《汽车曲轴和连杆用非调质圆钢》团体标准综述

□ 霍咚梅 肖邦国 杨伟宁 周 蕾

一、引言

汽车曲轴和连杆均属于发动机动力转换组件，其结构复杂、加工工艺难度较大、综合性能要求高，对发动机的工作性能、使用寿命有着直接影响，也关乎汽车的整体性能和行驶安全。随着汽车工业的高速发展，对汽车发动机性能的要求越来越高，尤其是愈加关注安全环保和高效节能。随之，对汽车曲轴和连杆用材也提出了更高的要求，既要求钢材本身能节能降耗、降低制造成本，又要求其有更好的综合机械性能。非调质钢具有性能优良、高效节能、使用成本较低、有利于环境保护等突出优点，在国内外得到大力推行，被誉为“绿色钢材”，尤其是在汽车曲轴和连杆中的应用更为突出，可减少加工工序约1/4，提高材料利用率5%～10%，综合降低能耗和制造成本25%～38%[1]。制定汽车曲轴和连杆用非调质圆钢的团体标准，可填补现有标准空白，快速满足高性能汽车发动机用材的市场需求，对促进汽车行业及配套零部件产业的高速发展具有积极的推动作用。

为了便于该团体标准的理解与实施，现将标准的立项背景及主要技术指标介绍如下。

二、立项背景

针对汽车曲轴、连杆等零部件的使用特性，考虑减少昂贵合金、改善强韧性、提升涨断性能等诸多需求，欧洲、北美、日本等国家主要汽车企业联合当地钢铁生产企业陆续开发出一系列适合自身发展的非调质钢，因其节能效果显著、机加工效率提高，得到迅速发展，广泛应用于制造汽车的曲轴、连杆等零件[2]。例如，日本、韩国和欧洲80%的汽车锻钢件均采用省去了热处理工序的微合金非调质钢[3]。我国自20世纪80年代开始研究非调质钢以来，已开发出一系列非调质钢钢种，并成功应用于汽车发动机曲轴和连杆制造。例如，新一代中碳撑断连杆用钢46MnVS5、38MnSiVS4，在一汽、上汽、东风等主机厂已经批量应用，低成本大马力商用车曲轴用钢C38N2、48MnV在东风、康明斯等商用车主机厂、发动机厂已大量应用。

目前，我国现行的国家标准为《非调质机械结构钢》（GB/T 15712-2016），包括16个非调质钢牌号[4]。但是，该标准仍不能满足汽车曲轴和连杆制造的实际需要，例如，缺少近年来已批量使用的46MnVS5、38MnSiVS4等牌号，没有将零部件使用状态的要求转化为对热轧圆钢的技术要求等。随着汽车行业及配套零部件产业对其安全性、轻量化、节能环保要求的提高，迫切需要制定汽车曲轴和连杆用非调质钢的专用标准，以满足高性能汽车发动机用材的需要。为此，2019年3月由中国特钢企业协会团体标准化工作委员会下达了《汽车曲轴和连杆用非调质圆钢》团体标准制定计划，由南京钢铁股份有限公司、江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司、西宁特殊钢股份有限公司、承德建龙特殊钢有限公司、山东寿光巨能特钢有限公司、江苏永钢集团有限公司、天津荣程联合钢铁集团有限公司、潍坊特钢集团、冶金工业规划研究院等组成标准编制组，负责完成该团体标准的制定工作。

三、主要技术指标对比分析

1.标准名称

本团体标准聚焦于汽车曲轴、连杆制造用的非调质钢棒材，为了直接突出体现标准的应用领域，便于用户使用，标准名称定为《汽车曲轴和连杆用非调质圆钢》。与现行GB/T 15712-2016对非调质机械结构钢的定义——通过微合金化、控制轧制（锻制）和控制冷却等强韧化方法，取消了调质热处理，达到或接近调质钢力学性能的一类优质或特殊质量结构钢——并不矛盾，只是更突出细分领域的定制化要求，强化标准的实用性。

2.范围

本团体标准规定了汽车曲轴和连杆用非调质圆钢的分类和命名、订货内容、尺寸、外形、重量、允许偏差、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志、质量证明书等。本团体标准适用于直径范围30～190mm制造汽车或其他机械中曲轴和连杆的非调质热轧圆钢（以下简称圆钢），也适用于制造汽车或其他机械中的其他零部件。

3.分类和代号

在GB/T 15712-2016中，非调质钢按显微组织分为铁素体-珠光体钢、贝氏体钢2类；按使用加工方法分为直接切削加工用钢、热压力加工用钢2类。本团体标准按照非调质钢具体应用领域分为曲轴制造用、连杆制造用2类，并根据GB/T 221的命名规则，规定曲轴用非调质钢，牌号前加代表曲轴用的字母代号Q；连杆用非调质钢，牌号前加代表连杆用的字母代号L。曲轴、连杆用非调质钢均有牌号38MnSiVS，两者成分相近，技术要求不同，通过Q38MnSiVS、L38MnSiVS即可体现不同细分领域的差异化技术要求。此外，本团体标准中涉及的牌号全部为铁素体-珠光体钢，使用加工方法全部为热压力加工用钢。

