汽配型小型金材整合钢质的集成—华盖机械
发布人员：网站管理员 新闻来源： 发布日期：2013-6-25
将淬回火调质钢改成空冷非调质钢的主要驱动力是降低成本。通过下列全部或部分工艺路线可降低总的制造成本：省去热处理；不需再进行校正；缩短订货至交货时间；减少再加工。
在性能上非调质钢零件比较普通热处理调质钢的优势为：减少变形；减少机械性能的偏差；整个断面上性能均匀一致；改善切削加工性能。20世纪70年代初期，德国发展了锻态微合金化中碳钢49MnVS3，主要用作汽车发动机的曲轴，80年代非调质钢得到迅速发展。曲轴用传统调质钢CK45（相当于SAE1045，C0142%0145%，Mn015%018%，即45钢）需要进行淬火处理，且能耗高，在淬火时有淬裂的危险，变形程度大；但是在采用非调质钢49MnVS3时（C0147%，Mn0175%，V0110%，S0105%），则不需要热处理设备及有关热处理工艺所需之费用，同时排除了工件产生裂纹和变形的危险。
日本汽车工业也在20世纪70年代末期接受了该钢类并加以发展。到80年代中期，日本锻造连杆的75%、锻造曲轴的55%是由微合金非调质钢制造；当时欧洲锻造连杆、曲轴和前轴梁有30%35%是由非调质钢制造，随即非调质零碳材钢的应用范围又扩大到美国。
英国工程用钢公司和瑞典实验室在70年代联合开发的Vanard系列非调质钢覆盖的强度范围为7001000MPa，主要用来制作曲轴、连杆、轮轴和轮毂。1为Vanard非调质钢、调质合金钢和SG球墨铸铁机械性能对比。非调质钢的经济性已在应用中得到体现，Rover集团声称，在A系列1131发动机曲轴使用微合金非调质钢，按1982年价格每年已经节省50万英磅。日本日产汽车公司有90%的曲轴都已采用非调质钢制造，只是采用非调质钢制造汽车前轮轮毂后，就使该项生产成本降低45%.空冷铁素体2珠光体非调质钢通过适当地选择钢中的碳、锰、硅和钒等元素的含量，空冷铁素体2珠光体非调质钢的强度可达7501150MPa，主要用来制造曲轴、连杆、轮轴和轮毂。虽然铁素体2珠光体非调质钢的冲击韧性低于相等强度的调质钢，但仍可满足多种锻制品的使用要求，且其冲击韧性高于铸铁。为提高韧性，一种办法是加微量钛形成氮化钛以细化晶粒；另一种办法是即使奥氏体组织较粗，可在原奥氏体晶粒内形成大量晶粒内铁素体核心，生成细的铁素体2珠光体组织。用VC和VN作为形成晶内铁素体的核心，这种晶内铁素体型钢比加钛微合金化钢的铁素体2珠光体组织更细。
强度和韧性德国的DIN49MnVS在空冷状态下的强度极限超过850MPa，它是通过高体积百分比的相对/稀释珠光体（低的平均碳含量）和在多角铁素体和珠光体型铁素体（共析铁素体）中的V（C，N）沉淀进行强化，替代Mn和Mn2Cr型调质钢。可以通过增加钢材锻后的冷却速度来提高零件的强度，因为冷速的提高（由自然冷却改为风冷）可以得到大量的细珠光体和更小的V（C，N）沉淀。应提出的是加011%V可有效地在连续冷却转变（CCT）图上将珠光体向贝氏体转变移向较快的冷却速度，因而减少了在以后正常的工艺下产生后一种转变。
一般空冷非调质钢是在碳素钢的基础上添加少量元素Nb、V、Ti或Mo（<0125%），与含较高合金元素的调质钢相比，微合金化非调质钢使成分与热加工工艺相结合以获得高的性能。在这种情况下，非调质钢的组织可能含75%的珠光体和25%的铁素体。
