陳蘊(yùn)博 ，馬鳴圖 ，王國棟

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，北京 100044；2.先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039；4.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110819）

汽車用非調(diào)質(zhì)鋼的研究進(jìn)展

陳蘊(yùn)博1，2，馬鳴圖3，王國棟4

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，北京 100044；2.先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039；4.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110819）

綜述了國內(nèi)外非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。探討了非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理及手段，并從非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)化方程、微合金元素固溶度積方程、晶內(nèi)鐵素體強(qiáng)化、控軋-控冷技術(shù)等方面闡述了非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌化的研究動向。列舉了各類非調(diào)質(zhì)鋼的典型應(yīng)用，分析了非調(diào)質(zhì)鋼在我國生產(chǎn)及應(yīng)用中的問題，并給出擴(kuò)大非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)應(yīng)用的建議。

非調(diào)質(zhì)鋼；開發(fā)與應(yīng)用；微合金化；強(qiáng)化原理

1 前言

近年來，隨著汽車產(chǎn)量和汽車保有量的增加，如2012年汽車產(chǎn)量達(dá)到1 900萬輛，保有量接近1.2億輛，節(jié)能減排的壓力也迅速增大。汽車的能耗主要分為三個部分：一是汽車原材料生產(chǎn)能耗；二是汽車零件制造中的能耗；三是汽車使用中的能耗。統(tǒng)計結(jié)果表明[1]，在汽車生命周期內(nèi)，汽車行駛的能耗約占78.3%，材料生產(chǎn)的能耗約占15%，汽車制造的能耗約占6.7%，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)省零件制造能耗的30%～40%，還可以降低成本的20%（如漲斷連桿）[2，3]，同時還可以減少調(diào)質(zhì)過程中淬火引起的變形開裂。2010年，我國汽車用特鋼1.5×107t，非調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)量為1×106t，僅占7%，而日本汽車用特鋼7×106t，非調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)量為2.3×106t，占33%。為使汽車實(shí)現(xiàn)輕量化，非調(diào)質(zhì)鋼向高強(qiáng)度、高性能方向發(fā)展。

應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼可實(shí)現(xiàn)輕量化，以汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)為例[4]，原用球鐵的重量為5.05 kg，如使用非調(diào)質(zhì)鋼38MnNS6可以減重29%，降至3.61 kg；而前懸臂采用高強(qiáng)度38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼，可使重量由原來的9.25 kg減至8 kg，減重約14%；采用C70S6的漲斷連桿不僅加工成本減少40%，而且可以減重10%，由于這類連桿結(jié)構(gòu)減小了裝配過程中所產(chǎn)生的失圓而引起的發(fā)動機(jī)扭振，從而降低了發(fā)動機(jī)的噪聲。

我國非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用數(shù)量和品種與國外均有較大差距，并且相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也嚴(yán)重缺失，影響了非調(diào)質(zhì)鋼的推廣和應(yīng)用。在開發(fā)高強(qiáng)韌非調(diào)質(zhì)鋼的同時，做好非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用的基礎(chǔ)工作，是擴(kuò)大非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用的一個重要方面。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析

在汽車結(jié)構(gòu)件中，其基本要求是強(qiáng)度與韌性的匹配，而達(dá)到這一綜合性能的熱處理工藝通常是調(diào)質(zhì)處理，即將鋼加熱到奧氏體化溫度，然后根據(jù)零件大小和鋼的淬透性，采用合適的淬火介質(zhì)以取得合適的淬透層深度，根據(jù)零件的工作應(yīng)力，確定回火溫度和回火時間，這一工藝過程不僅要耗費(fèi)大量能源，還會帶來零件加熱過程中的氧化，熱處理淬火的應(yīng)力（熱應(yīng)力與組織應(yīng)力），甚至是變形和開裂；對有些零件，熱處理變形還會影響零件的加工精度，如發(fā)動機(jī)曲軸，熱處理淬火時會造成扭曲和彎曲變形，在隨后的矯直工藝過程中很難達(dá)到零件矯直的要求，所以加工后的曲軸精度不足，造成發(fā)動機(jī)有振動和噪聲；如調(diào)質(zhì)時零件的淬透性不足，淬硬層不夠，導(dǎo)致強(qiáng)度不足和疲勞壽命不足而產(chǎn)生零件的早期失效。

20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)，對零件熱處理耗能較大的汽車工業(yè)用材和工藝產(chǎn)生了巨大的影響。人們關(guān)注能否將調(diào)質(zhì)工序去掉，工業(yè)生產(chǎn)的需要是技術(shù)進(jìn)步的動力，物理和力學(xué)冶金原理的進(jìn)展為新材料和新技術(shù)的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)。這個時期的微合金理論、控軋?jiān)俳Y(jié)晶、鍛熱淬火工藝和強(qiáng)韌化機(jī)理認(rèn)識為非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)，冶金技術(shù)的進(jìn)步為非調(diào)質(zhì)鋼的出現(xiàn)提供了工業(yè)生產(chǎn)的可能。正是在這種背景下，20世紀(jì)80年代初，德國蒂森公司率先開發(fā)了一類新型鋼種，即非調(diào)質(zhì)鋼，并以49MnVS3為代表的非調(diào)質(zhì)鋼號生產(chǎn)并提供給汽車工業(yè)。至今該鋼號已經(jīng)取代了50Mn、40Cr等一系列調(diào)質(zhì)鋼，用于制造汽車的鍛造曲軸。非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用提高了鍛件的成品率，改善了曲軸的切削性能和疲勞性能，減少了生產(chǎn)工序和生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。同時工件的截面硬度分布均勻，工件變形小，疲勞強(qiáng)度與同強(qiáng)度級別的調(diào)質(zhì)鋼相當(dāng)[5]，但對鍛造工藝和鍛后空冷條件要求嚴(yán)格，這就是早期開發(fā)的、現(xiàn)在仍廣泛應(yīng)用的鐵素體-珠光體的非調(diào)質(zhì)鋼。

