重型汽車半軸用非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用進展

■ 嚴(yán)超峰，包耀宗，王歡銳，董立社，謝余，李棟

近年來隨著我國汽車產(chǎn)量和汽車保有量的增加，據(jù)不完全統(tǒng)計2016年汽車產(chǎn)量達到2800萬輛（乘用車2400萬輛，商用車400萬輛），連續(xù)八年蟬聯(lián)全球第一，保有量接近1.94億輛（機動車保有量2.9億輛），其中重型載貨汽車2016年銷量73萬輛，全國保有量接近650萬輛，按照重型載貨汽車5～8年的更新周期，每年的更新需求在65萬～110萬輛，汽車制造能耗也迅速增大，而汽車用非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用可以有效地節(jié)能減排，并降低成本。應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼可節(jié)約零件制造能耗的30%～50%，還可以降低成本的10%～20%，同時還可以減少調(diào)質(zhì)過程中淬火引起的變形開裂，從而簡化校直工序。2016年我國汽車用鋼約5800萬t（特鋼超過1500萬t），其中非調(diào)質(zhì)鋼需求量超400萬t，實際生產(chǎn)量超過100萬t，熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼超過20萬t。

非調(diào)質(zhì)鋼是通過微合金化（添加Nb、V、Ti、N、B等）、控軋（鍛）控冷等強韌化方法，取消了調(diào)質(zhì)熱處理，達到或接近調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能的一類優(yōu)質(zhì)或特殊質(zhì)量結(jié)構(gòu)鋼，是非調(diào)質(zhì)中碳微合金結(jié)構(gòu)鋼的簡稱，又稱微合金化鋼。其是在20世紀(jì)70年代因石油危機的推動發(fā)展起來的，主要是簡化工藝取消調(diào)質(zhì)熱處理，降低能耗，并降低制造成本。

非調(diào)質(zhì)鋼由于具有一系列優(yōu)點，在汽車工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，德國、瑞典和日本對非調(diào)鋼的研究與應(yīng)用比較好，1972年德國THYSSEN公司開發(fā)了第一個熱鍛微合金化中碳鋼49MnVS3（鐵素體+珠光體，抗拉強度Rm＞850MPa）代替40CrMn調(diào)質(zhì)鋼主要用作奔馳汽車發(fā)動機曲軸，大眾公司用27MnSiVS6非調(diào)質(zhì)鋼制造的轎車連桿年產(chǎn)250萬件左右，德國目前汽車行業(yè)中曲軸、連桿、前軸、半軸等鍛件70%以上采用非調(diào)質(zhì)鋼制造；瑞典VOLVO汽車制造廠每年約消耗3萬t非調(diào)質(zhì)鋼制造汽車零部件；美國福特、意大利菲亞特及俄羅斯伏爾加汽車都采用非調(diào)質(zhì)鋼來制造曲軸、連桿等零件。在新品種與新技術(shù)的開發(fā)及推廣方面，近幾年日本占領(lǐng)了世界領(lǐng)先地位，日本目前汽車制造業(yè)中90%以上的曲軸、連桿均已采用了非調(diào)質(zhì)鋼制造。

我國于20世紀(jì)80年代開始研究非調(diào)質(zhì)鋼，“七五”期間列入國家重點攻關(guān)項目，“八五”期間進行了重點推廣應(yīng)用，“九五”到“十二五”期間主要面向乘用車連桿、曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、前軸、半軸等非調(diào)質(zhì)鋼進行開發(fā)并擴大應(yīng)用數(shù)量和范圍，其抗拉強度在600～900MPa，與工業(yè)發(fā)達國家相比應(yīng)用數(shù)量、種類及高性能還有較大差距，特別是在重型汽車高性能熱鍛非調(diào)鋼的應(yīng)用領(lǐng)域差距更大。

鑒于此，本文的主要目的在于探討一種Nb-V-Ti復(fù)合微合金化非調(diào)質(zhì)鋼45MnSiVSQ重型汽車半軸的制造工藝方法，以實現(xiàn)我國重型汽車半軸高性能熱鍛非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用。

