當。
通常采用加微量鈦細化奧氏體晶粒，以便形成很細的先共析鐵素體晶粒和珠光體，來(lái)改善鋼的韌性。雖然降低軋制和鍛造溫度也有利于改善非調質(zhì)鋼的韌性，但會(huì )增加鍛造和軋制的能耗，降低鍛軋設備的生產(chǎn)能力。非調質(zhì)鋼的強度和韌性一般都隨熱加工后的冷卻速度的增加而提高，且韌性的提高更為顯著(zhù)。
但如果冷卻速度高于65ePmin，盡管可以獲得較細的晶粒，但韌性明顯降低。為了獲得細晶粒，鍛造后在700e以上溫度應迅速冷卻，而后緩冷到600e以下，600700e區間相當于相轉變溫度，冷卻速度對轉變產(chǎn)物鐵素體和珠光體的形態(tài)，及兩相的相對量都有重要影響。如將加熱后的非調質(zhì)鋼冷卻到800e左右再進(jìn)行適量的熱作變形，或將終加工溫度降至800e以下，可以顯著(zhù)提高非調質(zhì)鋼的韌性。
高韌性非調質(zhì)鋼的發(fā)展鐵素體2珠光體非調質(zhì)鋼通常為中碳鋼，加入釩等微量元素，通過(guò)增加珠光體量和碳化釩等沉淀強化來(lái)提高鋼的強度，如成分和熱加工工藝合理，完全可以達到淬火回火鋼9001000MPa的強度水平。但非調質(zhì)鋼為鐵素體2珠光體組織，其韌性一般都低于調質(zhì)鋼的回火索氏體組織，再加上共格析出物的沉淀強化，則進(jìn)一步降低了鋼的韌性，使非調質(zhì)鋼在承受沖擊負荷零部件上的應用受到限制。為了克服非調質(zhì)鋼韌性不足，促進(jìn)了高韌性非調質(zhì)鋼的發(fā)展。
調質(zhì)鋼的強韌性主要受化學(xué)成分和熱處理工藝的影響，而非調質(zhì)鋼的強韌性除受化學(xué)成分影響外還受加熱溫度、熱加工和冷卻速度的影響。熱加工的應變量影響碳化物的析出，進(jìn)而影響再結晶過(guò)程。應變量大，析出物的孕育期和完成期就較短。微合金化非調質(zhì)鋼用工藝手段細化鐵素體晶粒尺寸，減少珠光體中Fe3C的片厚和片間距，既可提高鋼的強度又可提高鋼的韌性。所以對非調質(zhì)鋼來(lái)說(shuō)，除合理選擇和精確控制鋼的成分外，嚴格鍛、軋工藝是鋼材獲得高強韌性能的必要條件。
化學(xué)成分對非調質(zhì)鋼強韌性的影響化學(xué)成分對非調質(zhì)鋼的強度和韌性的影響可歸納如下：（1）提高強度，降低韌性的元素有C、N、V、Nb、P.（2）提高強度同時(shí)還能改善韌性的元素有Mn、Cr、Cu+Ni、Mo.20世紀80年代已開(kāi)發(fā)了中碳錳鉻非調質(zhì)鋼：0145C21Mn2015Cr2011V，稱(chēng)之為IVA1000.其抗拉強度和疲勞強度均優(yōu)于調質(zhì)鋼水平，沖擊韌性可通過(guò)熱加工和低溫正火得到改善。（3）固溶Al對強度和韌性幾乎沒(méi)有影響，但以AlN形式存在可以細化晶粒，改善鋼的韌性。（4）Ti在非調質(zhì)鋼中的作用是降低強度，改善韌性。在Mn含量為110%215%時(shí)，加入0101%0105%Ti，可以有效地改善鋼的韌性。
采用回歸分析的方法可得出各元素對V2形缺口沖擊值和硬度的影響。為了得到高質(zhì)量和性能穩定的非調質(zhì)鋼，有的采用超純凈鋼冶煉技術(shù)，使化學(xué)成分控制在很窄的范圍內，如曲軸用非調質(zhì)鋼，要求成分波動(dòng)范圍為：C0103%，Mn0110%，V0103%，同時(shí)限定Cr、Mo含量。
晶粒細化對非調質(zhì)鋼韌性的影響除上面提到的加入適當Ti、Al、N來(lái)細化鋼的奧氏體晶粒外，加工工藝也是影響奧氏體晶粒的重要因素。加工溫度高，再結晶速度快，奧氏體晶粒大，冷卻后鋼中珠光體量增加，強度增高，韌性下降。加工溫度低時(shí)，因產(chǎn)生形變誘發(fā)析出，再結晶核心增加，再結晶后的晶粒長(cháng)大的驅動(dòng)力小，晶粒細化，鋼的強度變化不大，但可以大幅度提高韌性。研究表明，隨著(zhù)精軋溫度的降低，沖擊值提高。在同一溫度下加工量增加，強度和韌性可以同時(shí)提高。
熱加工后冷卻速度亦影響鋼的晶粒大小，如熱變形是在珠光體轉變的溫度以上變形，在變形后對于斷面尺寸較大鋼材或鍛件的冷速應加快以防止晶粒長(cháng)大。冷卻速度過(guò)慢也會(huì )使析出物的顆粒變粗，亦不利于韌性的提高。對小規格的鋼材或鍛件應避免加工后過(guò)快的冷卻，否則會(huì )產(chǎn)生殘余應力，并且有可能生成貝氏體組織，從而影響鋼的室溫韌性提高。
形成晶內鐵素體改善非調質(zhì)鋼的韌性雖然采用加鈦形成彌散的TiN顆粒能有效地阻止奧氏體晶粒粗化，但與淬回火調質(zhì)鋼相比，含微量Ti的非調質(zhì)鋼的韌性仍顯不足。因為在這種情況下，當鋼加熱至1250e時(shí)難以保持鋼的奧氏體晶粒比7級還細。
非調質(zhì)鋼在熱加工后的冷卻過(guò)程中，首先鐵素體沿奧氏體晶界成核生長(cháng)，其余奧氏體轉變成珠光體團。這種由鐵素體網(wǎng)包圍的珠光體的組織結構的韌性很差。
從另一方面來(lái)看，如果能在原奧氏體晶粒內產(chǎn)生大量的鐵素體晶核，則即使奧氏體晶粒粗大，也可以獲得細小的鐵素體2珠光體組織。VC和VN可作為晶內鐵素體的核心，為了生成晶內鐵素體必須同時(shí)加釩和氮。研究發(fā)現當鋼中硫含量增加，晶內鐵素體量增加，這樣能明顯增加熱鍛材的韌性。
結束
（1）自20世紀70年代以來(lái)，因非調質(zhì)鋼具有節約能源、減少工件變形和開(kāi)裂、減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各主要工業(yè)化國家的普遍重視，尤其是改善非調質(zhì)鋼韌性新技術(shù)的采用，完善了非調質(zhì)鋼系列產(chǎn)品，擴大了非調質(zhì)鋼的使用范圍，并大規模應用于機械制造業(yè)，尤其是汽車(chē)工業(yè)。（2）我國非調質(zhì)鋼在應用上、標準水平和實(shí)物質(zhì)量穩定性等方面均有所進(jìn)展，但應開(kāi)發(fā)高性能非調質(zhì)鋼。