近年來，非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展圍繞著以下幾個方面。其一是進(jìn)一步深入探討非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)化原理，深化認(rèn)識非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)化機(jī)理，并由此開發(fā)了晶內(nèi)非調(diào)質(zhì)鋼[6]，以改善非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌性匹配，同時用微合金化理論和固溶度方程進(jìn)一步優(yōu)化非調(diào)質(zhì)鋼的成分，并總結(jié)相應(yīng)的非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度計算公式[2]；其二是各國都根據(jù)汽車工業(yè)與機(jī)械工業(yè)的需求，形成了自身的非調(diào)質(zhì)鋼牌號和系列，并在汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用，取得了節(jié)能減排的良好效果。我國在20世紀(jì)80年代初（當(dāng)時的機(jī)械部和冶金部分別將非調(diào)質(zhì)鋼列入科技攻關(guān)項(xiàng)目）逐步形成了我國的非調(diào)質(zhì)鋼牌號，如35MnVS、40MnVS、35MnVN等鋼種，分別用于汽車的曲軸、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸等零件。在1995年公布的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 15712—1995）中的兩類九個鋼號，非調(diào)質(zhì)鋼的抗拉強(qiáng)度都低于900 MPa。20世紀(jì)90年代初，由于引進(jìn)技術(shù)的需要，國內(nèi)開發(fā)了強(qiáng)度更高的非調(diào)質(zhì)鋼，如49MnVS（類似于德國的49MnVS3），用于生產(chǎn)各類汽車的曲軸和乘用車輪轂軸，C70S6用于制造各類發(fā)動機(jī)的漲斷連桿，并開發(fā)了16Mn2VB用于生產(chǎn)汽車的前軸等[7～11]。由于種種原因，20世紀(jì)90年代我國非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用沒有得到進(jìn)一步的拓展，而這一時期日本、歐洲和美國等國家和地區(qū)開發(fā)出強(qiáng)度級別更高，韌性更高的非調(diào)質(zhì)鋼，在發(fā)動機(jī)連桿、前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)等重要零件和保安件上得到應(yīng)用，不同強(qiáng)度級別非調(diào)質(zhì)鋼的沖擊值與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示，國外強(qiáng)度級別大于900 MPa的非調(diào)質(zhì)鋼及其應(yīng)用見表1。歐洲形成了不同強(qiáng)度級別的非調(diào)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)，EN 10267：1998-鋼的化學(xué)成分見表2，相應(yīng)的機(jī)械性能見表3。

圖1 不同強(qiáng)度級別非調(diào)質(zhì)鋼的沖擊值與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 Relationship between impact value and tensile strength of non-quenched and tempered steels with different strength levels

表1 國外強(qiáng)度級別900 MPa以上的非調(diào)質(zhì)鋼及其應(yīng)用Table 1 Non-quenched and tempered steels abroad with strength beyond 900 MPa and their applications

表2 EN 10267：1998-鋼的化學(xué)成分Table 2 EN 10267：1998-chemical composition of steels

表3 EN 10267：1998-鋼的機(jī)械性能Table 3 EN10267：1998-mechanical property of steels

在這段時間，圍繞著前軸、漲斷連桿和高壓共軌構(gòu)件，進(jìn)一步開發(fā)了新的高強(qiáng)度非調(diào)質(zhì)鋼和貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼，并出現(xiàn)了一些專利，如韓國現(xiàn)代汽車公司開發(fā)的用于代替42CrMo4調(diào)質(zhì)鋼的高釩微合金非調(diào)質(zhì)鋼（T3、T4），和42CrMo淬火回火相比，在具有相同的性能條件下，價格更加便宜，其成分見表4。在高強(qiáng)度曲軸用鋼中，從鐵素體-珠光體非調(diào)質(zhì)鋼到新的高強(qiáng)度貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼的轉(zhuǎn)變。由阿賽洛米塔爾鋼鐵集團(tuán)開發(fā)的高強(qiáng)度貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼與鐵素體-珠光體非調(diào)質(zhì)鋼的對比見表5，在加工成曲軸后進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，經(jīng)2×106次循環(huán)加載后的極限彎矩與屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯?，國外提高非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌性的方法多數(shù)是采用增加合金元素的含量，雖然取得了一定的效果，但增加了鋼材的成本，同時過度的沉淀強(qiáng)化又會影響鋼的韌性，難以取得高性價比的非調(diào)質(zhì)鋼的效果。

表4 韓國現(xiàn)代汽車公司開發(fā)的高釩微合金非調(diào)質(zhì)鋼（T3、T4）化學(xué)成分和性能Table 4 Chemical composition and mechanical property of high vanadium content microalloying non-quenched and tempered steels developed by Hyundai Corporation of South Korea

表5 阿賽洛米塔爾鋼鐵集團(tuán)開發(fā)的高強(qiáng)度貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼與鐵素體-珠光體（F-P）非調(diào)質(zhì)鋼的對比Table 5 Comparisons between high strength bainite non-quenched and tempered steels and F-P non-quenched and tempered steels developed by Arcelor-Mittal