4.尺寸、外形及允许偏差

曲轴、连杆的制造均需棒材下料、感应加热、锻造等工序，因其对端部要求较高，本团体标准明确提出“圆钢端部无毛刺，两端平齐；直径不小于60mm的圆钢切斜度应不大于直径的5.3%”。同时，圆钢尺寸、外形及允许偏差应符合GB/T 702的规定，与GB/T 15712-2016的规定一致。

5.牌号和化学成分

目前我国汽车曲轴和连杆制造用非调质钢牌号众多，不完全统计超过23个牌号，如表1所示。按照我国牌号命名规则，本团体标准将化学成分接近的牌号归并后，明确了汽车曲轴和连杆制造用非调质钢常用牌号，包括9个牌号，同时与现有国标牌号进行了对照，如表1所示。

表1 曲轴、连杆常用钢材牌号

同时，根据汽车曲轴和连杆制造的使用要求，本团体标准与GB/T 15712-2016标准相比，其先进性和适用性体现在以下方面：一是考虑当前连杆用钢大量使用涨断技术，增加LF38MnSiVS、LF46MnVS 2个牌号；二是明确规定成品分析O≤20ppm、H≤2.0ppm；三是下调铜、铬、镍等合金元素含量的上限；四是增加了钛、铝等合金元素含量的规定；五是增加铜、镍、钛、铝等元素含量允许偏差的规定。

6.制造方法

因曲轴、连杆属于汽车保安件，本团体标准明确规定“钢应进行炉外精炼和真空脱气”。此外，与GB/T 15712-2016标准相比，新增“连铸坯压缩比不小于5”的要求。

7.力学性能

GB/T 15712-2016中，仅给出了公称直径或边长不大于60mm的直接切削加工用钢材的力学性能；对于热压力加工用钢材，可根据需要检测力学性能及硬度，但没有给出具体方法和力学性能值。本团体标准有力补充了这方面的数据，推荐将圆钢改锻或车削成适当的规格后，加热到合适温度再采用适当的冷却方式加工成试样，同时给出了推荐的试样制备方式和力学性能参考值，如表2所示。

表2 圆钢的力学性能

8.非金属夹杂物

本团体标准根据硫含量的不同，进一步细化了不同牌号圆钢A类夹杂的控制级别，此外，加严了B、C、D类夹杂物的控制要求。与GB/T 15712-2016的比对情况如表3所示。

表3 非金属夹杂物合格级别

9.晶粒度

考虑非调质钢锻制的曲轴、连杆，锻后控冷状态即使用状态，因此本团体标准从实际出发，补充规定了亚共析非调质钢（LF70VS除外）应评定轧制状态或正火状态的晶粒度，明确了评定原则和合格级别：

——对亚共析珠光体-铁素体非调质钢，应检测实际（铁素体）晶粒度，试样应取自交货状态下的样料或取样后根据供需双方约定的正火工艺检测；

——当基体组织以珠光体+网状铁素体为主，根据铁素体网尺寸评定实际晶粒度，合格级别为不粗于5级；

——当基体组织以珠光体+块状铁素体为主，以铁素体平均晶粒度表示试样的实际晶粒度，合格级别为不粗于5级。

此外，与GB/T 15712-2016一样，本团体标准指出根据需方要求，并在合同中注明，可检验圆钢奥氏体晶粒度，同时，明确规定合格级别为不粗于5级。

10.带状组织

本团体标准增加了对带状组织的要求，规定了“检测圆钢半径1/2处带状组织，按GB/T 13299评定，合格级别≤2.0级。

11.脱碳层

考虑曲轴、连杆锻制采用感应加热方法，本团体标准规定“圆钢应检测脱碳层深度，每边总脱碳层深度不大于圆钢公称直径的0.8%”，比GB/T 15712-2016中“每边总脱碳层深度不大于圆钢公称直径的1.0%”的要求进一步加严。

12.超声检测

曲轴、连杆作为汽车关键零部件，关乎安全性，为此，本团体标准增加了超声检测要求，规定圆钢应逐根进行超声检测，同时给出了检测方法及合格级别。

四、结论

《汽车曲轴和连杆用非调质圆钢》团体标准的制定，切实从高性能汽车发动机曲轴和连杆制造用材需求出发，突出市场性、先进性和实用性，在参考国家标准GB/T 15712-2016的基础上，对国内曲轴和连杆制造常用的非调质钢牌号及不同成分范围进行了归纳、补充，进一步提高、细化了力学性能、非金属夹杂、晶粒度、脱碳层等相关技术要求，增加了带状组织、无损检测等具体要求，填补了细分市场领域标准的空白，满足了曲轴、连杆制造的定制化要求。《汽车曲轴和连杆用非调质圆钢》团体标准的发布实施对进一步推动我国非调质钢的生产与使用将起到积极作用。