■ 嚴(yán)超峰，包耀宗，王歡銳，董立社，謝余，李棟

近年來(lái)隨著我國(guó)汽車產(chǎn)量和汽車保有量的增加，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)2016年汽車產(chǎn)量達(dá)到2800萬(wàn)輛（乘用車2400萬(wàn)輛，商用車400萬(wàn)輛），連續(xù)八年蟬聯(lián)全球第一，保有量接近1.94億輛（機(jī)動(dòng)車保有量2.9億輛），其中重型載貨汽車2016年銷量73萬(wàn)輛，全國(guó)保有量接近650萬(wàn)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(wàn)～110萬(wàn)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(shí)還可以減少調(diào)質(zhì)過(guò)程中淬火引起的變形開(kāi)裂，從而簡(jiǎn)化校直工序。2016年我國(guó)汽車用鋼約5800萬(wàn)t（特鋼超過(guò)1500萬(wàn)t），其中非調(diào)質(zhì)鋼需求量超400萬(wàn)t，實(shí)際生產(chǎn)量超過(guò)100萬(wàn)t，熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼超過(guò)20萬(wàn)t。

非調(diào)質(zhì)鋼是通過(guò)微合金化（添加Nb、V、Ti、N、B等）、控軋（鍛）控冷等強(qiáng)韌化方法，取消了調(diào)質(zhì)熱處理，達(dá)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(jiǎn)稱，又稱微合金化鋼。其是在20世紀(jì)70年代因石油危機(jī)的推動(dòng)發(fā)展起來(lái)的，主要是簡(jiǎn)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(diǎn)，在汽車工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，德國(guó)、瑞典和日本對(duì)非調(diào)鋼的研究與應(yīng)用比較好，1972年德國(guó)THYSSEN公司開(kāi)發(fā)了第一個(gè)熱鍛微合金化中碳鋼49MnVS3（鐵素體+珠光體，抗拉強(qiáng)度Rm＞850MPa）代替40CrMn調(diào)質(zhì)鋼主要用作奔馳汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(wàn)件左右，德國(guó)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(wàn)t非調(diào)質(zhì)鋼制造汽車零部件；美國(guó)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(lái)制造曲軸、連桿等零件。在新品種與新技術(shù)的開(kāi)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(guó)于20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究非調(diào)質(zhì)鋼，“七五”期間列入國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，“八五”期間進(jìn)行了重點(diǎn)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(jìn)行開(kāi)發(fā)并擴(kuò)大應(yīng)用數(shù)量和范圍，其抗拉強(qiáng)度在600～900MPa，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(shí)現(xiàn)我國(guó)重型汽車半軸高性能熱鍛非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用。

1. 國(guó)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(guó)蒂森公司開(kāi)發(fā)的第一個(gè)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(diǎn)，歐美、日本等國(guó)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(lái)日本研究微合金非調(diào)質(zhì)鋼最為活躍，處于世界先進(jìn)水平，非調(diào)質(zhì)鋼廣泛應(yīng)用于汽車的底盤(pán)件和發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、連桿等鍛件，并在我國(guó)申請(qǐng)了多項(xiàng)發(fā)明專利，同時(shí)對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)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(guó)的非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用也有很大的成果，在90年代以來(lái)國(guó)外開(kāi)發(fā)了強(qiáng)度級(jí)別更高的非調(diào)質(zhì)鋼，其強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到950MPa以上，典型的牌號(hào)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(dòng)機(jī)連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向臂，其中神戶制鋼KNF33MKM強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到了1150MPa。

近年來(lái)我國(guó)國(guó)外合作項(xiàng)目及技術(shù)引進(jìn)項(xiàng)目促進(jìn)了非調(diào)質(zhì)鋼的研發(fā)和推廣應(yīng)用。典型的牌號(hào)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(dòng)機(jī)曲軸、連桿、前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向臂、半軸、傳動(dòng)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(jī)構(gòu)的推動(dòng)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(jī)拉桿、風(fēng)機(jī)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(dòng)機(jī)曲軸、連桿、前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、半軸、輪轂等。

文獻(xiàn)[2]汽車后橋半軸高性能非調(diào)質(zhì)鋼的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究結(jié)果表明，該鋼FAS2340（代替42CrMo）抗拉強(qiáng)度可達(dá)840～900MPa，在鍛造花鍵和法蘭盤(pán)過(guò)渡區(qū)晶粒度2～3級(jí)，不能滿足集團(tuán)公司引進(jìn)國(guó)外某公司半軸用非調(diào)質(zhì)鋼技術(shù)條件抗拉強(qiáng)度950～1100MPa，晶粒度不低于4級(jí)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(guó)內(nèi)知名特鋼企業(yè)研發(fā)了45MnSiVSQ鋼并進(jìn)行了試驗(yàn)研究及產(chǎn)品應(yīng)用，其抗拉強(qiáng)度大于950MPa，晶粒度達(dá)到5～8級(jí)，制成的半軸產(chǎn)品進(jìn)行了靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)達(dá)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(yàn) 新開(kāi)發(fā)的45MnSiVSQ鋼的工業(yè)化冶煉在西寧特鋼進(jìn)行試驗(yàn)研究并在江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼有限公司進(jìn)行了工業(yè)冶煉應(yīng)用。試驗(yàn)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(jìn)行檢驗(yàn)，表1為試驗(yàn)材化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果。