圖2 曲軸經(jīng)2×106次循環(huán)加載后的極限彎矩與屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between yield stress and limit bending moment of crankshaft after 2×106cyclic loading

在高硫易切削的高強(qiáng)度曲軸用非調(diào)質(zhì)鋼中，硫化物的形態(tài)對其疲勞極限有明顯的影響，文獻(xiàn)[12]曾做了相關(guān)工作，其硫化物形態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果見圖3，疲勞試驗(yàn)的結(jié)果見表6，可以看出硫化物形態(tài)呈條狀對疲勞壽命有明顯的影響，所發(fā)表論文中還提出了描述這一影響的理論模型。硫化物形態(tài)除了影響疲勞壽命外，還影響材料的沖擊性能，上述三個鋼種的沖擊性能參量列于表7。沖擊韌性的結(jié)果和斷口形貌有很好的對應(yīng)性見圖4。

圖3 49MnVS3的三種不同硫化物形態(tài)和組織Fig.3 Three different sulfide forms and microstructures of 49MnVS3

表6 三個鋼廠的49MnVS3不同存活率的疲勞極限Table 6 Fatigue limit with different livabilities of 49MnVS3 produced by three steel mills

表7 49MnVS3的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Impact test results of 49MnVS3

圖4 三種鋼U型沖擊斷口起裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、斷裂區(qū)的掃描電子顯微鏡（SEM）照片F(xiàn)ig.4 SEM photographs of crack initiation region，crack propagation region and fracture region of U-shaped impact fracture of three kinds of steels

早期的高強(qiáng)度漲斷連桿用鋼為C70S6，近期的專利和研發(fā)工作主要圍繞著改善漲斷連桿用鋼的疲勞強(qiáng)度、切削加工性能和漲斷性能等方面，新研發(fā)的漲斷連桿鋼種成分見表8。阿賽洛米塔爾開發(fā)了高強(qiáng)度高壓共軌用鋼，其組織和性能見表9，日本新日鐵、豐田公司、住友商社、本田公司、大同特鋼和韓國現(xiàn)代汽車公司開發(fā)了高強(qiáng)度漲斷連桿用鋼。在107次循環(huán)次數(shù)下，25MnCrSiVB6的疲勞極限比38MnSiV5提高了10%，同時為提高用該鋼所制零件的疲勞性能，在關(guān)鍵部位引入局部壓應(yīng)力，效果良好。

用于連桿的非調(diào)質(zhì)鋼還有40MnVN或35Mn-VN鋼，對于這類中碳非調(diào)質(zhì)鋼，既要提高強(qiáng)度又要盡可能小地?fù)p失韌性，一般采用降低AC1的方法，以細(xì)化珠光體片層間隙，并增加珠光體含量而實(shí)現(xiàn)。漲斷連桿工藝的采用，有效地改進(jìn)了連桿裝配時的失圓問題，節(jié)省工時，降低成本。德國大眾公司的漲斷連桿工藝所采用的鋼種為Thyssen公司的C70S6鋼，其成分特點(diǎn)為低硅和低錳，用釩微合金化，同時加入硫，以改善加工性和細(xì)化組織。該鋼的主要性能為 Rm=924 MPa、Rp0.2=580 MPa、A50=10%、Z=20%、AKV=29 J/cm2，硬度264 HB。用該鋼制作的連桿，經(jīng)噴丸處理后，在循環(huán)次數(shù)為5×106次的情況下，連桿的疲勞極限為（R=-1）46.5 kN。正如前述，日本漲斷連桿用鋼為低碳的晶內(nèi)非調(diào)質(zhì)鋼。

表8 新研發(fā)的漲斷連桿鋼種成分Table 8 Chemical composition of newly developed cracking connection rod steels

表9 阿賽洛米塔爾鋼鐵集團(tuán)開發(fā)的高強(qiáng)度高壓共軌用鋼的組織和性能Table 9 The microstructure and mechanical property of high strength and high pressure common rail steel developed by Arcelor-Mittal

韓國現(xiàn)代汽車公司的研發(fā)中心也對漲斷連桿用鋼進(jìn)行了研究，用于乘用車的柴油機(jī)連桿，不僅性能改善，而且價格便宜。由于采用整體鍛造，然后漲斷的工藝，致使機(jī)加工費(fèi)用較低。裝配時漲斷的頭部和桿緊密接觸，提高了連桿剛度，改進(jìn)了曲軸系統(tǒng)的零件的相容性，對于改善發(fā)動機(jī)功能具有明顯的優(yōu)勢。與普通連桿相比，這種連桿的造價可降低25%，而發(fā)動機(jī)性能明顯改進(jìn)，鍛造毛坯的重量偏差小于±1%。

連桿目前的發(fā)展趨勢為：歐洲部分用漲斷連桿，鋼材為非調(diào)質(zhì)鋼；美國廣泛應(yīng)用粉末冶金（PM）和碳素鋼；日本大多用微合金。粉末冶金連桿的優(yōu)點(diǎn)是重量準(zhǔn)確，而漲斷連桿的優(yōu)點(diǎn)是價格便宜。韓國所進(jìn)行的漲斷連桿的試驗(yàn)用材分別為S1（漲斷連桿用高碳微合金鋼）、S2（普通微合金鋼）、S3（碳鋼），其化學(xué)成分見文獻(xiàn)[2]。