1. 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

目前非調(diào)質(zhì)鋼已獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是在汽車制造業(yè)。德國蒂森公司開發(fā)的第一個非調(diào)質(zhì)鋼49MVS3，替代調(diào)質(zhì)鋼被用于大規(guī)模生產(chǎn)汽車曲軸，提高了曲軸鍛件的成品率、可加工性能、疲勞性能、生產(chǎn)效率、降低了制造成本。由于優(yōu)異的性能和特點，歐美、日本等國家鋼廠均研制了多種非調(diào)質(zhì)鋼并應(yīng)用于汽車曲軸、連桿、半軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向臂等鍛件。近年來日本研究微合金非調(diào)質(zhì)鋼最為活躍，處于世界先進水平，非調(diào)質(zhì)鋼廣泛應(yīng)用于汽車的底盤件和發(fā)動機的曲軸、連桿等鍛件，并在我國申請了多項發(fā)明專利，同時對非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用進行擴展，例如氮碳共滲用非調(diào)質(zhì)鋼以及氮碳共滲部件（CN201180056073.7），非調(diào)質(zhì)鋼以及非調(diào)質(zhì)鋼部件（CN201280024294.0），非調(diào)質(zhì)鋼棒材（CN201380003849.8），氮碳共滲的曲軸及其制造方法（CN201410178233.0）等。

我國的非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用也有很大的成果，在90年代以來國外開發(fā)了強度級別更高的非調(diào)質(zhì)鋼，其強度級別達到950MPa以上，典型的牌號有蒂森公司的MnSiVS系列，C70系列，還有日本新日鐵NQF系列、三菱制鋼VMC系列、大同制鋼UDK系列、神戶制鋼的KNF系列等廣泛應(yīng)用于汽車前軸、發(fā)動機連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向臂，其中神戶制鋼KNF33MKM強度級別達到了1150MPa。

近年來我國國外合作項目及技術(shù)引進項目促進了非調(diào)質(zhì)鋼的研發(fā)和推廣應(yīng)用。典型的牌號有F70VS，F(xiàn)38MnVS，F(xiàn) 4 5 M n V S,F 4 9 M n V S、F12Mn2VBS、F25Mn2CrVS（GB/T16712—2016）等非調(diào)質(zhì)鋼替代45、40Cr、42CrMo調(diào)質(zhì)鋼被廣泛用于制造汽車發(fā)動機曲軸、連桿、前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向臂、半軸、傳動軸、軸叉等零件。汽車企業(yè)、鋼鐵企業(yè)在鋼鐵研究院等科研機構(gòu)的推動下研發(fā)的直接切削用非調(diào)質(zhì)鋼SG420X系列廣泛應(yīng)用于注射機拉桿、風(fēng)機軸，HL610，HL740用于液壓缸活塞桿等；鍛造用非調(diào)質(zhì)鋼C70S6、38MnVS6、38MnSiVS6、C38MnVNS5、C38N、C38N2、36MnVS4、38MnSiVS4、46MnVS5、一汽FAS系列等廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機曲軸、連桿、前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、半軸、輪轂等。

文獻[2]汽車后橋半軸高性能非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)及應(yīng)用研究結(jié)果表明，該鋼FAS2340（代替42CrMo）抗拉強度可達840～900MPa，在鍛造花鍵和法蘭盤過渡區(qū)晶粒度2～3級，不能滿足集團公司引進國外某公司半軸用非調(diào)質(zhì)鋼技術(shù)條件抗拉強度950～1100MPa，晶粒度不低于4級的技術(shù)要求。鑒于此，我公司在北京鋼鐵研究院的協(xié)助下，聯(lián)合江蘇淮鋼、西寧特鋼等國內(nèi)知名特鋼企業(yè)研發(fā)了45MnSiVSQ鋼并進行了試驗研究及產(chǎn)品應(yīng)用，其抗拉強度大于950MPa，晶粒度達到5～8級，制成的半軸產(chǎn)品進行了靜扭強度試驗達到了56 000N·m的水平。

2. Nb-V-Ti復(fù)合微合金化非調(diào)質(zhì)鋼45MnSiVSQ重型汽車半軸的制造工藝

（1）半軸用非調(diào)質(zhì)鋼45MnSiVSQ冶煉和檢驗 新開發(fā)的45MnSiVSQ鋼的工業(yè)化冶煉在西寧特鋼進行試驗研究并在江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼有限公司進行了工業(yè)冶煉應(yīng)用。試驗研究采用感應(yīng)爐冶煉860kg鋼錠一支鍛制成φ45mm和φ60mm規(guī)格并進行檢驗，表1為試驗材化學(xué)成分檢驗結(jié)果。

