48MnV非調(diào)質(zhì)曲軸用鋼工藝及性能分析

供稿|蘇崇濤，田玉偉 / SU Chong-tao, TIAN Yu-wei

曲軸是發(fā)動機中承受沖擊載荷、傳遞動力的重要零件，其服役條件非常惡劣，工作中承受周期性的載荷——旋轉(zhuǎn)慣性力和扭矩等共同作用，并在壓力作用下以很大的相對速度與軸承發(fā)生滑動摩擦，產(chǎn)生較高的溫度和磨損。長期以來曲軸用鋼一般使用中碳調(diào)質(zhì)鋼來進行制造，如45鋼、40Cr、42CrMo等。原材料先進行鍛造處理、粗加工，然后對工件進行正火，淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，最終形成以回火索氏體為基體的微觀顯微組織結(jié)構(gòu)，這種顯微組織可以使零件各部位力學(xué)性能較均勻，并且同時具有較好的強度、塑性和韌性，綜合力學(xué)性能非常好。

48MnV為非調(diào)質(zhì)曲軸用鋼，近些年來非調(diào)制用鋼得到了較大范圍的應(yīng)用，特別是在汽車發(fā)動機領(lǐng)域，非調(diào)質(zhì)鋼不需要采用傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)工藝，原材料在熱軋態(tài)或者經(jīng)過一定形變的加熱鍛造等簡單加工或者熱處理后，最終力學(xué)性能可以達到中碳調(diào)質(zhì)鋼的水平，可以如調(diào)質(zhì)鋼一樣用于生產(chǎn)制造軸承鋼，在一定程度上打破了調(diào)質(zhì)鋼在軸承生產(chǎn)中的主導(dǎo)地位，由于這類鋼不需要調(diào)質(zhì)處理工序，而淬火加高溫回火的調(diào)質(zhì)工序無論在人力和物力上消耗都非常大，因此降低了軸承的制造成本，軸承加工廠也不再需要進行大規(guī)模熱處理設(shè)備的資金投入，簡化了生產(chǎn)工藝，使生產(chǎn)周期減少，制造成本因此降低很大，所以非調(diào)質(zhì)鋼在曲軸方面的運用越來越受到客戶的青睞，使用范圍越來越廣，為了對非調(diào)質(zhì)曲軸用48MnV鋼有清楚詳細的了解，以下從生產(chǎn)工藝，力學(xué)性能及與調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能等方面來進行比較。

非調(diào)質(zhì)鋼的微合金化理論

微合金化原理是在鋼的冶煉過程中加入微合金元素如V、Nb、Ti等。一些合金元素與鋼中的C、N等元素形成化合物，在組織轉(zhuǎn)變過程中，能促進晶粒的形核，同時能限制晶粒的長大，使晶粒細化；并且合金化合物隨著溫度的降低析出并彌散分布，對材料基體又起到沉淀強化的作用，彌補了材料在強度、硬度方面的不足。

48MnV為珠光體類型的非調(diào)質(zhì)鋼，其強度受顯微組織性能的局限性，影響其強度和沖擊韌性的主要因素為奧氏體晶粒大小、鐵素體、珠光體數(shù)量及珠光體片間距細化程度，在基體組織為珠光體和鐵素體的鋼中，抗拉強度主要取決于珠光體數(shù)量、片間距、奧氏體晶粒大小，在提高強度的角度上，增加珠光體量是有益的，但是珠光體沒有阻礙裂紋擴展的能力，這點對材料的沖擊韌性不利，研究表明鐵素體相對量增加可明顯改善鋼的韌性、屈服強度[1]。為了在組織中得到較多量的鐵素體降低碳含量是一個不錯的選擇方法，但是碳含量降低又會降低鋼材的強度，為此需要在不降低碳含量的基礎(chǔ)上通過增加錳、硅等來促進鐵素體的形成，以達到增加鐵素體數(shù)量的目的；鐵素體量太多或者軋后鐵素體沿原始奧氏體晶界析出，形成較嚴重的網(wǎng)狀鐵素體則又會惡化鋼的強度、韌性和塑性，因此珠光體與鐵素體兩相數(shù)量的多少及顯微組織形態(tài)分布都對非調(diào)質(zhì)鋼強度和韌性有很重要的影響。

48MnV鋼中的V是微合金化元素中最常用而有效的強化元素，與鐵元素相比，V對碳和氮有更強的親和力，在非調(diào)質(zhì)鋼增氮后，形成更為穩(wěn)定的碳氮化合物，隨著V(C，N)在奧氏體晶界析出，起到防止晶粒長大、細化晶粒，對轉(zhuǎn)變過程中生成細小的鐵素體起到形核作用，并阻止鐵素體晶粒長大，增加鋼的韌性[2]。而且這種沉淀析出能強化非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能，其強度隨V含量的增加呈顯著增長趨勢，但當V含量超過0.15%，材料的韌性會降低很多，因此一般在鋼中V的添加量控制在0.08%～0.13%[3]。

48MnV工藝及性能

在微合金化理論的指導(dǎo)下，當前本鋼生產(chǎn)的48MnV工藝如下：鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐—LF精煉—模注—軋制。開軋溫度約在1100 ℃，終軋溫度約950 ℃；鋼材快冷至600 ℃保溫，保溫時間48 h。