高碳漲斷連桿用鋼是為了保證得到?jīng)]有延性出現(xiàn)的、清晰的斷裂表面。表10為各類漲斷連桿材料的機(jī)械性能對比表，S1鋼的硬度分散范圍為HV232-285。圖5給出了不同連桿材料的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，其中圖5a為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞曲線，圖5b為拉-壓疲勞試驗(yàn)結(jié)果，圖5c為連桿總成的動荷試驗(yàn)疲勞曲線。從圖5a可以看出，漲斷連桿用鋼的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限為392 MPa，普通微合金非調(diào)質(zhì)鋼為363～392 MPa，一般碳鋼為333 MPa，即漲斷連桿用鋼有略高的疲勞極限。從圖5b可以看出，其拉壓疲勞極限為343 MPa（比旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限低了15%，與理論預(yù)測相一致），而粉末冶金的拉壓疲勞極限為290 MPa，比漲斷連桿用鋼低了18%。為證明其漲斷連桿的實(shí)際適用性，進(jìn)行了連桿總成和發(fā)動機(jī)的動荷試驗(yàn)，該發(fā)動機(jī)連桿設(shè)計的理論疲勞極限為：-33.5（平均載荷）±41.4 kN（動荷），并考慮了一定的安全因子。從圖5c可以看出：其疲勞極限為-33.5±54.5 kN，考慮到外加安全因子，可以得出材料輸入數(shù)據(jù)和疲勞結(jié)果的一致性，而連桿的設(shè)計和計算機(jī)輔助分析（CAE）是基于試驗(yàn)獲得的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，幾種模式的發(fā)動機(jī)動荷試驗(yàn)表明了漲斷連桿的可靠性和應(yīng)用的可行性。

表10 各類漲斷連桿材料的機(jī)械性能對比表Table 10 Mechanical properties comparison of various cracking connection rod materials

圖5 連桿總成的疲勞曲線Fig.5 Fatigue curves of connection rod assembly

在漲斷連桿鍛造之后，為得到所希望的組織和硬度，需系統(tǒng)控制冷卻。由于連桿質(zhì)量的變化，僅通過較低的容量，傳送帶速度和風(fēng)咀幾何要準(zhǔn)確控制冷卻速度是困難的，但對不同大小的連桿，可以設(shè)定一個氣壓表的范圍。通過參考這些數(shù)據(jù)，就可以設(shè)定自己的冷卻條件，以獲得所希望的組織和硬度。慢冷會得到晶界鐵素體且晶粒粗大，快冷會得到細(xì)小晶粒的珠光體組織。加工好的連桿經(jīng)激光和機(jī)加工制作缺口，在一定的工裝和夾具下用液壓機(jī)將其漲斷。

為了進(jìn)一步改善鐵素體-珠光體這類非調(diào)質(zhì)鋼的韌性，同時保持較高強(qiáng)度，而開發(fā)了30Mn2SiV和用鈦-釩復(fù)合合金化的非調(diào)質(zhì)鋼。由于錳和硅含量較高，鍛后空冷即可得到F+P組織，當(dāng)冷速較高時，還會得到F+P+少量貝氏體的復(fù)合組織，這類鋼在Rm≥850 MPa時，其沖擊值大于59 J。可以有效地擴(kuò)大非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用范圍。德國也開發(fā)了含硅和低碳加硅的非調(diào)質(zhì)鋼，如44MnSiVS6、38MnSiVS5、27MnSiVS6等。

非調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展的趨勢是降低釩的含量，以降低其生產(chǎn)成本。而優(yōu)化氮的作用是一個重要途徑，氮在非調(diào)質(zhì)鋼中以釩的氮化物沉淀析出，改善釩的沉淀強(qiáng)化效果，節(jié)約釩元素，細(xì)化鐵素體晶粒，提高氮化鈦的穩(wěn)定性，阻止奧氏體晶粒粗化。試驗(yàn)表明，每添加10 ppm的氮可以提高非調(diào)質(zhì)鋼6～10 MPa的屈服強(qiáng)度。因此，近年來美國福特汽車公司以及國內(nèi)的陳蘊(yùn)博等探討了氮對非調(diào)質(zhì)鋼的作用，同時開發(fā)了38MnNS5非調(diào)質(zhì)鋼。氮的加入還可以優(yōu)化釩在鋼中的分布和作用，例如，不含氮的鋼中釩的固溶量為56%，析出量為35%，釩氮復(fù)合加入可以使釩的固溶量減為22%，析出量達(dá)到70%。氮化釩的存在還可以促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體的形核，從而利于形成晶內(nèi)非調(diào)質(zhì)鋼。

中國汽車工程研究院股份有限公司、江西五十鈴汽車有限公司和北京機(jī)械工業(yè)研究院結(jié)合引進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行了含氮非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用研究，并取得了重要進(jìn)展。開發(fā)的曲軸用38 MnNS5的非調(diào)質(zhì)鋼，其屈服強(qiáng)度為510 MPa，抗拉強(qiáng)度為850 MPa，延伸率為22%，斷面收縮率為49.5%。從曲軸上取樣進(jìn)行的應(yīng)變-疲勞曲線見圖6。其力學(xué)性能和應(yīng)變疲勞性能可和49MnVS3相比，且其延性更為優(yōu)異，在應(yīng)變疲勞的低周區(qū)，壽命更高。