表2為試驗材料低倍組織檢驗結(jié)果按GB/T226進行檢驗并按GB/T1979進行評級，從腐蝕后的低倍組織來看，未發(fā)現(xiàn)縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮和白點等缺陷。

表3為試驗材料非金屬夾雜物檢驗結(jié)果按GB/T10561進行檢驗并評級。

表4為試驗材料力學(xué)性能檢驗結(jié)果按GB/T2975，GB/T228和GB/T229進行取樣檢測。

表1 試驗材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5為試驗材料端淬檢驗結(jié)果按GB/T225進行檢測，鋼材經(jīng)880℃正火，端淬溫度850℃。

圖1為試驗材料φ60m m經(jīng)880℃×2.5h正火金相組織，組織組成物為鐵素體（含量31%～34%）+珠光體，組織均勻分布，晶粒度8級，帶狀組織1級。

圖2為試驗材料φ60mm規(guī)格經(jīng)1200℃×0.5h正火金相組織，組織組成物為珠光體+鐵素體，塊狀鐵素體不均勻分布，晶粒度2級，晶粒明顯粗化。

圖3為試驗材料進行晶粒粗化試驗，鋼材經(jīng)加熱保溫0.5h空冷后進行晶粒度檢測，該鋼加熱至1100℃后，晶粒開始明顯粗化，平均晶粒度在4級時加熱溫度約為1120℃，因此要保證該半軸鍛壓成形過程中未發(fā)生形變的過渡區(qū)晶粒在4級以上，其鍛造溫度不易超過1120℃。試驗材不同溫度平均晶粒直徑曲線圖如圖4a所示，試驗材不同溫度平均晶粒度級別曲線如圖4b所示。

（2）工藝試驗 因鍛造加熱溫度會影響半軸毛坯的成形、晶粒度和彌散相的析出，所以對鍛造加熱溫度控制在1100～1150℃，試驗材為江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼有限公司進行工業(yè)冶煉經(jīng)轉(zhuǎn)爐→LF精煉→RH真空脫氣→連鑄→控軋控冷，制成φ60mm規(guī)格200t，表6為試驗材化學(xué)成分檢驗結(jié)果。

表7為試驗材料低倍組織檢驗結(jié)果按GB/T226進行檢驗并按GB/T1979進行評級，從腐蝕后的低倍組織來看未發(fā)現(xiàn)縮孔、氣

圖1 試驗材經(jīng)880℃×2.5h正火處理后的金相組織

表2 試驗材料的低倍組織 （級）

表3 試驗材料的非金屬夾雜物 （級）

表4 試驗材料的力學(xué)性能

表5 試驗材料的端淬試驗泡、裂紋、夾雜、翻皮和白點等缺陷。

圖2 試驗材經(jīng)1200℃×0.5h正火處理后的金相組織

圖3

圖4

表8為試驗材料非金屬夾雜物檢驗結(jié)果按GB/T10561進行檢驗并評級。

表9為試驗材料力學(xué)性能檢驗結(jié)果按GB/T2975，GB/T228和GB/T229進行取樣檢測。

表10為試驗材料端淬檢驗結(jié)果按GB/T225進行檢測，鋼材經(jīng)880℃正火，端淬溫度850℃。

圖5為試驗材料規(guī)格φ60mm軋材金相組織，為鐵素體+珠光體，晶粒度8級，帶狀組織4級，存在嚴(yán)重的組織偏析現(xiàn)象，影響后續(xù)半軸產(chǎn)品疲勞壽命。

半軸毛坯經(jīng)控鍛控冷后進行中頻整體表面感應(yīng)淬火處理，表11為感應(yīng)淬火工藝參數(shù)，半軸經(jīng)感應(yīng)淬火后桿部表面硬度59～61HRC，花鍵表面硬度55～57HRC，經(jīng)200℃×2h回火后桿部表面硬度57～59HRC，花鍵表面硬度54～56HRC，有效硬化層深度10～13mm。

表12為試驗半軸經(jīng)中頻整體表面感應(yīng)淬火、回火處理后，以兩端面中心孔定位，用百分表檢測不同部位徑向圓跳動變形數(shù)據(jù)。圖6為該試驗半軸示意圖，與常規(guī)42CrMo相比變形較小校直工序簡單，效率提升達50%，常規(guī)42CrMo經(jīng)中頻整體感應(yīng)淬火、回火后桿部徑向圓跳動3～6mm，校直難度較大，效率較低。

