淺談汽車用非調質鋼的應用現(xiàn)狀與發(fā)展論文
1 前言
近年來，隨著汽車產量和汽車保有量的不斷增加，汽車工業(yè)鋼鐵材料消耗量也在不斷增加。據統(tǒng)計，2009～2012 年汽車工業(yè)鋼材消耗量分別4500萬t、6000萬t、6500萬t和6 800萬t。傳統(tǒng)汽車零件以中碳鋼棒材為坯料，熱鍛成型后進行調質處理來提高強度和韌性，缺點是能耗高、工序多、周期長、污染重、成本高、效率低，且普遍存在淬透性不足，調質后零件芯部得不到強韌性匹配較好的組織。隨著冶金技術的進步，為了解決以上問題，在20世紀70年代末開發(fā)了一類新鋼種即微合金非調質鋼。
汽車工業(yè)用鋼在追求更高的零部件強韌性匹配度的同時更注重減輕重量，降低成本。非調質鋼通過微合金化、氧化物冶金技術及控軋控冷技術等便可實現(xiàn)高的強韌性匹配度，是滿足上述需求的有效途徑。非調質鋼的應用不僅可以省略調質過程、節(jié)省 30%～40%零件制造能耗、還可以降低20%成本。另外，應用非調質鋼可減少調質過程中淬火引起的變形開裂，從而簡化矯直工序。因此非調質鋼在汽車工業(yè)的應用可以顯著降低汽車零件制造過程中的能源消耗。目前國外非調質鋼的品種和用量都遠高于中國汽車工業(yè)，因此開發(fā)高強韌性、高切削加工性、低成本的非調質鋼，擴大非調質鋼在我國汽車工業(yè)中的應用，以滿足我國汽車工業(yè)節(jié)能減排和輕量化需求。
2 國內外非調質鋼的歷史及應用現(xiàn)狀
2.1 國外非調質鋼的歷史及應用現(xiàn)狀
20世紀70年代初，石油危機促使世界各國開始研制非調質鋼，用以代替碳素結構鋼和低合金結構鋼。20世紀80年代初，德國蒂森公司率先開發(fā)了一類新型鋼種，即非調質鋼，并以49MnVS3為代表的非調質鋼號提供給汽車工業(yè)，至今該鋼號已經取代了 50Mn、40Cr 等一系列調質鋼，用于制造汽車的鍛造曲軸。隨后，世界各國都競相研究和應用非調質鋼，先后開發(fā)了第二、三代及復合微合金化非調質鋼，從而擴大了非調質鋼的應用領域。
國外關于含有Nb、V、Ti或Al的微合金鋼晶粒尺寸與性能之間關系的研究結果表明，晶粒細化是唯一能使鋼強化且韌化的有效手段，析出強化也是微合金鋼的一種主要強化機制。微合金化元素如V、Ti、Nb是碳化物、氮化物形成元素，由于這些元素的碳化物或氮化物以細小質點形式存在，可作為鋼冷卻過程中的外來形核核心，因而能有效地改善鋼的性能。
德國、瑞典和日本對非調質鋼研究與應用較好。國外強度級別900 MPa以上非調質鋼及其應用。德國大眾使用 27MnSiVS6 非調質鋼制造的轎車連桿年產250萬件；瑞典Volvo公司每年約耗用 25 000 t 鋼材用于制造汽車零件；美國福特、意大利菲亞特及俄羅斯伏爾加汽車廠都采用非調質鋼來制造其曲軸、連桿等零件。近幾年，日本在非調質鋼方面的推廣應用及新鋼種、新技術的開發(fā)方面已占據世界領先地位。2004年日本汽車用特殊鋼為 319 萬 t，其中非調質鋼為 204 萬 t，占64%。美國已成功研究具有自己特點的第二類非調質鋼，并由美國查帕爾鋼公司的 Wright，提出了第三代非調質鋼的概念，并將非調質鋼的組織擴展至低碳馬氏體。俄羅斯研究的30ХГФБ、30ХГБТ和 30ХГФТ鋼，其強韌性比一般非調質鋼高得多，甚至達到40ХГН 調質鋼的水平。
2.2 國內非調質鋼的發(fā)展及應用