圖6 38MnNS5鋼的應(yīng)變-疲勞曲線Fig.6 Strain-life curve of 38MnNS5 steel

非調(diào)質(zhì)鋼在微合金化方面取得的進(jìn)展是鈮釩復(fù)合微合金化，馬鳴圖等曾申報鈮釩復(fù)合微合金化非調(diào)質(zhì)鋼發(fā)明專利《一種復(fù)合微合金化的大截面非調(diào)質(zhì)鋼》——ZL 2011 1 0128692.4[13]，該非調(diào)質(zhì)鋼主要用于工程機(jī)械的大截面半軸，軋材尺寸為Ф60 mm，從軋材半徑1/2處取樣，其屈服強(qiáng)度為550 MPa，抗拉強(qiáng)度為850 MPa，斷后延伸率≥14%，斷面收縮率≥40%，沖擊吸收功≥38 J，加工成半軸后感應(yīng)淬火層的深度為11 mm，在工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用效果良好。文獻(xiàn)[14]曾詳細(xì)研究了Nb-V復(fù)合微合金化對非調(diào)質(zhì)鋼軋材組織和性能的影響，研究用鋼成分為C0.42、Si0.30、Mn1.20、P0.014、S0.008、Cr0.49、Al0.024、V+B+Ti≤0.22，該鋼代號為鋼1。另一對比鋼號的基本成分相同，但加入Nb0.02，該鋼代號為鋼2，其機(jī)械性能對比見表11。兩種鋼的沖擊曲線對比如圖7所示。

表11 V和Nb-V復(fù)合非調(diào)質(zhì)鋼的機(jī)械性能對比Table 11 Mechanical properties comparison of V and Nb-V non-quenched and tempered steels

圖7表明，Nb-V復(fù)合可明顯改善非調(diào)質(zhì)鋼的沖擊性能，提高其沖擊功。這與N-V復(fù)合可以使晶粒細(xì)化和珠光體片層細(xì)化的結(jié)果相一致，如圖8所示。

圖7 沖擊曲線Fig.7 Impact curves

圖8 珠光體形貌對比Fig.8 Morphology comparison of pearlite

兩鋼種的沖擊斷口的形貌明顯不同，鋼1起裂區(qū)的韌性斷裂寬度為375 μm，最后斷裂區(qū)韌性斷裂區(qū)的寬度為230 μm，均遠(yuǎn)高于鋼2所對應(yīng)的區(qū)域（鋼2所對應(yīng)區(qū)域分別為15 μm和100 μm）。鋼1及鋼2的沖擊斷口三裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、斷裂區(qū)的形貌對比見圖9。圖9a為鋼1沖擊斷口的起裂區(qū)和裂紋快速擴(kuò)展區(qū)的交界處；圖9b為鋼1沖擊斷口的快速擴(kuò)展區(qū)；圖9c為鋼1沖擊斷口的快速擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)及交界面；圖9d為鋼2沖擊斷口的起裂區(qū)和裂紋快速擴(kuò)展區(qū)的交界處；圖9e為鋼2沖擊斷口的快速擴(kuò)展區(qū)；圖9f為鋼2沖擊斷口的快速擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)及交界面。

圖9 沖擊斷口組織特征Fig.9 Characteristics of impact fracture morphology

3 非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)化機(jī)理

3.1 非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)化方程

一系列研究探討的非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)化機(jī)理，并提出了一些相關(guān)的強(qiáng)度和韌性的計算方程和理論模型[2，8，11，15，16]。根據(jù)非調(diào)質(zhì)鋼的基體不同其強(qiáng)化方程也有區(qū)別，但作為材料的強(qiáng)化原理，通常包括以下幾個方面：位錯運(yùn)動的點(diǎn)陣阻力、固溶強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化、晶粒細(xì)化強(qiáng)化、第二相粒子的沉淀強(qiáng)化，以及珠光體片層細(xì)化強(qiáng)化，對于珠光體+鐵素體型非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)化方程如下：

對于貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼，即對于較小的截面，空冷也不會出現(xiàn)馬氏體組織，這類鋼比鐵素體-珠光體非調(diào)質(zhì)鋼具有更高的抗拉強(qiáng)度和韌性。貝茵鐵素體的條束尺寸，碳化物粒子的大小、分布、數(shù)量和間距尺寸，貝氏體條內(nèi)的位錯密度，以及固溶強(qiáng)化等都是貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)化因素，低碳貝氏體板條密度，碳化物質(zhì)點(diǎn)與屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系可用下列方程表示：

考慮到化學(xué)成分的影響，可以表示為

對于馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼，具有較高的強(qiáng)度，良好的強(qiáng)韌性匹配，良好的淬透性和高的疲勞極限。這類非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)具有條狀（或位錯型）馬氏體的基本特征，其屈服強(qiáng)度可用下列方程表示

或表示為

其韌脆轉(zhuǎn)變溫度可以表示為

式（6）～（8）中，σ0為 P-N 力，對鋼鐵材料約為88 MPa；K為強(qiáng)化系數(shù)；d為馬氏體條束的尺寸；λ為第二相粒子的間距。

3.2 微合金元素常用的固溶度積方程

非調(diào)質(zhì)鋼種的一個重要因素是微合金元素Nb、V、Ti等元素的作用，它們的存在形式、固溶度可用固溶度積方程進(jìn)行計算和預(yù)測。常用的固溶度積方程如下[17]。

