高效节能微合金非调质钢优化方案

1.微合金非调质钢概述

我们已知，中碳钢零件的良好综合力学性能通常通过调质工艺获得。但调质处理消耗了大量能源，污染环境。而微合金非调质钢的无淬火和高温回火工序使其性能即能达到中碳调质钢的水平，同时也省去了热处理设备，简化了生产工艺并降低了能耗，其制造成本相比调质钢降低了25%～38%，具有良好的经济和社会效益，因此是一种高效节能钢。

（1）非调质机械结构钢的概念

图11.3为调质钢和非调质钢典型生产工艺流程比较。

可见，非调质钢由于取消了淬火回火等工序，从而简化了生产工艺流程，提高了材料利用率，改善了零件质量，降低了能耗和制造成本，减少污染，绿色环保。因此，通过微合金化、控制锻制和控制冷却等强韧化方法，取消了调质处理，达到或接近调质钢力学性能的一类结构钢称为非调质机械结构钢，即微合金非调质钢，简称非调质钢。

图11.3　调质钢和非调质钢典型生产工艺流程比较

（a）调质钢；（b）非调质钢

（2）微合金非调质钢的分类

1）按用途分类

非调质钢按用途分类如表11.2所示。除表中所列的热锻用、冷作强化（冷锻用）非调质钢外，还有直接切削用非调质钢和高韧性非调质钢等。热锻用非调质钢用于热锻件，如热锻螺栓等紧固件；冷作强化非调质钢主要用于标准件如螺栓、螺母等；直接切削用非调质钢则是用热轧钢直接加工成零部件；高韧性非调质钢用于要求韧性较高的零部件。

表11.2　非调质钢按用途分类

2）按化学成分分类

几种非调质钢的化学成分如表11.3所示，从表中可以看出，微合金非调质钢可分为以下两大类。

①低碳非调质钢：碳含量一般控制在0.25%以下，即在低碳钢的基础上，加入微合金元素如V、Nb、Ti、N等。

②中碳非调质钢：碳含量一般控制在0.25%～0.55%，在此基础上加入微合金元素V、Nb、Ti、N、Al等，有的还要加入Cu、Si等。

表11.3　几种非调质钢的化学成分单位：%（质量分数）

3）按显微组织分类

非调质钢按显微组织分类如表11.4所示，从表中可以看出，其可分为以下3类。

表11.4　非调质钢按显微组织分类

①F-P型：其在非调质钢中占据的比重最大，除满足某些特殊用途而采用其他组织为基的非调质钢外，一般非调质钢均为P-F型非调质钢，这是由其化学成分和加工状态所决定，当然也与其使用性能（状态）有关。

②晶内铁素体（F）型：一种高强度高韧性的新型非调质钢。

③低碳贝氏体（B）型：在锻后空冷状态下，可获得低碳贝氏体，借以进一步改善钢的强度、韧性和可焊性。组织中除B外，有时也夹杂有P和F，形成一种混合组织。

④低碳马氏体（M）型：利用锻造余热进行淬火、回火，获得低碳马氏体型来增加强韧性。(www.xing528.com)

非调质钢的分类及牌号表示方法如表11.5所示。

表11.5　非调质钢的分类及牌号表示方法

（3）近年来我国微合金非调质钢发展情况

我国自行开发的铁素体-珠光体、贝氏体、低碳马氏体型等微合金非调质钢已成功应用于汽车发动机曲轴、连杆、汽车前桥等零部件。二汽公司自1978年开发应用微合金非调质钢以来，已先后对东风系列汽车的20余种零件采用微合金非调质钢进行了试制，采用35MnV代替40MnB生产EQ6100发动机连杆、采用48MnV代替40Cr生产康明斯发动机曲轴等，部分已实现大批量生产。另外，许多汽车制造厂的微合金非调质钢用量也逐年大幅度增加。从用材工艺技术分析，在汽车车身、变速箱总成、驱动桥总成、悬挂减震器、离合器部件、转向系统及零件中有15%的钢结构零件可用微合金非调质钢代替。目前，我国微合金非调质钢的年用量约100万吨。

现阶段国内微合金非调质钢还存在性能不稳定、韧性较低、材料成本较高等缺点。如何获得高强度与高韧性相匹配的微合金非调质钢是国内外科技工作者研究的热点课题。

2.微合金非调质钢的特点

强韧化特点如下。

1）优化成分，提高强韧性

①“降C增Mn”指在一定范围钢的强度随着碳含量的增加而提高，但碳含量的增加在提高钢强度的同时也降低了钢的韧性。因此，降C可明显提高钢的韧性，其强度损失可由增加Mn含量补偿，同时通过细晶强化、沉淀强化和固溶强化等方式进一步提高钢强度。

②“多元适量，复合加入”的合金化基本原则是指微合金化元素V、Ti、Nb和N等，以细晶强化和沉淀强化等方式同时提高材料的强度和韧性。但最常用的是V，通常V的质量分数在0.06%～0.13%；N是十分有益的元素，N以化合物的形式存在，其主要作用是促进V的析出，提高沉淀析出强化效果，细化晶粒，提高TiN的稳定性和节约V合金等；S可细化晶粒，促进晶内F析出，提高强韧性，同时也可改善切削加工工艺性能。

③“均含有一定量Mn元素”是指含0.06%～0.130%或1.00%～1.50%的Mn。

2）晶粒细化法

晶粒细化法是指常加入Al、Ti等，通过析出AlN、TiN等来钉扎奥氏体晶界，在加热时起到阻止晶粒长大的作用，细化晶粒。例如，采用Ti-V复合合金化，控制晶粒尺寸更好。

3）沉淀强化法

沉淀强化能力微合金元素（如Nb、Ti、V和N等）在钢中除细化晶粒外，还有很强的沉淀强化作用，取决于这些合金化合物在奥氏体中的固溶度，沉淀析出的速度及沉淀析出物的数量、尺寸和分布等。

4）正火、回火

正火和回火是微合金非调质钢常用的强韧化工艺，用以调整轧件或锻件的力学性能。正火、回火工艺比较简单，操作方便，对提高非调质钢零件的强韧性有事半功倍的效果。通过选择不同的化学成分和相应轧制（锻造）工艺，微合金非调质钢可达到与经调质处理的碳钢及合金结构钢相当的强度，其韧性稍差，但在采取某些韧化措施后，也可达到较高的韧性水平。

正火可使中碳非调质钢的显微组织进一步细化，有效地提高钢的冲击韧度，最大限度地改善非调质钢的性能。表11.6中列出了046C-1.04-Mn-0.084V非调质钢不同状态的力学性能，图11.4为0.46C-1.04Mn-0.084V非调质钢不同状态的显微组织。

表11.6　0.46C-1.04Mn-0.084V非调质钢的力学性能

图11.4　0.46C-1.04Mn-0.084V非调质钢不同状态的显微组织

回火一般用于贝氏体非调质钢。具有优良韧性的贝氏体型非调质钢可通过回火进一步显著提高其韧性。

3.新型非调质钢应用实例——汽车半轴用钢

大杆径汽车半轴采用高强度中碳非调质钢。典型传统大杆径重载汽车半轴采用调质钢42CrMo等生产，包括热锻成型、调质处理和感应淬火等工序。为降低热处理成本特别是减少淬火变形，开发出了一种大杆径轴类用、适应表面感应淬火的高强度中碳非调质钢FAS2340（Mn-Cr-V-B系）。该钢的各疲劳性能接近调质钢，特别是半轴经表面感应淬火处理后，具有独特的微观组织特征和疲劳性能，可代替42CrMo钢用于制造52～62mm的大杆径重载汽车半轴。