大功率發(fā)動機曲軸用非調(diào)質(zhì)鋼要求材料在加熱鍛造控冷狀態(tài)下組織為珠光體+鐵素體，具有較高的強度和一定的塑韌性，熱軋態(tài)的48MnV在曲軸加工工藝下，先需要進行鍛造、空冷、加工，一般鍛造工藝為加熱溫度至1200 ℃左右，終鍛1000 ℃左右，某些產(chǎn)品需要經(jīng)過表面高頻淬火或氮化處理后零件表面具有較高的耐磨性，從而使曲軸整體具有較高的疲勞壽命要求。因此最終曲軸的力學(xué)性能取決于鍛造空冷或者其他熱處理后的力學(xué)性能，對鍛造后產(chǎn)品截取試驗進行力學(xué)性能及各項檢測，

在光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織形態(tài)見圖1，表1為根據(jù)合金化處理后最終軋制成功的48MnV化學(xué)成分，表2為48MnV鍛造后空冷的力學(xué)性能。

表1 研制成功的48MnV化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）%

表248MnV鍛造后力學(xué)性能

45、42CrMo調(diào)質(zhì)鋼性能

調(diào)制鋼最終使用態(tài)下顯微組織為回火索氏體，是淬火馬氏體組織經(jīng)過高溫回火后，形成鐵素體基體上均勻分布有細小顆粒狀碳化物的復(fù)合組織。調(diào)質(zhì)鋼的強度主要取決于α相強度和碳化物的彌散強化，圖2為42CrMo調(diào)質(zhì)后的顯微組織形態(tài)。

圖148MnV鍛后顯微組織

圖242CRMO調(diào)質(zhì)顯微組織

在GBGB/T699-1999及GB/T3077-1999中規(guī)定了對普通碳素鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)處理后所采用工藝及最終必須要的性能參數(shù)見表3。

表345、42CrMo調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能

分析討論

（1）本鋼研發(fā)的48MnV非調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)過微合金化處理后，最終產(chǎn)品滿足了客戶需求，通過與相對應(yīng)調(diào)質(zhì)鋼性能之間的對比，48MnV鍛造后其基本性能高于45鋼調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能，與42CrMo調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能還有一定的差距。非調(diào)質(zhì)鋼48MnV可以完全替代45鋼調(diào)質(zhì)使用，在零部件受力許可范圍內(nèi)，可以替代部分42CrMo調(diào)質(zhì)鋼的運用。

（2）非調(diào)質(zhì)鋼由于不需要進行調(diào)質(zhì)處理工藝，軸承制造廠家不需要購買熱處理相關(guān)設(shè)備，也不用在熱處理上投入大量的人力和物力，使非調(diào)質(zhì)鋼在經(jīng)濟上表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，另外與調(diào)質(zhì)鋼工藝相比，工廠的能耗降低，減少了污染源，因此具有“綠色鋼材”之稱。

（3）避免了熱處理過程中產(chǎn)生的廢品。機械零件熱處理過程中，產(chǎn)生廢品的主要原因為淬火，淬火工藝不當引起試樣尺寸變化、開裂、表面脫碳，硬度不均勻等等。采用非調(diào)質(zhì)鋼制作機械零件，不需要淬火處理，因此在產(chǎn)品外形質(zhì)量及外形穩(wěn)定性方面具有非常大的優(yōu)勢。

（4）對工廠來說時間就是效率，使用非調(diào)質(zhì)鋼不僅省去了生產(chǎn)周期較長的調(diào)質(zhì)工序，還省去了與調(diào)質(zhì)相關(guān)的工序，縮短了生產(chǎn)周期，增加了生產(chǎn)效率。

結(jié)論

（1）目前生產(chǎn)的48MnV鋼鍛造后力學(xué)性能介于調(diào)質(zhì)處理后的45鋼與42CrMo鋼性能之間。

（2）在非調(diào)質(zhì)鋼能滿足零部件的使用性能范圍內(nèi)，可以替代傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)鋼。

（3）通過微合金強化和控鍛控冷工藝，可以使非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能接近并超過調(diào)質(zhì)鋼，從而為材料使用廠家獲得良好的收益，非調(diào)質(zhì)鋼省去了調(diào)質(zhì)處理工序，減少了生產(chǎn)工序，節(jié)約了人力及資源，降低了成本，在日益競爭激烈的制造業(yè)市場，有很廣闊的發(fā)展前景。因此在非調(diào)質(zhì)鋼的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究上需要不斷深入，繼續(xù)研發(fā)新品種鋼，使非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用越來越廣。

[1] 周悠, 洪小玲. 非調(diào)質(zhì)鋼48MnV工藝質(zhì)量分析. 金屬世界, 2007,(2):40

[2] 陳德華, 王志明, 謝維立, 等.非調(diào)質(zhì)鋼推廣應(yīng)用中的強韌化工藝研究. 金屬熱處理, 2010, 35(6): 76

[3] 張愛文, 江來珠. 寶鋼曲軸用非調(diào)質(zhì)鋼的生產(chǎn)與展望.寶鋼技術(shù),2003, (4): 42