1）釩（V）是微合金鋼的主要添加元素，單獨(dú)加入時形成VC，屬中間相，其濃度可在VC～V4C3變化，其固溶度積關(guān)系式為

當(dāng)Mn存在時，V的固溶溫度還可能降低，Mn存在時V的固溶度積方程為

2）鈮（Nb）在鋼中可能形成NbC～NbC0.87間隙中間相，當(dāng)Nb-V-N復(fù)合添加時，可以形成復(fù)雜的碳化物。其固溶度積方程為

3）鈦（Ti）在鋼中常以TiC或Ti（C、N）的形式存在，其固溶度積方程為

3.3 晶內(nèi)鐵素體非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)化

鐵素體-珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼鍛件在冷卻過程產(chǎn)生相變時，先共析鐵素體易沿原奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，得到粗大的鐵素體-珠光體組織，損害韌性。但通過控制冶金工藝，在奧氏體晶內(nèi)提供大量微細(xì)夾雜物作為鐵素體形核位置，使其不僅在晶界，而且在晶內(nèi)析出，分割奧氏體晶粒，形成細(xì)小均勻的鐵素體，能顯著改善鋼的強(qiáng)韌性。氧化物冶金技術(shù)可以有效促進(jìn)晶內(nèi)非調(diào)質(zhì)鋼的生成，從而有效地提高鐵素體-珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌性。晶內(nèi)鐵素體的非調(diào)質(zhì)鋼的組織形成、動力學(xué)和結(jié)晶學(xué)在文獻(xiàn)[18]進(jìn)行了詳細(xì)的研究。有關(guān)結(jié)果在文獻(xiàn)[2]中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)展示和論述，其典型結(jié)果見圖10和圖11所示[18]。

圖10 形成在復(fù)雜碳化物沉淀上的晶內(nèi)鐵素體的結(jié)晶學(xué)Fig.10 Crystallography of in tragranular ferrite forming on the complex carbide precipitation

3.4 控軋（鍛）-控冷技術(shù)

控軋（鍛）-控冷是提高非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌性的主要途徑[19～23]?？剀垼ㄥ懀?控冷技術(shù)主要控制參量包括：鍛造加熱溫度、終鍛溫度、鍛后冷卻速度、變形量和變形速率。各參數(shù)對非調(diào)制剛強(qiáng)韌性的影響如下：a.提高鍛造加熱溫度，可使V、Nb、Ti的碳氮化合物逐漸溶入奧氏體中，大量溶解的微合金碳氮化合物在冷卻過程中析出，可提高鋼的強(qiáng)度和硬度；但另一方面，溫度升高，奧氏體晶粒長大，組織粗化，韌性下降；b.當(dāng)控制較低終鍛溫度，可使晶粒破碎程度增加，晶界數(shù)量增加，有效地產(chǎn)生形變誘發(fā)析出彌散質(zhì)點(diǎn)，同時再結(jié)晶驅(qū)動力小，晶粒細(xì)化，有利于改善韌性；c.當(dāng)變形量和變形速率較大時，奧氏體晶粒碎化，奧氏體粗晶再結(jié)晶成細(xì)晶，由于晶界增多具有大量形核位置，所以形成大量先共析鐵素體精細(xì)相變組織，均勻分布在組織里，這對鋼的韌性有利；d.自然冷卻不能有效控制非調(diào)質(zhì)鋼的質(zhì)量，冷速的優(yōu)化控制直接影響鋼的組織性能。

圖11 在953 K形成的自形鐵素體的SEM照片、形貌和相應(yīng)的取向圖及立體投影圖Fig.11 SEM photographic，morphology and polar diagram of idiomorphic ferrite formed at 953 K

國內(nèi)有鋼廠采用先進(jìn)的工藝技術(shù)來提高非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌性，如蘇州蘇信特鋼有限公司，采用分段控冷技術(shù)，以充分發(fā)揮非調(diào)質(zhì)鋼中組織強(qiáng)化作用，用普通合金含量的非調(diào)質(zhì)鋼（如38MnNS6），取得了高強(qiáng)韌性效果，其相關(guān)性能檢測數(shù)據(jù)如表12所示，提升了非調(diào)質(zhì)鋼的性價比，更有利于推廣非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用。機(jī)械科學(xué)研究總院與企業(yè)合作建立了車用非調(diào)質(zhì)鋼曲軸、連桿等零件的控鍛-控冷生產(chǎn)線，如圖12所示，能有效地提升零部件的功能?！?/p>

表12 38MnNS6非調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能Table 12 Mechanical property of non-quenched and tempered steel 38MnNS6

4 非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用

圖12 非調(diào)質(zhì)鋼的控冷線Fig.12 Control cooling line for non-quenched and tempered steel

鑒于非調(diào)質(zhì)鋼具有顯著的節(jié)能減排效果，因此在機(jī)械行業(yè)和汽車行業(yè)已經(jīng)得到并正在進(jìn)一步地擴(kuò)大應(yīng)用。在機(jī)械行業(yè)主要是用于一些長形的桿狀零件，這些零件在調(diào)質(zhì)時會產(chǎn)生變形，增加校直工序的麻煩，并影響工件的使用性能。例如，機(jī)床的絲桿、石油機(jī)械的抽油桿等。

在汽車行業(yè)其應(yīng)用越來越廣泛，20世紀(jì)70年代末的石油危機(jī)導(dǎo)致生產(chǎn)中耗能巨大的汽車工業(yè)大量采用非調(diào)質(zhì)鋼，而目前保護(hù)地球環(huán)境和汽車工業(yè)進(jìn)一步的發(fā)展使非調(diào)質(zhì)鋼又進(jìn)一步得到廣泛的應(yīng)用。主要應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼的汽車構(gòu)件如圖13所示。典型構(gòu)件實(shí)體圖如圖14所示。漲斷連桿是非調(diào)質(zhì)鋼的一個典型應(yīng)用，由于輕量化的需要，漲斷連桿的強(qiáng)度迅速提升，而要保持合適的漲斷性能，對非調(diào)質(zhì)鋼要求合理的強(qiáng)韌性匹配。