表2為試驗(yàn)材料低倍組織檢驗(yàn)結(jié)果按GB/T226進(jìn)行檢驗(yàn)并按GB/T1979進(jìn)行評(píng)級(jí)，從腐蝕后的低倍組織來(lái)看，未發(fā)現(xiàn)縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮和白點(diǎn)等缺陷。

表3為試驗(yàn)材料非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果按GB/T10561進(jìn)行檢驗(yàn)并評(píng)級(jí)。

表4為試驗(yàn)材料力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果按GB/T2975，GB/T228和GB/T229進(jìn)行取樣檢測(cè)。

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

表5為試驗(yàn)材料端淬檢驗(yàn)結(jié)果按GB/T225進(jìn)行檢測(cè)，鋼材經(jīng)880℃正火，端淬溫度850℃。

圖1為試驗(yàn)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(jí)，帶狀組織1級(jí)。

圖2為試驗(yàn)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(jí)，晶粒明顯粗化。

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

（2）工藝試驗(yàn) 因鍛造加熱溫度會(huì)影響半軸毛坯的成形、晶粒度和彌散相的析出，所以對(duì)鍛造加熱溫度控制在1100～1150℃，試驗(yàn)材為江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼有限公司進(jìn)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(yàn)材化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果。

表7為試驗(yàn)材料低倍組織檢驗(yàn)結(jié)果按GB/T226進(jìn)行檢驗(yàn)并按GB/T1979進(jìn)行評(píng)級(jí)，從腐蝕后的低倍組織來(lái)看未發(fā)現(xiàn)縮孔、氣

圖1 試驗(yàn)材經(jīng)880℃×2.5h正火處理后的金相組織

表2 試驗(yàn)材料的低倍組織 （級(jí)）

表3 試驗(yàn)材料的非金屬夾雜物 （級(jí)）

表4 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

表5 試驗(yàn)材料的端淬試驗(yàn)泡、裂紋、夾雜、翻皮和白點(diǎn)等缺陷。

圖2 試驗(yàn)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(yàn)材料非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果按GB/T10561進(jìn)行檢驗(yàn)并評(píng)級(jí)。

表9為試驗(yàn)材料力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果按GB/T2975，GB/T228和GB/T229進(jìn)行取樣檢測(cè)。

表10為試驗(yàn)材料端淬檢驗(yàn)結(jié)果按GB/T225進(jìn)行檢測(cè)，鋼材經(jīng)880℃正火，端淬溫度850℃。

圖5為試驗(yàn)材料規(guī)格φ60mm軋材金相組織，為鐵素體+珠光體，晶粒度8級(jí)，帶狀組織4級(jí)，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(jìn)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(yàn)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(cè)不同部位徑向圓跳動(dòng)變形數(shù)據(jù)。圖6為該試驗(yàn)半軸示意圖，與常規(guī)42CrMo相比變形較小校直工序簡(jiǎn)單，效率提升達(dá)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(dòng)3～6mm，校直難度較大，效率較低。

表1 3為試驗(yàn)半軸產(chǎn)品進(jìn)行靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)按QC/T293，QC/T294標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試驗(yàn)M j=24000N.m，試驗(yàn)頻率1.5Hz，靜扭后備系數(shù)＞1.8，對(duì)靜扭試驗(yàn)失效件2失效位置進(jìn)行理化分析，表面馬氏體按JB/T9204進(jìn)行評(píng)級(jí)為6級(jí)，心部鐵素體晶粒度按G B/T6394進(jìn)行評(píng)級(jí)5～8級(jí)，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(yàn)材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表7 試驗(yàn)材料的低倍組織 （級(jí)）

表8 試驗(yàn)材料的非金屬夾雜物 （級(jí)）

表9 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

表10 試驗(yàn)材料的端淬試驗(yàn)

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

（3）結(jié)論 通過(guò)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(yàn)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(shí)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(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

3. 展望

目前，我國(guó)高強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度大于950MPa級(jí)）非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用量遠(yuǎn)比不上歐洲和日本，因而未來(lái)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(guó)內(nèi)知名特鋼企業(yè)組成非調(diào)質(zhì)鋼研發(fā)團(tuán)隊(duì)，對(duì)標(biāo)歐美MnSiVS系列非調(diào)質(zhì)鋼，開(kāi)發(fā)了大桿徑軸類用高強(qiáng)度中碳非調(diào)質(zhì)鋼45MnSiVSQ（代替42CrMo），其技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，與FAS2340比較主要解決的問(wèn)題有：

表12 試驗(yàn)半軸不同部位徑向圓跳動(dòng)變形情況 （mm）

表13 試驗(yàn)半軸產(chǎn)品靜扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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

圖6 試驗(yàn)半軸示意

（1）非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度提升和晶粒粗化的問(wèn)題。首先是研究了鋼材成分設(shè)計(jì)微合金元素的含量配比及冶煉添加方式不同對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼性能的影響。其次是冶煉過(guò)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(guò)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(jià)格較貴。目前市場(chǎng)上非調(diào)質(zhì)鋼的價(jià)格已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出調(diào)質(zhì)鋼的價(jià)格，阻礙了非調(diào)質(zhì)鋼的市場(chǎng)應(yīng)用拓展，通過(guò)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(jià)。

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

[1] 陳蘊(yùn)博，馬鳴圖，王國(guó)棟.汽車用非調(diào)質(zhì)鋼研究進(jìn)展[J].中國(guó)工程科學(xué)，2014，16（2）：4-18.

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