汽配型小型金材整合鋼質的集成—華蓋機械
發布人員：網站管理員 新聞來源： 發布日期：2013-6-25
將淬回火調質鋼改成空冷非調質鋼的主要驅動力是降低成本。通過下列全部或部分工藝路線可降低總的制造成本：省去熱處理；不需再進行校正；縮短訂貨至交貨時間；減少再加工。
在性能上非調質鋼零件比較普通熱處理調質鋼的優勢為：減少變形；減少機械性能的偏差；整個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，德國發展了鍛態微合金化中碳鋼49MnVS3，主要用作汽車發動機的曲軸，80年代非調質鋼得到迅速發展。曲軸用傳統調質鋼CK45（相當于SAE1045，C0142%0145%，Mn015%018%，即45鋼）需要進行淬火處理，且能耗高，在淬火時有淬裂的危險，變形程度大；但是在采用非調質鋼49MnVS3時（C0147%，Mn0175%，V0110%，S0105%），則不需要熱處理設備及有關熱處理工藝所需之費用，同時排除了工件產生裂紋和變形的危險。
日本汽車工業也在20世紀70年代末期接受了該鋼類并加以發展。到80年代中期，日本鍛造連桿的75%、鍛造曲軸的55%是由微合金非調質鋼制造；當時歐洲鍛造連桿、曲軸和前軸梁有30%35%是由非調質鋼制造，隨即非調質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驗室在70年代聯合開發的Vanard系列非調質鋼覆蓋的強度范圍為7001000MPa，主要用來制作曲軸、連桿、輪軸和輪轂。1為Vanard非調質鋼、調質合金鋼和SG球墨鑄鐵機械性能對比。非調質鋼的經濟性已在應用中得到體現，Rover集團聲稱，在A系列1131發動機曲軸使用微合金非調質鋼，按1982年價格每年已經節省50萬英磅。日本日產汽車公司有90%的曲軸都已采用非調質鋼制造，只是采用非調質鋼制造汽車前輪輪轂后，就使該項生產成本降低45%.空冷鐵素體2珠光體非調質鋼通過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珠光體非調質鋼的強度可達7501150MPa，主要用來制造曲軸、連桿、輪軸和輪轂。雖然鐵素體2珠光體非調質鋼的沖擊韌性低于相等強度的調質鋼，但仍可滿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在空冷狀態下的強度極限超過850MPa，它是通過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）沉淀進行強化，替代Mn和Mn2Cr型調質鋼。可以通過增加鋼材鍛后的冷卻速度來提高零件的強度，因為冷速的提高（由自然冷卻改為風冷）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生后一種轉變。
一般空冷非調質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鋼相比，微合金化非調質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，非調質鋼的組織可能含75%的珠光體和25%的鐵素體。
實踐表明，降低碳含量，增加Mn或Cr含量有利于提高非調質鋼的韌性。降低碳含量對鋼的強度損失較大，但顯著提高沖擊韌性，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，則在同一強度下非調質鋼的韌性提高30JPcm2，與調質碳鋼相當。
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鋼的韌性，但會增加鍛造和軋制的能耗，降低鍛軋設備的生產能力。非調質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。
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，冷卻速度對轉變產物鐵素體和珠光體的形態，及兩相的相對量都有重要影響。如將加熱后的非調質鋼冷卻到800e左右再進行適量的熱作變形，或將終加工溫度降至800e以下，可以顯著提高非調質鋼的韌性。
高韌性非調質鋼的發展鐵素體2珠光體非調質鋼通常為中碳鋼，加入釩等微量元素，通過增加珠光體量和碳化釩等沉淀強化來提高鋼的強度，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。但非調質鋼為鐵素體2珠光體組織，其韌性一般都低于調質鋼的回火索氏體組織，再加上共格析出物的沉淀強化，則進一步降低了鋼的韌性，使非調質鋼在承受沖擊負荷零部件上的應用受到限制。為了克服非調質鋼韌性不足，促進了高韌性非調質鋼的發展。
調質鋼的強韌性主要受化學成分和熱處理工藝的影響，而非調質鋼的強韌性除受化學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，進而影響再結晶過程。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。所以對非調質鋼來說，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。
