苏钢微合金化非调质钢的开发

崔 冕， 乔晓阳， 周 旭， 李占阳

(江苏苏钢集团苏州苏信特钢有限公司， 江苏 苏州 215151)

引 言

微合金化非调质钢是一种将轧制与热处理结合为一体，省去调质工序的新型节能结构材料；是伴随国际能源短缺而发展起来的一种高效节能钢， 其性价比远优于传统合金结构钢，可广泛用于装备制造业。在汽车工业中，非调质钢因具备一系列优点而被广泛应用，其中德国、瑞典和日本对非调质钢的研究与应用较好，美国起步较晚但正以较快速度追赶。现在大众、福特、菲亚特以及伏尔加汽车生产商都采用非调质钢来制造其曲轴、连杆等零件；目前日本90%以上的曲轴、连杆均采用非调质钢制造。中国非调质钢应用情况长期以来都不甚理想，在应对能源紧缺、顺应国际发展趋势的前提下，如何扩展非调质钢在中国工业特别是汽车工业中的应用成为一个重要的课题[1]。江苏苏钢集团有限公司(以下简称“苏钢”)在继承了国内已开发的38MnVS6，49MnVS3，36MnVS4，C70S6等非调质钢的基础上，研发了SG420X系列非调质钢，用于完全取代调质使用的42CrMo、40Cr钢，目前已取得成功。

1 传统非调质钢的特性

第一代非调质钢是西德在1972年开发的，称为沉淀硬化铁素体—珠光体钢(AFPSteels)，其中典型的钢号是49MnVS3，通过在锻造温度下直接快冷，析出碳化钒实现强化[2]。第一代非调质钢由于韧性较差，只能运用于受冲击负荷小的部件，限制了它的应用范围。西德通过十多年的研究和改进， 重点改善了非调质钢的韧性，于上世纪80年代初开发出了第二代非调质钢。第二代非调质钢通过降低碳含量，增加合金元素含量，同时通过控轧控冷，细化了晶粒，促进晶内铁素体形核达到提高冲击韧性的目的。

第二代非调质钢是目前使用量最大的非调质钢，广泛应用于汽车的曲轴、连杆、转向节等零部件。目前日本及欧洲的汽车工业已基本实现了非调质钢的普及，而在国内，国产汽车生产商对国产非调质钢的认可度还有待提高。苏钢充分应用第二代非调质钢的生产技术，通过控制冶炼和轧制工艺， 增加VN，MnS在奥氏体内的析出，从而为铁素体提供大量的晶内形核点，同时严格控制轧后冷却速度，阻止再结晶晶粒长大。目前苏钢生产的49MnVS3，38MnVS6，C70S6化学成分、力学性能如表1和表2所示(正火处理是为了模拟加工汽车零件时的热锻条件)。

由表1和表2可以看出，随着碳含量的降低，非调质钢的韧性显著增加，而通过提高Mn, Si元素的含量，在不损伤韧性的同时提高了强度。此外，正火状态下材料的机械性能优于热轧态。

表1 苏钢49MnVS3，38MnVS6，C70S6钢的化学成分/%

表2 苏钢49MnVS3、38MnVS6、C70S6钢的机械性能

2 SG420X系列非调质钢的开发

上文所述的49MnVS3, 38MnVS6, C70S6为锻造用非调质钢，其性能须经过锻造后才能达到调质钢的水平。为了开发出一系列能够完全代替调质钢的直接切削用非调质钢，苏钢与钢研院展开了合作，通过微合金化的深入研究和控轧控冷的精确控制，成功开发出了SG420X系列哥林柱用非调质钢，目前SG4201钢主要用于注塑机以代替调质42CrMo, 40Cr钢。

2.1 理化性能指标

表3为SG4201钢的化学成分要求。

表3 SG4201钢的化学成分/%

图1为SG4201热轧棒材由边缘到心部的金相照片，由图1可知， 棒材表面为细密的回火组织， 而心部为片层细密的珠光体组织。

表4为SG4201非金属夹杂物等级；图2为非金属夹杂物金相照片。由图2可知SG4201钢的非金属夹杂物等级优良，其中A类硫化物形态呈纺锤体或半纺锤体，这种夹杂物形态有利于提高材料的切削性能。通过冶金过程中对Al元素的严格控制以及优良的脱氧工艺，B类、D类夹杂物含量较低；通过渣系调配，并选用合理的耐火材料，基本不形成C类硅酸盐夹杂。

图3为SG4201晶粒度照片，根据GB/T6394-2002标准进行评级，SG4201实际铁素体晶粒度为10～11级。

图1 SG4201热轧态金相照片

图2 SG4201非金属夹杂物金相照片(100X)

表4 SG4201非金属夹杂物等级

图3 SG4201晶粒度金相照片

2.2 性能对比

选用Φ125 mm的SG4201，42CrMo，40Cr热轧态棒材进行试验。对42CrMo，40Cr棒材进行调质处理，热处理工艺为850 ℃加热保温3.5 h后油淬，560 ℃回火4 h后水淬。将调质后的42CrMo，40Cr以及热轧态的SG4201加工成拉伸、冲击、硬度试样，并对加工过程中的车削性能进行测试。

表5为SG4201，42CrMo，40Cr机械性能测试结果，由表5可知，SG4201拉伸性能优于调质42CrMo和40Cr，冲击性能与调质42CrMo和40Cr相当。

表6为SG4201，42CrMo，40Cr硬度测试结果，由表6可知，调质42CrMo，40Cr硬度由心部到表面逐渐增加，而SG4201从心部到表面硬度变化小，性能更稳定。

表5 SG4201，42CrMo，40Cr机械性能对比

表6 SG4201，42CrMo，40Cr心部到表面硬度变化/HBW

图4为SG4201，42CrMo，40Cr车削性能对比，由图4可知，SG4201切屑平整，易下料，切削后试样光滑度高，具有比42CrMo，40Cr更好的切削性能。

图4 SG4201，42CrMo，40Cr车削性能对比

3 结束语

介绍了传统非调质钢49MnVS3，38MnVS6，C70S6的性能，通过对比、分析了苏钢集团新开发SG4201钢与调质42CrMo，40Cr钢在成分和性能方面的优势，得出以下结论：

(1)传统非调质钢49MnVS3，38MnVS6正火态性能优于热轧态。

(2)热轧态SG4201具有比调质42CrMo，40Cr钢更优良的抗拉强度和屈服强度，其冲击韧性与调质钢相当。

(3)与调质后42CrMo，40Cr棒材相比，SG4201热轧棒材表面到心部的硬度更均匀。

(4)热轧态SG4201具有比调质42CrMo，40Cr更好的切削性能。