实践表明，降低碳含量，增加Mn或Cr含量有利于提高非调质钢的韧性。降低碳含量对钢的强度损失较大，但显著提高冲击韧性，主要原因是减少钢中的珠光体数量。适当地提高钢中的Mn含量，当Mn含量由0185%增加至1115%1130%时，则在同一强度下非调质钢的韧性提高30JPcm2，与调质碳钢相当。
通常采用加微量钛细化奥氏体晶粒，以便形成很细的先共析铁素体晶粒和珠光体，来改善钢的韧性。虽然降低轧制和锻造温度也有利于改善非调质钢的韧性，但会增加锻造和轧制的能耗，降低锻轧设备的生产能力。非调质钢的强度和韧性一般都随热加工后的冷却速度的增加而提高，且韧性的提高更为显著。
但如果冷却速度高于65ePmin，尽管可以获得较细的晶粒，但韧性明显降低。为了获得细晶粒，锻造后在700e以上温度应迅速冷却，而后缓冷到600e以下，600700e区间相当于相转变温度，冷却速度对转变产物铁素体和珠光体的形态，及两相的相对量都有重要影响。如将加热后的非调质钢冷却到800e左右再进行适量的热作变形，或将终加工温度降至800e以下，可以显著提高非调质钢的韧性。
高韧性非调质钢的发展铁素体2珠光体非调质钢通常为中碳钢，加入钒等微量元素，通过增加珠光体量和碳化钒等沉淀强化来提高钢的强度，如成分和热加工工艺合理，完全可以达到淬火回火钢9001000MPa的强度水平。但非调质钢为铁素体2珠光体组织，其韧性一般都低于调质钢的回火索氏体组织，再加上共格析出物的沉淀强化，则进一步降低了钢的韧性，使非调质钢在承受冲击负荷零部件上的应用受到限制。为了克服非调质钢韧性不足，促进了高韧性非调质钢的发展。
调质钢的强韧性主要受化学成分和热处理工艺的影响，而非调质钢的强韧性除受化学成分影响外还受加热温度、热加工和冷却速度的影响。热加工的应变量影响碳化物的析出，进而影响再结晶过程。应变量大，析出物的孕育期和完成期就较短。微合金化非调质钢用工艺手段细化铁素体晶粒尺寸，减少珠光体中Fe3C的片厚和片间距，既可提高钢的强度又可提高钢的韧性。所以对非调质钢来说，除合理选择和精确控制钢的成分外，严格锻、轧工艺是钢材获得高强韧性能的必要条件。
化学成分对非调质钢强韧性的影响化学成分对非调质钢的强度和韧性的影响可归纳如下：（1）提高强度，降低韧性的元素有C、N、V、Nb、P.（2）提高强度同时还能改善韧性的元素有Mn、Cr、Cu+Ni、Mo.20世纪80年代已开发了中碳锰铬非调质钢：0145C21Mn2015Cr2011V，称之为IVA1000.其抗拉强度和疲劳强度均优于调质钢水平，冲击韧性可通过热加工和低温正火得到改善。（3）固溶Al对强度和韧性几乎没有影响，但以AlN形式存在可以细化晶粒，改善钢的韧性。（4）Ti在非调质钢中的作用是降低强度，改善韧性。在Mn含量为110%215%时，加入0101%0105%Ti，可以有效地改善钢的韧性。
采用回归分析的方法可得出各元素对V2形缺口冲击值和硬度的影响。为了得到高质量和性能稳定的非调质钢，有的采用超纯净钢冶炼技术，使化学成分控制在很窄的范围内，如曲轴用非调质钢，要求成分波动范围为：C0103%，Mn0110%，V0103%，同时限定Cr、Mo含量。
