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汽车用微合金非调质钢的使用现状及发展

2006-11-17   中国钢铁新闻网作者:丁洁

   中国钢铁新闻网消息 微合金非调钢是一种将轧制(或锻造)与热处理结合为一体,省去调质(淬火+高温回火)工序的新型节能结构材料。它是伴随国际上能源短缺而发展起来的一种高效节能钢,其性价比远优于传统合金结构钢,可广泛用于装备制造业。汽车工业中,非调质钢因具备一系列优点而被广泛应用。德国、瑞典和日本对非调质钢的研究与应用比较好,如德国大众、美国福特、意大利菲亚特及俄罗斯伏尔加汽车都采用非调质钢来制造其曲轴、连杆等零件,日本目前90%以上的曲轴、连杆均采用非调质钢制造。我国非调质钢应用情况长期以来都不甚理想,因此在我国能源紧缺的现状并顺应国际发展趋势的情况下,如何扩展非调质钢在我国工业特别是汽车工业中应用便成为一个重要课题。

    国内汽车用非调钢使用现状

    1 曲轴、连杆用铁素体/珠光体型非调质钢

    我国非调质钢的开发和应用最广泛的是汽车行业。据不完全统计,目前我国非调质钢的年用量在10~15万吨,其中汽车行业的年用量就达5~8万吨。在非调质钢中,应用量大面广的是铁素体/珠光体型非调质钢。这类非调质钢最初用于制造汽车发动机曲轴等零件,现已扩展到汽车其它零件。目前国内常用的曲轴用F/P非调质钢包括48MnV、38MnVS、38MnSiV、49MnVS3以及国外牌号C38(N2)等,分别可应用于摩托车曲轴、奥托汽车曲轴以及卡车曲轴等。

    应用非调质钢最成功的零件是各种汽车发动机连杆,用量约占全国非调质钢生产总量的一半。如江铃汽车股份有限公司通过试验研究,选择并采用YF35MnV钢制作4J系列柴油机连杆,已经取得明显的经济效益;上海大众采用30Mn2VS非调质钢制作连杆;天津大发的TJ370Q、TJ376Q发动机连杆采用进口非调质钢S43CVS1制造;广州标致是引进法国的45M5UA2钢制作连杆。其他非调质钢汽车零件的生产和应用还表现在非调质钢汽车半轴、非调质钢汽车机油泵传动齿轮和非调质钢凸轮轴等。如江铃汽车采用四川大江提供的49MnVS3制造奥托车曲轴,二汽载重车采用宝钢提供的48MnV制造康明斯发动机曲轴等。

    2 贝氏体型和马氏体型非调质钢的应用

    在我国汽车工业上应用较多的低碳贝氏体型非调质钢为12Mn2B钢和12Mn2VB钢,以及为改善切削加工性能而开发的12MnBS钢。贝氏体钢前桥已在一汽、二汽、济南重汽以及攀钢、兴澄钢厂、本溪钢厂、抚顺钢厂、唐山贝钢厂等厂家生产。二汽及江铃汽车厂分别用贝氏体钢做汽车前桥、转向节、弯直臂等,装车40万余辆。表1为汽车用低碳粒状贝氏体钢性能。

    表1 汽车用12Mn2VB低碳粒状贝氏体钢的力学性能
   

工艺

σ0.2/MPa

σb/MPa

δ5(%)

ψ(%)

αKU/J·cm-2

锻后空冷

560

860

16

40

40

空冷+回火

580

745

21

36

65



    马氏体型非调质钢具有异常好的韧性及较好的强韧性配合,可用于制作汽车的连轴节臂等零件。经热锻或热轧后直接淬火,通过自回火可获得回火马氏体组织,强度极高,同时可获得良好的韧性,低碳马氏体型高强度高韧性非调质钢已由实验室逐渐应用于工业生产。国外已转入工业生产阶段,主要应用于汽车行业。如日产汽车公司已将这类非调质钢用于车轮部分的转向节销等。目前,我国开发的自回火低碳马氏体型非调质钢已试用于生产汽车的水泵轴。

    国内非调质钢生产应用存在的问题及探讨

    国内非调质钢应用量远远比不上日本等国家,原因之一是非调质钢性能不稳定。生产主机厂经常以调质钢的技术标准来要求非调质钢,以确保非调质钢在使用过程中不会出现断裂等失效状态。另一个原因是价格问题。目前非调质钢的价格优势渐渐在丧失,已远远超出了调质钢的价格,因此某些非调质钢应用企业不再开拓新的非调质钢生产线。

    目前非调质钢的状态是强度有余而韧性不足,提高非调质钢的韧性来符合主机厂的要求成为非调质钢生产和应用的重要环节。现在国外非调质钢应用趋势主要表现在高强度性能上,如连杆、曲轴等,汽车设计上要求强度>900MPa,而对于韧性要求不高,如伸长率在12%左右,不超过15%。对于保安件则采用贝氏体非调质钢,如前轴、转向臂等。因此在非调质钢质量检验标准要求方面比较科学,如德国对于非调质钢要求淬透性指标,日本对于非调质钢要求碳当量指标。而我国把高的力学性能作为技术检验标准,如δ达16%~20%等。

    针对这种情况,国内出现两种解决方法。①降低技术标准。例如,锻件只要经过台架疲劳试验合格的,并且试装车运行之后没有出现问题的,经过和主机厂协商之后,可以适当降低技术标准。②改变工艺条件。为了满足主机厂的锻件技术标准,锻造过后采用正火+控冷的工艺路线来提高锻件的塑性和韧性。经过正火之后的锻件其伸长率δ可达18%以上。但是丧失了“非调质钢”的节能意义,在控冷阶段进行二次加热,大大的提高了成本,也不利于非调质钢的发展。