圖13 主要應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼的汽車構(gòu)件Fig.13 Automotive components for mainly using nonquenched and tempered steels

圖14 典型構(gòu)件示意圖Fig.14 Schematics of typical automotive components

典型某柴油機(jī)漲斷連桿用的非調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分如表13所示。連桿本體取樣的機(jī)械性能及疲勞極限如表14所示[24]。

表13 漲斷連桿用YC6K480-300非調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分Table 13 Chemical composition of non-quenched and tempered steel YC6K480-300 for cracking connection rod%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

表14 連桿本體取樣的機(jī)械性能及疲勞極限Table 14 Mechanical properties of samples cut from connection rod and fatigue limit

由連桿疲勞強(qiáng)度和工作載荷的概率分布得到可靠度系數(shù)b和可靠度R：

式（15）中，xf為樣本疲勞強(qiáng)度均值；xl為工作載荷均值；sf為樣本疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)離差；sl為工作載荷標(biāo)準(zhǔn)離差。

非調(diào)質(zhì)鋼在五十鈴轉(zhuǎn)向節(jié)上的應(yīng)用見文獻(xiàn)[25]。非調(diào)質(zhì)鋼在緊固件上的應(yīng)用是基于冷拉強(qiáng)化和包辛格效應(yīng)，可以有效地簡化緊固件的制造工序，提高材料利用率。20世紀(jì)80年代國外已經(jīng)開發(fā)成功并批量應(yīng)用，主要用于制造7T、8.8級和9.8級的螺栓，也有用于制造10.9級的高強(qiáng)度螺栓，10.9級以上的螺栓為含碳0.1%的C-Mn-Si系加Cr、Ti、B等組織為貝氏體的非調(diào)質(zhì)鋼，10.9級以下的多采用含碳0.2%的C-Mn鋼，加微量的Nb、V微合金化，組織為鐵素體-珠光體，這類非調(diào)質(zhì)鋼可以縮短生產(chǎn)周期15%，提高材料利用率3%～4%，取消了退火，減少了拉拔前的酸洗，取消了調(diào)質(zhì)處理。這類非調(diào)質(zhì)鋼是利用冷加工進(jìn)行強(qiáng)化，利用冷拉拔后材料的包申格效應(yīng)，在冷拉表面強(qiáng)化的同時，也可以改善螺栓的冷鐓性能，而拉拔造成表面強(qiáng)化和壓應(yīng)力又可以有效改善螺栓的疲勞性能，從而提高螺栓的使用效果。

5 擴(kuò)大非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用的問題和建議

我國非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用數(shù)量和品種與國外均有較大差距，特別是高性能、高切削加工性、硫化物形態(tài)控制的、高疲勞性能的非調(diào)質(zhì)鋼與國外有較大差距，難以滿足汽車工業(yè)應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼制件功能和輕量化的要求。目前我國汽車用非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展過程中還存在以下問題。

5.1 擴(kuò)大非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)應(yīng)用中存在的問題

1）標(biāo)準(zhǔn)體系不完善。目前執(zhí)行的“非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼”標(biāo)準(zhǔn)涵蓋鋼種面較小，約占目前用戶所使用非調(diào)質(zhì)鋼鋼號的30%。在非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用中，國外有相應(yīng)的各類型標(biāo)準(zhǔn)，如意大利的依維柯公司，與漲斷連桿相關(guān)非調(diào)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)就有6項(xiàng)，而我國這類標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重缺失，影響了非調(diào)質(zhì)鋼的推廣和應(yīng)用。

2）汽車用非調(diào)制鋼結(jié)構(gòu)件性能需求不明確。汽車廠對非調(diào)質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)件的性能評價不全面，僅簡單的用調(diào)質(zhì)鋼的標(biāo)準(zhǔn)來要求非調(diào)質(zhì)鋼，使得非調(diào)質(zhì)鋼在使用過程無參考依據(jù)。從而限制了非調(diào)質(zhì)鋼在國內(nèi)的應(yīng)用和推廣。

3）汽車用非調(diào)質(zhì)鋼品種有待增加、性能有待提升。目前國內(nèi)高強(qiáng)韌性、高性價比的非調(diào)質(zhì)鋼種品種不足。成分波動范圍大，性能不穩(wěn)定。如日本新日鐵不同爐號之間的成分幾乎相同，而我國不同爐號之間的成分差距很大，甚至判若兩個鋼號。

4）硫化物形態(tài)、尺寸的控制手段不足；硫化物對非調(diào)質(zhì)鋼組織和性能的影響機(jī)理需深入研究；無硫化物形態(tài)評級標(biāo)準(zhǔn)。硫化物的形態(tài)、分布及大小對非調(diào)質(zhì)鋼組織和性能有較大影響。硫化物除了可以提高非調(diào)質(zhì)鋼切削性能、細(xì)化晶粒外，還對非調(diào)質(zhì)鋼疲勞極限有明顯的影響。但目前其控制手段有限，相關(guān)的機(jī)理研究也有待進(jìn)一步深入。