晶粒细化对非调质钢韧性的影响除上面提到的加入适当Ti、Al、N来细化钢的奥氏体晶粒外，加工工艺也是影响奥氏体晶粒的重要因素。加工温度高，再结晶速度快，奥氏体晶粒大，冷却后钢中珠光体量增加，强度增高，韧性下降。加工温度低时，因产生形变诱发析出，再结晶核心增加，再结晶后的晶粒长大的驱动力小，晶粒细化，钢的强度变化不大，但可以大幅度提高韧性。研究表明，随着精轧温度的降低，冲击值提高。在同一温度下加工量增加，强度和韧性可以同时提高。
热加工后冷却速度亦影响钢的晶粒大小，如热变形是在珠光体转变的温度以上变形，在变形后对于断面尺寸较大钢材或锻件的冷速应加快以防止晶粒长大。冷却速度过慢也会使析出物的颗粒变粗，亦不利于韧性的提高。对小规格的钢材或锻件应避免加工后过快的冷却，否则会产生残余应力，并且有可能生成贝氏体组织，从而影响钢的室温韧性提高。
形成晶内铁素体改善非调质钢的韧性虽然采用加钛形成弥散的TiN颗粒能有效地阻止奥氏体晶粒粗化，但与淬回火调质钢相比，含微量Ti的非调质钢的韧性仍显不足。因为在这种情况下，当钢加热至1250e时难以保持钢的奥氏体晶粒比7级还细。
非调质钢在热加工后的冷却过程中，首先铁素体沿奥氏体晶界成核生长，其余奥氏体转变成珠光体团。这种由铁素体网包围的珠光体的组织结构的韧性很差。
从另一方面来看，如果能在原奥氏体晶粒内产生大量的铁素体晶核，则即使奥氏体晶粒粗大，也可以获得细小的铁素体2珠光体组织。VC和VN可作为晶内铁素体的核心，为了生成晶内铁素体必须同时加钒和氮。研究发现当钢中硫含量增加，晶内铁素体量增加，这样能明显增加热锻材的韧性。
结束
（1）自20世纪70年代以来，因非调质钢具有节约能源、减少工件变形和开裂、减少环境污染等优点，受到世界各主要工业化国家的普遍重视，尤其是改善非调质钢韧性新技术的采用，完善了非调质钢系列产品，扩大了非调质钢的使用范围，并大规模应用于机械制造业，尤其是汽车工业。（2）我国非调质钢在应用上、标准水平和实物质量稳定性等方面均有所进展，但应开发高性能非调质钢。
在性能上非调质钢零件比较普通热处理调质钢的优势为：减少变形；减少机械性能的偏差；整个断面上性能均匀一致；改善切削加工性能。20世纪70年代初期，德国发展了锻态微合金化中碳钢49MnVS3，主要用作汽车发动机的曲轴，80年代非调质钢得到迅速发展。曲轴用传统调质钢CK45（相当于SAE1045，C0142%0145%，Mn015%018%，即45钢）需要进行淬火处理，且能耗高，在淬火时有淬裂的危险，变形程度大；但是在采用非调质钢49MnVS3时（C0147%，Mn0175%，V0110%，S0105%），则不需要热处理设备及有关热处理工艺所需之费用，同时排除了工件产生裂纹和变形的危险。
日本汽车工业也在20世纪70年代末期接受了该钢类并加以发展。到80年代中期，日本锻造连杆的75%、锻造曲轴的55%是由微合金非调质钢制造；当时欧洲锻造连杆、曲轴和前轴梁有30%35%是由非调质钢制造，随即非调质零碳材钢的应用范围又扩大到美国。
英国工程用钢公司和瑞典实验室在70年代联合开发的Vanard系列非调质钢覆盖的强度范围为7001000MPa，主要用来制作曲轴、连杆、轮轴和轮毂。1为Vanard非调质钢、调质合金钢和SG球墨铸铁机械性能对比。非调质钢的经济性已在应用中得到体现，Rover集团声称，在A系列1131发动机曲轴使用微合金非调质钢，按1982年价格每年已经节省50万英磅。日本日产汽车公司有90%的曲轴都已采用非调质钢制造，只是采用非调质钢制造汽车前轮轮毂后，就使该项生产成本降低45%.