微合金非调质钢在汽车零部件生产中的应用

2020-03-27李新平赵韩飞姚孝寒

中国金属通报 2020年20期

李新平，赵韩飞，熊剑，姚孝寒，高原

（江西恒大高新技术股份有限公司，江西南昌 330096）

国内微合金非调质钢已广泛应用于连杆、控制臂等汽车零部件，非调质钢是伴随国际上能源短缺而发展起来的一种高效节能钢，与调质钢相比具有简化生产工艺流程，提高材料利用率，降低能耗和制造成本（25%～28%）的优点[1]。非调质钢在汽车行业的应用已日趋广泛[2]。拒不完全统计，目前我国非调质钢的年用量在10 ～15 万吨，其中汽车行业的年用量就达5 ～8万吨。非调质钢已先后经历了铁素体-珠光体型、贝氏体型、马氏体型等三个阶段的发展，目前工业上最广泛应用的是铁素体-珠光体型非调质钢，铁素体-珠光体型非调质钢现广泛应用于连杆、控制臂、曲轴等汽车零部件。本文根据笔者近年来对非调质钢应用于连杆、控制臂、曲轴等汽车零部件的一些生产经验和技术成果，以及生产过程中的一些技术问题做探讨分析，为国内非调质钢在连杆、控制臂、曲轴等的广泛应用提供参考。

1 非调质钢在连杆生产中的应用

1.1 连杆用非调质钢

连杆是发动机的重要零件，它的作用是连接活塞和曲轴，使活塞的往复运动变换成曲轴的旋转运动，受到拉伸、压缩和弯曲应力及交互疲劳载荷作用[3]。在我国，应用非调质钢最成功的零件是汽车发动机连杆。使用的非调质钢数量最多，约占全国非调质钢生产总量的一半。例如，上海大众汽车连杆使用的非调质钢是30Mn2VS；江铃汽车连杆使用的非调质钢是35MnVS；天津大发TJ370Q、TJ376Q 发动机连杆使用的非调质钢是进口S43CVS1；广州标致汽车连杆使用的非调质钢是引进法国的45M5UA2。

1.2 连杆的锻造工艺性

图1 是汽车发动机连杆，所用非调质钢为35MnVS。连杆锻造工艺流程为：

下料—中频加热—滚锻—制坯—预锻—终锻—切边—风冷—抛丸。

1.3 连杆锻造过程中的影响因素

1.3.1 原材料化学成分的影响

表1 是连杆用钢35MnVS 的化学成分技术要求，此批连杆用钢有炉号有两种。

从表1 可以看出，此两种炉号的原材料均符合技术要求。但是在生产中发现，锻造并鼓风冷却后，检测其金相组织，经锻造的炉号1#的35MnVS 连杆不能超过500 转/min 的冷速进行风冷，否则，金相组织出现大量异常，硬度也偏低。而经锻造的炉号2#的35MnVS 连杆则可用800 转/min 的冷速进行风冷，金相硬度都符合要求。从表1 中可以看出，炉号1#钢比炉号2#钢中的V 含量低0.016%，在锻后冷却过程中，V 的碳化物弥散析出，可以阻碍奥氏体的再结晶过程，细化晶粒。炉号1#钢的V 的这方面作用较弱，晶粒相对粗大，冷速较快时，易产生魏氏体组织。

1.3.2 锻造加热温度的影响

提高锻造加热温度，即提高奥氏体化温度，可使V、Ti 的固溶量增大， V、Ti 的碳氮化物逐渐溶入奥氏体中，大量溶解的微合金碳氮化物在冷却过程中弥散析出，可提高钢的强度和硬度。连杆的锻造加热温度控制在不超过1200℃较为合理，若超过此温度，奥氏体晶粒度迅速长大，导致风冷后晶粒度不合格，强硬度降低，韧性下降。下料直径不能太大，当坯料有效厚度较小，内外容易达到锻造温度并且均匀。

1.3.3 风冷对锻件质量的影响

在锻后风冷过程中，风冷速度对于组织的转变有显著的影响，工件的最终组织性能很大程度取决于冷速控制。其确定了铁素体和珠光体的分配情况，形态，铁素体晶粒度大小，珠光体片层间距等。

图1 为连杆经锻造成型后，不合理风冷时的金相组织照片，零件组织产生了大量贝氏体组织。这是由于风量太大导致冷却速度过快造成的。生产中也发现，当冷却速度低于40℃/min 以上，硬度往往达不到要求。由于冷却缓慢，相变过冷度较小，使先共析铁素体形核率减小，先共析铁素体在晶界处析出充分。且先共析铁素体晶粒尺寸大，铁素体含量也较高，珠光体含量相对减少。

表1 35MnVS 钢化学成分（质量分数，%）

图1 连杆在不合理冷却速度下的金相组织

图2 是连杆在80-180℃/min 冷却速度范围内的金相组织，由铁素体和珠光体组成，将冷速控制在80-180℃/min，获得比较理想的显微组织。

图2 连杆在合理冷却速度下的金相组织

2 非调质钢在控制臂生产中的应用

2.1 控制臂用非调质钢

近年来，控制臂已逐渐广泛采用非调质钢，例如江铃汽车控制臂采用铁素体-珠光体型非调质钢38MnVS；日本爱知制钢开发了贝氏体非调质钢SVd15BX，丰田高级轿车“皇冠”控制臂采用铁素体-珠光体型非调质钢38MnVS，制造成本降低了5%～10%。

2.2 控制臂的锻后控冷工艺

控制臂锻件所采用38MnVS 非调质钢，锻造工艺流程为：下料—中频加热—滚锻—制坯—预锻—终锻—切边/校形—控冷—抛丸。

图3 控制臂的锻后控冷生产线

控制臂对控冷设备要求高，设备结构较复杂，工艺流程更多，制造成本高。图3 为控制臂控冷线，具体分为四个区：快冷区、等温区、缓冷区、对流区。

控制臂锻件切边后温度为850℃～900℃，控制臂冷却线快冷区控制的冷却速度为60℃/min ～80℃/min，在快冷区进行快速冷却，冷却约3～4 分钟，温度达到630℃～650℃，然后进入等温区，等温区保温温度为600℃～630℃，等温时间约为35～45分钟。组织完全转变成铁素体+珠光体后，再进入到缓冷区，防止产生大的应力，时间大约25～30 分钟。最后进入对流区，使锻件迅速冷却到室温，以便下料。

图4 控制臂在合理冷却速度下的金相组织

图4 为控制臂锻造控冷后金相组织。由图8 可以看出，组织由铁素体和珠光体组成，组织分布均匀。通常，中碳钢锻件经过锻造变形后，冷却速度不大时，或者过冷度不大时，先共析铁素体在晶界析出充分，铁素体沿奥氏体晶界长大速度远大于向晶内长大速度，易于沿着奥氏体晶界呈网状析出。在一定范围内，随着过冷度增大，先共析铁素体晶粒变得细小，网状结构越明显，铁素体含量较少。当冷速达到一定程度，先共析铁素体晶界、晶内均析出，组织比较均匀。晶粒度达到6 ～7 级，没有出现粗晶、混晶等现象。说明锻件在此控冷制度下比较合理，等温温度为600℃～630℃时，金相组织良好。