5.2 擴(kuò)大非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)及應(yīng)用的建議

針對目前國內(nèi)汽車用非調(diào)質(zhì)鋼存在的問題，筆者等提出以下幾個方面的發(fā)展建議。

1）汽車用非調(diào)質(zhì)鋼部件功能數(shù)據(jù)的積累。對典型汽車用非調(diào)質(zhì)鋼零部件（曲軸、連桿等）進(jìn)行全面的性能及使用工況分析。在研究各種因素對零件功能影響的基礎(chǔ)上，制定和完善產(chǎn)品的相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)。提高我國非調(diào)質(zhì)鋼的冶金水平，以保證非調(diào)質(zhì)鋼成分、性能的一致性，及C當(dāng)量的一致性。

2）開發(fā)高強(qiáng)韌性、高性價比的非調(diào)質(zhì)鋼。開發(fā)高強(qiáng)韌性的非調(diào)質(zhì)鋼，以滿足汽車構(gòu)件輕量化和構(gòu)件的特殊性能要求（如高壓共軌零部件）。開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、高性價比的非調(diào)質(zhì)鋼（如38MnNS5），滿足量大、面廣的汽車非調(diào)質(zhì)鋼構(gòu)件的需求。

3）非調(diào)質(zhì)鋼工藝分析。對經(jīng)濟(jì)實(shí)用、高強(qiáng)、高韌非調(diào)質(zhì)鋼的冶金、軋（鍛）制和控冷過程中的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行研究，相關(guān)牌號的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)地檢測，結(jié)合零部件的制作工藝和使用要求，系統(tǒng)研究非調(diào)質(zhì)鋼控軋（鍛）-分段控冷技術(shù)與鋼材的性能、零部件的功能以及鋼種本身的物理、力學(xué)冶金數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并準(zhǔn)確測量鋼種的CCT曲線（連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線），作為控軋（鍛）-分段控制冷技術(shù)研究和非調(diào)質(zhì)鋼性能預(yù)測的基本依據(jù)。

4）微合金化作用。研究復(fù)合微合金化作用，優(yōu)化合金含量，優(yōu)化高性價比的大截面非調(diào)質(zhì)鋼的成分體系和工藝流程，建立大尺寸非調(diào)質(zhì)鋼零件的制造工藝和性能預(yù)測系統(tǒng)。并在經(jīng)表面淬火強(qiáng)化的零件用非調(diào)質(zhì)鋼中，添加微合金元素B，以保證表面淬硬層深度。

5）硫化物對非調(diào)質(zhì)鋼組織、性能的影響機(jī)理研究。研究高硫易切非調(diào)質(zhì)鋼中硫化物形態(tài)、大小、尺寸等對非調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能、疲勞性能及切削性能的影響，作為制定非調(diào)質(zhì)鋼硫化物形態(tài)評級標(biāo)準(zhǔn)圖譜的試驗(yàn)依據(jù)。

6 結(jié)語

微合金非調(diào)質(zhì)鋼起源于20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)，因其具有節(jié)能、簡化生產(chǎn)工序、提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，已在汽車行業(yè)中廣泛應(yīng)用。非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展，為汽車工業(yè)生產(chǎn)中的節(jié)能減排和產(chǎn)品質(zhì)量的提高發(fā)揮了重要作用。因此，各國競相開發(fā)適合本國國情的非調(diào)質(zhì)鋼系列，并將其大規(guī)模應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)中，尤其是汽車制造業(yè)中，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

近年來，對于非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)化原理進(jìn)行了大量的研究，這對非調(diào)質(zhì)鋼的性能的預(yù)測打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但仍有很多工作需要深入探討。進(jìn)一步擴(kuò)大非調(diào)質(zhì)鋼在我國汽車行業(yè)的應(yīng)用范圍，仍需開展大量的應(yīng)用研究工作，需應(yīng)用新工藝、新裝備，通過調(diào)整合金成分體系，降低非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)成本。我國非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)的不同批次的性能的一致性、硫化物形態(tài)的控制、相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)、非調(diào)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)的完善等諸多方面都需要開展進(jìn)一步的深入研究，以積累應(yīng)用工藝和組織性能的數(shù)據(jù)，修改和完善相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，制定非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用所需的標(biāo)準(zhǔn)，以打好非調(diào)質(zhì)鋼在我國應(yīng)用的基礎(chǔ)，進(jìn)一步推廣應(yīng)用節(jié)能減排、輕量化的非調(diào)質(zhì)鋼。

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Resent progress of non-quenched and tempered steel for automotive sheet

Chen Yunbo1，2，Ma Mingtu3，Wang Guodong4
（1.Advanced Manufacture Technology Center China Academy of Machinery Science&Technology，Beijing 100044，China；2.The State Key Laboratory of Advanced Forming Technology and Equipment，Beijing 100083，China；3.China Automotive Engineering Research Institute Co.Ltd.，Chongqing 400039，China；4.The State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

The resent application and progress of non-quenched and tempered steel is reviewed.The mechanism of strength and toughness and the method to improve them are discussed.Some new research processes are presented，which include strengthening equation，solid solubility product equation of micro alloying elements，strengthening by intragranular ferrite（IGF），controlled rolling and cooling technology of non-quenched and tempered steel.The typical applications of various non-quenched and tempered steels in automotive industry are 1isted.The problems for the production and application of non-quenched and tempered steel in China are also analyzed.Some suggestions for enlarging future manufacture and applications in automotive industry are also put forward.

non-quenched and tempered steel；development and application；micro-alloying；strengthen principle

TG142.21

A

1009-1742（2014）02-0004-14

2013-10-12

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）（2013AA031605）

陳蘊(yùn)博，男，中國工程院院士，主要從事材料、材料加工領(lǐng)域科技工作