空冷铁素体2珠光体非调质钢通过适当地选择钢中的碳、锰、硅和钒等元素的含量，空冷铁素体2珠光体非调质钢的强度可达7501150MPa，主要用来制造曲轴、连杆、轮轴和轮毂。虽然铁素体2珠光体非调质钢的冲击韧性低于相等强度的调质钢，但仍可满足多种锻制品的使用要求，且其冲击韧性高于铸铁。为提高韧性，一种办法是加微量钛形成氮化钛以细化晶粒；另一种办法是即使奥氏体组织较粗，可在原奥氏体晶粒内形成大量晶粒内铁素体核心，生成细的铁素体2珠光体组织。用VC和VN作为形成晶内铁素体的核心，这种晶内铁素体型钢比加钛微合金化钢的铁素体2珠光体组织更细。
强度和韧性德国的DIN49MnVS在空冷状态下的强度极限超过850MPa，它是通过高体积百分比的相对/稀释珠光体（低的平均碳含量）和在多角铁素体和珠光体型铁素体（共析铁素体）中的V（C，N）沉淀进行强化，替代Mn和Mn2Cr型调质钢。可以通过增加钢材锻后的冷却速度来提高零件的强度，因为冷速的提高（由自然冷却改为风冷）可以得到大量的细珠光体和更小的V（C，N）沉淀。应提出的是加011%V可有效地在连续冷却转变（CCT）图上将珠光体向贝氏体转变移向较快的冷却速度，因而减少了在以后正常的工艺下产生后一种转变。
一般空冷非调质钢是在碳素钢的基础上添加少量元素Nb、V、Ti或Mo（<0125%），与含较高合金元素的调质钢相比，微合金化非调质钢使成分与热加工工艺相结合以获得高的性能。在这种情况下，非调质钢的组织可能含75%的珠光体和25%的铁素体。
实践表明，降低碳含量，增加Mn或Cr含量有利于提高非调质钢的韧性。降低碳含量对钢的强度损失较大，但显著提高冲击韧性，主要原因是减少钢中的珠光体数量。适当地提高钢中的Mn含量，当Mn含量由0185%增加至1115%1130%时，则在同一强度下非调质钢的韧性提高30JPcm2，与调质碳钢相当。
通常采用加微量钛细化奥氏体晶粒，以便形成很细的先共析铁素体晶粒和珠光体，来改善钢的韧性。虽然降低轧制和锻造温度也有利于改善非调质钢的韧性，但会增加锻造和轧制的能耗，降低锻轧设备的生产能力。非调质钢的强度和韧性一般都随热加工后的冷却速度的增加而提高，且韧性的提高更为显著。
但如果冷却速度高于65ePmin，尽管可以获得较细的晶粒，但韧性明显降低。为了获得细晶粒，锻造后在700e以上温度应迅速冷却，而后缓冷到600e以下，600700e区间相当于相转变温度，冷却速度对转变产物铁素体和珠光体的形态，及两相的相对量都有重要影响。如将加热后的非调质钢冷却到800e左右再进行适量的热作变形，或将终加工温度降至800e以下，可以显著提高非调质钢的韧性。
高韧性非调质钢的发展铁素体2珠光体非调质钢通常为中碳钢，加入钒等微量元素，通过增加珠光体量和碳化钒等沉淀强化来提高钢的强度，如成分和热加工工艺合理，完全可以达到淬火回火钢9001000MPa的强度水平。但非调质钢为铁素体2珠光体组织，其韧性一般都低于调质钢的回火索氏体组织，再加上共格析出物的沉淀强化，则进一步降低了钢的韧性，使非调质钢在承受冲击负荷零部件上的应用受到限制。为了克服非调质钢韧性不足，促进了高韧性非调质钢的发展。