    作者认为,进一步研发非调质钢生产以及加工过程中的参数及规律,以稳定非调质钢的性能,同时与主机厂一起通过试验共同制定科学合理的非调质钢技术标准,是利于拓宽非调质钢应用面的可行方法,并为进一步推广非调质钢的应用范围创造有利条件。

    控锻—控冷技术在非调质钢生产中的应用

    非调质钢的强度和硬度受先共析铁素体含量及沉淀强化能力控制,韧性取决于先共析铁素体析出百分数、形态和晶粒尺寸。因此,为了提高非调质钢强度,保持较好塑性和韧性,获得良好的综合力学性能,除了适当控制钢的成分配置和提高钢的纯净度外,在工艺上应采取措施,细化奥氏体晶粒,配以冷速控制,即通过控锻—控冷来达到控制材料力学性能。

    我国控锻—控冷技术最早由北京机电研究所研制采用,迄今该技术在非调质钢的生产使用中占60%以上。对于锻造用非调质钢,可通过开发控锻—控冷技术,采用新的锻造工艺规范与控冷设备,以确保规模化工业生产对非调质钢性能稳定性的要求。其中控锻—控冷技术主要控制参量包括:锻造加热温度、终锻温度、锻后冷却速度、变形量和变形速率。①提高锻造加热温度,可使V、Nb、Ti的碳氮化合物逐渐溶入奥氏体中,大量溶解的微合金碳氮化合物在冷却过程中析出,可提高钢的强度和硬度;但另一方面,温度升高,奥氏体晶粒长大,组织粗化,韧性下降。②适当控制较低终锻温度,可使晶粒破碎程度增加,晶界数量增加,有效地产生形变诱发析出弥散质点,同时再结晶驱动力小,晶粒细化,有利于改善韧性。③当变形量和变形速率较大时,奥氏体晶粒碎化,奥氏体粗晶再结晶成细晶,由于晶界增多具有大量形核位置,所以形成大量先共析铁素体精细相变组织,均匀分布在组织里,这对钢的韧性有利。④锻后冷速对材料性能影响很大。由于冷却过程中的相变是复杂的,自然冷却不能有效控制非调质钢的质量,应设置一个不受季节影响的冷却装置。事实上在500~800℃之间的冷却的控制对钢材的强度与韧性才有影响,而在此范围之外的冷却并不重要。冷速的优化控制直接影响钢的组织性能,因此热加工工艺规范和生产设备保障越来越受到广泛关注和重视。图1为控制冷却生产线结构框图。

   


    图1 控制冷却生产线结构框图

    然而,控锻—控冷在我国非调质钢生产线应用中效果不甚理想,特别是针对大型锻件。锻造过程参数可调范围窄,经常发生晶粒粗大,钢的综合性能降低。对于零件尺寸偏小的锻件,采取适当控冷方式可以达到产品技术要求。而大尺寸锻件,某些锻造厂采用二次加热,即如前所述的正火+控冷的方式进行冷却。这些非调质钢生产方式影响了非调质钢性能的稳定性,提高了非调质钢生产成本。因此控锻—控冷技术及其工艺流程规范化,将成为突破非调质钢应用瓶颈的有力途径。

    国内汽车用非调质钢面临的工作及建议

    目前对于非调质钢的研究中,晶内铁素体强韧化、氧化物冶金以及控锻—控冷技术正逐渐受到重视。其中,晶内铁素体和氧化物控制都是从变革冶金因素来提高非调质钢的强韧性,本质都是利用控制冶金化学成分及纯净度等手段,增加奥氏体晶内铁素体形核位置,使铁素体在晶界和晶内都有析出,从而分割奥氏体晶粒,形成细小均匀的等轴铁素体,改善钢的强韧性。以下是针对目前国内汽车用非调质钢应用现状,作者提出的一点参考建议:

    (1)汽车厂对结构件的性能需要进行重新评估。不能从简单的用调质钢的标准来要求非调质钢,而应该多借鉴国外以及国内非调质钢使用情况良好的企业,对非调质钢零件制定一个如实的标准,以便加大非调质钢在国内的应用和推广。

    (2)研究所和锻造厂对控锻—控冷工艺需要进行深入研究。非调质钢大部分性能控制取决于控冷。采用简单空冷工艺常常受到季节、环境温度、锻件形状与尺寸的影响较大,锻件性能不容易稳定,因此控冷工艺是必要的。其中在终锻温度到组织转变温度以及组织转变完成以后的这两段温度区间是控冷工艺最重要的两个区间。

    (3)钢厂的非调质钢冶金水平有待提高。对于非调质钢内硫化物形态的控制仍然是一个值得研究的方向。此外,研究开发新的优良性能的非调质钢成为提高非调质钢综合性能、进一步扩大非调质钢应用的重要发展趋势。

    微合金非调质钢由于具有节能节材及绿色环保等优点,应用范围日益扩展,在汽车工业中已成为锻件、热处理件用材的发展趋势,并在其他领域不断扩大应用,如工程结构、输送管线用钢等。只要遵循科学的检验方法,探索科学的生产道路,一定能在汽车工业乃至其他领域迅速发展起来,以其较大幅度降低生产成本、提高产品质量的特点,实现产业化,增加企业效益,带动国民经济的持续发展。

关键词:非调质钢,汽车制造, | 作者 :

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