化學成分對非調質鋼強韌性的影響化學成分對非調質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）提高強度同時還能改善韌性的元素有Mn、Cr、Cu+Ni、Mo.20世紀80年代已開發了中碳錳鉻非調質鋼：0145C21Mn2015Cr2011V，稱之為IVA1000.其抗拉強度和疲勞強度均優于調質鋼水平，沖擊韌性可通過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在非調質鋼中的作用是降低強度，改善韌性。在Mn含量為110%215%時，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。為了得到高質量和性能穩定的非調質鋼，有的采用超純凈鋼冶煉技術，使化學成分控制在很窄的范圍內，如曲軸用非調質鋼，要求成分波動范圍為：C0103%，Mn0110%，V0103%，同時限定Cr、Mo含量。
晶粒細化對非調質鋼韌性的影響除上面提到的加入適當Ti、Al、N來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，因產生形變誘發析出，再結晶核心增加，再結晶后的晶粒長大的驅動力小，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大。冷卻速度過慢也會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快的冷卻，否則會產生殘余應力，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，但與淬回火調質鋼相比，含微量Ti的非調質鋼的韌性仍顯不足。因為在這種情況下，當鋼加熱至1250e時難以保持鋼的奧氏體晶粒比7級還細。
非調質鋼在熱加工后的冷卻過程中，首先鐵素體沿奧氏體晶界成核生長，其余奧氏體轉變成珠光體團。這種由鐵素體網包圍的珠光體的組織結構的韌性很差。
從另一方面來看，如果能在原奧氏體晶粒內產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加釩和氮。研究發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，因非調質鋼具有節約能源、減少工件變形和開裂、減少環境污染等優點，受到世界各主要工業化國家的普遍重視，尤其是改善非調質鋼韌性新技術的采用，完善了非調質鋼系列產品，擴大了非調質鋼的使用范圍，并大規模應用于機械制造業，尤其是汽車工業。（2）我國非調質鋼在應用上、標準水平和實物質量穩定性等方面均有所進展，但應開發高性能非調質鋼。
在性能上非調質鋼零件比較普通熱處理調質鋼的優勢為：減少變形；減少機械性能的偏差；整個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，德國發展了鍛態微合金化中碳鋼49MnVS3，主要用作汽車發動機的曲軸，80年代非調質鋼得到迅速發展。曲軸用傳統調質鋼CK45（相當于SAE1045，C0142%0145%，Mn015%018%，即45鋼）需要進行淬火處理，且能耗高，在淬火時有淬裂的危險，變形程度大；但是在采用非調質鋼49MnVS3時（C0147%，Mn0175%，V0110%，S0105%），則不需要熱處理設備及有關熱處理工藝所需之費用，同時排除了工件產生裂紋和變形的危險。
日本汽車工業也在20世紀70年代末期接受了該鋼類并加以發展。到80年代中期，日本鍛造連桿的75%、鍛造曲軸的55%是由微合金非調質鋼制造；當時歐洲鍛造連桿、曲軸和前軸梁有30%35%是由非調質鋼制造，隨即非調質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驗室在70年代聯合開發的Vanard系列非調質鋼覆蓋的強度范圍為7001000MPa，主要用來制作曲軸、連桿、輪軸和輪轂。1為Vanard非調質鋼、調質合金鋼和SG球墨鑄鐵機械性能對比。非調質鋼的經濟性已在應用中得到體現，Rover集團聲稱，在A系列1131發動機曲軸使用微合金非調質鋼，按1982年價格每年已經節省50萬英磅。日本日產汽車公司有90%的曲軸都已采用非調質鋼制造，只是采用非調質鋼制造汽車前輪輪轂后，就使該項生產成本降低45%.空冷鐵素體2珠光體非調質鋼通過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珠光體非調質鋼的強度可達7501150MPa，主要用來制造曲軸、連桿、輪軸和輪轂。雖然鐵素體2珠光體非調質鋼的沖擊韌性低于相等強度的調質鋼，但仍可滿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在空冷狀態下的強度極限超過850MPa，它是通過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）沉淀進行強化，替代Mn和Mn2Cr型調質鋼。可以通過增加鋼材鍛后的冷卻速度來提高零件的強度，因為冷速的提高（由自然冷卻改為風冷）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生后一種轉變。