我國非調質鋼先后經歷了鐵素體-珠光體型、貝氏體型、馬氏體型等三個階段的發(fā)展，三類非調質鋼沖擊值與抗拉強度的關系見圖1。抗拉強度900 MPa 以下的 Mn-V 系列（如 35MnVSX、C38N2、48MnVS 等），主要用于發(fā)動機曲軸、連桿、半軸等軸桿零件；抗拉強度大于 900 MPa 的如 C70S6、40CrMnVB，主要用于發(fā)動機連桿、轉向節(jié)和轉向節(jié)背、前軸等零件；抗拉強度大于 950 MPa 的如FAS2237、70MnVS4、35CrMnVS 等，主要用于發(fā)動機的連桿；新型貝氏體基非調質鋼30MnCrSiMoVB主要用于曲軸、噴油器、懸架背和高壓共軌零件。
3 非調質鋼的強韌化手段
3.1 合理利用強化元素提高強韌性
碳是最有效的強化元素，合理增加碳含量有利于增加珠光體百分數(shù)、提高材料強度、從而使韌性下降。Mn、Cr元素以固溶強化方式強化珠光體和鐵素體，并擴大奧氏體相區(qū)，有利于珠光體百分數(shù)增加，同時減小珠光體片間距，使?jié)B碳體變薄。此外非調質鋼中一般含有 V、Nb、Ti、N 等微量元素，這些元素以細晶強化和沉淀強化方式同時提高材料強度和韌性。
沖擊韌性實際取決于材料受沖擊時裂紋產生和裂紋擴展兩個方面。Mn、Cr有利于提高裂紋產生能量，減小裂紋擴展能量，并最終提高沖擊韌性；V、Si有利于鐵素體形成和均勻分布，從而提高裂紋擴展能量。
3.2 晶粒細化法提高強韌性
細化鋼的晶粒能有效地提高鋼的韌性、保持高強度。非調質鋼中常添加Al、Ti等元素，通過析出AlN、TiN來釘扎奧氏體晶界，提高奧氏體晶粒長大激活能量，在加熱時阻止晶粒長大，在形變過程中抑制奧氏體再結晶，細化奧氏體晶粒。
微合金元素的復合加入比單獨加入作用更大，如用Ti-V復合微合金化，則晶粒尺寸和材料性能基本上不受加熱溫度影響。49MnVS3作為最早開發(fā)的非調質鋼，其室溫沖擊韌性一直是制約其進一步擴大應用的主要因素，為了提高其室溫沖擊韌性，近期研究發(fā)現(xiàn)在鋼中添加一定量的Ti和少量的O，配以適當?shù)腻懺旃に嚕瑠W氏體平均晶粒直徑可從原來的110 μm下降到40 μm。加Ti與不加Ti鋼斷裂試驗對比結果表明，其裂紋產生能量相近，而含Ti鋼因其組織精細裂紋擴展阻力加大，裂紋擴展能量提高，因而韌性提高。
4 硫化物對非調質鋼的影響
硫化物在非調質鋼中的有益作用，一方面是改善非調質鋼的切削性能；另一方面是細化晶粒。關于硫化物細化晶粒，目前在非調質鋼領域最主流的觀點是促進晶內鐵素體形成。高村等人認為，通過氧化物冶金技術，以 FeO、MnO 為質點，形成 MnS 夾雜物，MnS 夾雜物上析出 TiN、VN顆粒，這樣析出的 TiN、VN 顆粒與鐵素體錯配率小，從而在其上面形成晶內鐵素體。
5 我國汽車用非調質鋼的問題及建議
我國非調質鋼應用數(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、高疲勞性能的非調質鋼與國外有較大差距，難以滿足汽車工業(yè)應用非調質鋼制件功能和輕量化的要求。目前我國汽車用非調質的發(fā)展過程中還存在以下問題。
a.標準體系不完善。目前執(zhí)行的`“非調質機械結構鋼”標準涵蓋鋼種面較小，約占目前用戶所使用非調質鋼鋼號的 30%。在非調質鋼應用中，國外有相應的各類型標準，如意大利的依維柯公司，與脹斷連桿相關非調質鋼標準及其應用標準就有6項，而我國這類標準嚴重缺失，影響了非調質鋼的推廣和應用；