调质钢的强韧性主要受化学成分和热处理工艺的影响，而非调质钢的强韧性除受化学成分影响外还受加热温度、热加工和冷却速度的影响。热加工的应变量影响碳化物的析出，进而影响再结晶过程。应变量大，析出物的孕育期和完成期就较短。微合金化非调质钢用工艺手段细化铁素体晶粒尺寸，减少珠光体中Fe3C的片厚和片间距，既可提高钢的强度又可提高钢的韧性。所以对非调质钢来说，除合理选择和精确控制钢的成分外，严格锻、轧工艺是钢材获得高强韧性能的必要条件。
化学成分对非调质钢强韧性的影响化学成分对非调质钢的强度和韧性的影响可归纳如下：（1）提高强度，降低韧性的元素有C、N、V、Nb、P.（2）提高强度同时还能改善韧性的元素有Mn、Cr、Cu+Ni、Mo.20世纪80年代已开发了中碳锰铬非调质钢：0145C21Mn2015Cr2011V，称之为IVA1000.其抗拉强度和疲劳强度均优于调质钢水平，冲击韧性可通过热加工和低温正火得到改善。（3）固溶Al对强度和韧性几乎没有影响，但以AlN形式存在可以细化晶粒，改善钢的韧性。（4）Ti在非调质钢中的作用是降低强度，改善韧性。在Mn含量为110%215%时，加入0101%0105%Ti，可以有效地改善钢的韧性。
采用回归分析的方法可得出各元素对V2形缺口冲击值和硬度的影响。为了得到高质量和性能稳定的非调质钢，有的采用超纯净钢冶炼技术，使化学成分控制在很窄的范围内，如曲轴用非调质钢，要求成分波动范围为：C0103%，Mn0110%，V0103%，同时限定Cr、Mo含量。
晶粒细化对非调质钢韧性的影响除上面提到的加入适当Ti、Al、N来细化钢的奥氏体晶粒外，加工工艺也是影响奥氏体晶粒的重要因素。加工温度高，再结晶速度快，奥氏体晶粒大，冷却后钢中珠光体量增加，强度增高，韧性下降。加工温度低时，因产生形变诱发析出，再结晶核心增加，再结晶后的晶粒长大的驱动力小，晶粒细化，钢的强度变化不大，但可以大幅度提高韧性。研究表明，随着精轧温度的降低，冲击值提高。在同一温度下加工量增加，强度和韧性可以同时提高。
热加工后冷却速度亦影响钢的晶粒大小，如热变形是在珠光体转变的温度以上变形，在变形后对于断面尺寸较大钢材或锻件的冷速应加快以防止晶粒长大。冷却速度过慢也会使析出物的颗粒变粗，亦不利于韧性的提高。对小规格的钢材或锻件应避免加工后过快的冷却，否则会产生残余应力，并且有可能生成贝氏体组织，从而影响钢的室温韧性提高。
形成晶内铁素体改善非调质钢的韧性虽然采用加钛形成弥散的TiN颗粒能有效地阻止奥氏体晶粒粗化，但与淬回火调质钢相比，含微量Ti的非调质钢的韧性仍显不足。因为在这种情况下，当钢加热至1250e时难以保持钢的奥氏体晶粒比7级还细。
非调质钢在热加工后的冷却过程中，首先铁素体沿奥氏体晶界成核生长，其余奥氏体转变成珠光体团。这种由铁素体网包围的珠光体的组织结构的韧性很差。
从另一方面来看，如果能在原奥氏体晶粒内产生大量的铁素体晶核，则即使奥氏体晶粒粗大，也可以获得细小的铁素体2珠光体组织。VC和VN可作为晶内铁素体的核心，为了生成晶内铁素体必须同时加钒和氮。研究发现当钢中硫含量增加，晶内铁素体量增加，这样能明显增加热锻材的韧性。
结束
（1）自20世纪70年代以来，因非调质钢具有节约能源、减少工件变形和开裂、减少环境污染等优点，受到世界各主要工业化国家的普遍重视，尤其是改善非调质钢韧性新技术的采用，完善了非调质钢系列产品，扩大了非调质钢的使用范围，并大规模应用于机械制造业，尤其是汽车工业。（2）我国非调质钢在应用上、标准水平和实物质量稳定性等方面均有所进展，但应开发高性能非调质钢。