一般空冷非調質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鋼相比，微合金化非調質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，非調質鋼的組織可能含75%的珠光體和25%的鐵素體。
實踐表明，降低碳含量，增加Mn或Cr含量有利于提高非調質鋼的韌性。降低碳含量對鋼的強度損失較大，但顯著提高沖擊韌性，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，則在同一強度下非調質鋼的韌性提高30JPcm2，與調質碳鋼相當。
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鋼的韌性，但會增加鍛造和軋制的能耗，降低鍛軋設備的生產能力。非調質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。
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，冷卻速度對轉變產物鐵素體和珠光體的形態，及兩相的相對量都有重要影響。如將加熱后的非調質鋼冷卻到800e左右再進行適量的熱作變形，或將終加工溫度降至800e以下，可以顯著提高非調質鋼的韌性。
高韌性非調質鋼的發展鐵素體2珠光體非調質鋼通常為中碳鋼，加入釩等微量元素，通過增加珠光體量和碳化釩等沉淀強化來提高鋼的強度，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。但非調質鋼為鐵素體2珠光體組織，其韌性一般都低于調質鋼的回火索氏體組織，再加上共格析出物的沉淀強化，則進一步降低了鋼的韌性，使非調質鋼在承受沖擊負荷零部件上的應用受到限制。為了克服非調質鋼韌性不足，促進了高韌性非調質鋼的發展。
調質鋼的強韌性主要受化學成分和熱處理工藝的影響，而非調質鋼的強韌性除受化學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，進而影響再結晶過程。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。所以對非調質鋼來說，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。
化學成分對非調質鋼強韌性的影響化學成分對非調質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）提高強度同時還能改善韌性的元素有Mn、Cr、Cu+Ni、Mo.20世紀80年代已開發了中碳錳鉻非調質鋼：0145C21Mn2015Cr2011V，稱之為IVA1000.其抗拉強度和疲勞強度均優于調質鋼水平，沖擊韌性可通過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在非調質鋼中的作用是降低強度，改善韌性。在Mn含量為110%215%時，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。為了得到高質量和性能穩定的非調質鋼，有的采用超純凈鋼冶煉技術，使化學成分控制在很窄的范圍內，如曲軸用非調質鋼，要求成分波動范圍為：C0103%，Mn0110%，V0103%，同時限定Cr、Mo含量。
晶粒細化對非調質鋼韌性的影響除上面提到的加入適當Ti、Al、N來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，因產生形變誘發析出，再結晶核心增加，再結晶后的晶粒長大的驅動力小，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大。冷卻速度過慢也會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快的冷卻，否則會產生殘余應力，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，但與淬回火調質鋼相比，含微量Ti的非調質鋼的韌性仍顯不足。因為在這種情況下，當鋼加熱至1250e時難以保持鋼的奧氏體晶粒比7級還細。
非調質鋼在熱加工后的冷卻過程中，首先鐵素體沿奧氏體晶界成核生長，其余奧氏體轉變成珠光體團。這種由鐵素體網包圍的珠光體的組織結構的韌性很差。
從另一方面來看，如果能在原奧氏體晶粒內產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加釩和氮。研究發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，因非調質鋼具有節約能源、減少工件變形和開裂、減少環境污染等優點，受到世界各主要工業化國家的普遍重視，尤其是改善非調質鋼韌性新技術的采用，完善了非調質鋼系列產品，擴大了非調質鋼的使用范圍，并大規模應用于機械制造業，尤其是汽車工業。（2）我國非調質鋼在應用上、標準水平和實物質量穩定性等方面均有所進展，但應開發高性能非調質鋼。