表1 3為試驗半軸產(chǎn)品進行靜扭強度試驗，試驗按QC/T293，QC/T294標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試驗M j=24000N.m，試驗頻率1.5Hz，靜扭后備系數(shù)＞1.8，對靜扭試驗失效件2失效位置進行理化分析，表面馬氏體按JB/T9204進行評級為6級，心部鐵素體晶粒度按G B/T6394進行評級5～8級，斷口部位表面硬度56.5HRC，心部硬度297HBW5/750，有效硬化層深度DS（450HV1）=12.4mm。規(guī)格 Al V Nb Ti N H O Fe φ60 0.021 0.13 0.025 0.020 157ppm 1.1ppm 13ppm Bak

表6 試驗材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表7 試驗材料的低倍組織 （級）

表8 試驗材料的非金屬夾雜物 （級）

表9 試驗材料的力學(xué)性能

表10 試驗材料的端淬試驗

表11 半軸產(chǎn)品中頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)

圖5

表14為試驗半軸產(chǎn)品靜扭試驗斷口部位有效硬化層內(nèi)硬度梯度數(shù)據(jù)，符合產(chǎn)品技術(shù)要求表面硬度54～58HRC，心部硬度不低于28HRC。

對試驗半軸產(chǎn)品靜扭試驗斷口部位形貌進行掃描電鏡分析，圖7為斷口形貌，裂紋源部位無明顯的鋼材冶煉和鍛造缺陷。

（3）結(jié)論 通過一種Nb-V-T i復(fù)合微合金化非調(diào)質(zhì)鋼45MnSiVSQ（代替42CrMo）的試驗研究及工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用于重型汽車半軸綠色節(jié)能制造工藝的實施，取消了半軸調(diào)質(zhì)熱處理工序，可節(jié)約該半軸制造能耗的40%～50%，還可以降成本10%～20%，其技術(shù)指標(biāo)達到國內(nèi)先進水平。

3. 展望

目前，我國高強度（抗拉強度大于950MPa級）非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用量遠比不上歐洲和日本，因而未來還有很大的發(fā)展空間。我們公司在北京鋼鐵研究總院的協(xié)助下聯(lián)合國內(nèi)知名特鋼企業(yè)組成非調(diào)質(zhì)鋼研發(fā)團隊，對標(biāo)歐美MnSiVS系列非調(diào)質(zhì)鋼，開發(fā)了大桿徑軸類用高強度中碳非調(diào)質(zhì)鋼45MnSiVSQ（代替42CrMo），其技術(shù)指標(biāo)已達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，與FAS2340比較主要解決的問題有：

表12 試驗半軸不同部位徑向圓跳動變形情況 （mm）

表13 試驗半軸產(chǎn)品靜扭試驗數(shù)據(jù)

表14 試驗半軸產(chǎn)品靜扭試驗斷裂部位有效硬化層硬度梯度數(shù)據(jù)

圖6 試驗半軸示意

（1）非調(diào)質(zhì)鋼強度提升和晶粒粗化的問題。首先是研究了鋼材成分設(shè)計微合金元素的含量配比及冶煉添加方式不同對非調(diào)質(zhì)鋼性能的影響。其次是冶煉過程中非金屬夾雜物的控制。再就是受控軋（鍛）控冷裝備影響，非調(diào)質(zhì)鋼的性能主要是通過前期的冶煉控制和后期的大壓縮比及低溫軋制以確保其優(yōu)異的性能。

（2）價格較貴。目前市場上非調(diào)質(zhì)鋼的價格已遠遠超出調(diào)質(zhì)鋼的價格，阻礙了非調(diào)質(zhì)鋼的市場應(yīng)用拓展，通過汽車企業(yè)、鋼鐵企業(yè)和科研院所聯(lián)合研發(fā)形成戰(zhàn)略合作關(guān)系以確保非調(diào)質(zhì)鋼合理的定價。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2016年我國特鋼消耗40Cr和42CrMo超過1500萬t，可以預(yù)期45MnSiVSQ將會得到很廣泛的應(yīng)用。

[1] 陳蘊博，馬鳴圖，王國棟.汽車用非調(diào)質(zhì)鋼研究進展[J].中國工程科學(xué)，2014，16（2）：4-18.

[2] 應(yīng)善強.，曹正，等.汽車后橋半軸用高性能非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)及應(yīng)用研究[J].汽車技術(shù)，2009，（5）：53-56.