b.汽車用非調制鋼結構件性能需求不明確 汽車廠對非調質鋼結構件的性能評價不全面，僅簡單的用調質鋼的標準來要求非調質鋼，使得非調質鋼在使用過程無參考依據。從而限制了非調質鋼在國內的應用和推廣；
c.汽車用非調質鋼品種有待增加、性能有待提升。目前國內高強韌性、高性價比的非調質鋼種品種不足。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，而我國不同爐號成分差距很大，甚至判若兩個鋼號；
d.硫化物形態(tài)、尺寸的控制手段不足。硫化物對非調質鋼組織和性能的影響機理需深入研究，無硫化物形態(tài)評級標準。硫化物的形態(tài)、分布及大小對非調質鋼組織和性能有較大影響。硫化物除了可以提高非調制鋼切削性能、細化晶粒外，還對非調質鋼疲勞極限有明顯的影響。但目前其控制手段有限，相關的機理研究也有待進一步深入。
針對目前國內汽車用非調質鋼存在的問題，提出以下幾個方面的發(fā)展建議。
a.汽車用非調質鋼部件功能數(shù)據的積累。對典型汽車用非調質鋼零部件（曲軸、連桿等）進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上，制定和完善產品的相關檢測標準。提高我國非調質剛的冶金水平，以保證非調質鋼成分、性能及C當量的一致性；
b.開發(fā)高強韌性、高性價比的非調質鋼，以滿足汽車構件輕量化和構件的特殊性能要求（如高壓共軌零部件）。開發(fā)經濟實用、高性價比的非調質鋼（如38MnNS5），滿足量大、面廣的汽車非調質鋼構件的需求；
c.進行非調質鋼工藝分析。對經濟實用、高強、高韌非調質鋼的冶金、軋（鍛）制和控冷過程中的技術特點進行研究，相關牌號的基礎數(shù)據進行系統(tǒng)地檢測，結合零部件的制作工藝和使用要求，系統(tǒng)研究非調質鋼控軋（鍛）分段控冷技術與鋼材的性能、零部件的功能及本身的物理、力學冶金數(shù)據之間的關系，并準確測量鋼種的CCT曲線，作為控軋（鍛）分段控制冷技術研究和非調質鋼性能預測的基本依據；
d.研究微合金化作用。研究復合微合金化作用，優(yōu)化合金含量，優(yōu)化高性價比的大截面非調質鋼的成分體系和工藝流程，建立大尺寸非調質鋼零件的制造工藝和性能預測系統(tǒng)。并在經表面淬火強化的零件用非調質中，添加微合金元素B，以保證表面淬硬層深度；
e.硫化物對非調質鋼組織、性能的影響機理研究。研究高硫易切非調質鋼中硫化物形態(tài)、大小、尺寸等對非調質鋼力學性能、疲勞性能及切削性能的影響，作為制定非調質鋼硫化物形態(tài)評級標準圖譜的試驗依據。
【淺談汽車用非調質鋼的應用現(xiàn)狀與發(fā)展論文】相關文章：
高強度汽車用鋼發(fā)展與第3 代汽車高強度鋼的探究論文05-13
淺談涂料染色的發(fā)展與應用論文05-25
煙氣脫硫技術的發(fā)展及應用現(xiàn)狀的論文06-01
略談智能電網應用現(xiàn)狀與發(fā)展論文05-30
汽車工業(yè)用橡膠發(fā)展現(xiàn)狀分析論文05-22
淺談改制后的監(jiān)理企業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展論文05-02
淺談阜新水資源現(xiàn)狀與發(fā)展前景論文03-03
淺談管理會計的發(fā)展和應用論文05-08