Mn-V 微合金钢在汽车前轴中的应用

文／刘中阳，杜强·湖北神力锻造有限责任公司

张峰·东风商用车有限公司技术中心工艺研究所

王一同，胡泽启·武汉理工大学 汽车工程学院

微合金钢是一种新型的结构钢，零件整体性能稳定，截面尺寸效应小，并且属绿色低碳钢种，主要用于汽车及其他车辆的承力锻造部件，如发动机连杆、曲轴、前轴和转向节等，零件通过热锻成形，并锻后通过适当的控制冷却即可获得较高的强度。本文探讨了一种以Mn-V 为主添加合金元素的微合金钢在汽车前轴中的试验及应用。结果表明，与普通中碳调质钢相比，在结构相同并省去调质热处理工序的情况下，应用Mn-V 系中碳微合金钢，组织性能指标满足要求，台架测试在载荷提高15%时，寿命超过100 万次，顺利通过台架试验，同时前轴生产过程中的开裂、变形和组织不均匀等质量问题显著减少。

前轴作为汽车转向系统的重要组成部分，其质量和性能直接关系着汽车的安全性和可靠性。前轴的材料组织状态和力学性能对汽车的转向稳定性、悬挂系统的舒适性以及整车的使用寿命都有着重要影响。随着重载汽车向大吨位、轻量化的方向发展，普通低碳合金钢受限于强度级别较低，在重载汽车前轴领域已不具备优势。微合金钢被国际上公认为21 世纪钢种，相比于普通调质合金钢其含碳量较低，在保证高强度的同时，仍能保持较好的韧性。因此其应用范围较为广泛，可用于汽车及其他车辆的承力锻造部件，如发动机连杆、曲轴、前轴和转向节等，锻造后通过适当的控制冷却即可获得较高的强度。

近年来，在机械、汽车制造等行业，非调质钢替代传统的调质钢已经获得了广泛的应用。Mn-V 系低碳微合金钢属于非调质钢中的一种，由于在生产中可在锻造成形后直接控温冷却就能满足机械性能要求，省去了锻后热处理工序，不仅节约了能源、简化了工艺、提高了生产效率，而且可以避免由淬火引起的变形、开裂及氧化、脱碳等热处理缺陷。

微合金钢概述

在普通软钢和高强度低合金钢基体中添加微量合金元素的钢，称为微合金钢。微合金钢中添加的合金元素，主要是强烈的碳氮化物形成元素，如Nb、V、Ti、Al 等，其含量大约在0.01%～0.20%之间。添加微量合金元素后，使钢的一种或几种性能得到明显的提高，典型的微合金钢有15MnVN 和06MnNb 等。

钒是微合金元素中最早引起人们注意的一种，其在钢材中的应用历史悠久。早在1916 年，美国就开始试验添加钒到软钢中，后续发展出含钒碳锰钢等不同类型的钢材。1939 年开始加入铌元素，为钢材性能的提升探索了新的可能性。在20 世纪50 年代后期，美国进行了含铌半镇静钢的工业试验，进一步推动了微合金元素在钢材中的应用。钛的应用始于1944 年，当时美国研究了低碳锰铜钛钢板，1957 年联邦德国发布了关于钛钢板性能数据的报告。20 世纪60 年代初，联邦德国推荐了含钛碳锰钢用于制造型钢和钢板，但是控制钢中钛含量在0.01%～0.20%之间一直是一个困难。然而，随着80 年代初钢包喷吹技术的发展，钢中钛含量的控制难题已基本得到解决，为钢材性能的进一步提升提供了支持。

微合金钢的发展确实与低合金高强度钢的发展密切相关，这一过程反映了钢材设计理念的演变和工程需求的变化。随着焊接技术的广泛应用，人们开始更加重视钢材的韧性、焊接性等综合性能，而不仅仅是抗拉强度。这导致钢材中碳含量的降低以及对晶粒细化、屈服强度提高等性能指标的要求不断增加。在钢材生产和应用过程中，微合金元素的引入发挥了关键作用。钒、铌、钛等微合金元素的添加可以有效地细化晶粒、提高屈服强度，同时不明显增加成本，使钢材在保持高强度的同时具备良好的韧性和焊接性能。这种微合金钢因其多功能、经济实惠而受到人们的青睐，逐渐成为一种重要的工程材料。

微合金的作用机理

按早期的最简单的类型，微合金钢是铁素体-珠光体组织。到20 世纪80 年代后微合金钢的内涵已广泛地包括：少珠光体、无珠光体、针状铁素体、超低碳贝氏体等组织的低合金高强度钢。

对于铁素体-珠光体钢来说，要得到细铁素体晶粒，需要满足一定条件。首先，需要有尽可能细的再结晶奥氏体晶粒或者经过剧烈变形但未再结晶的奥氏体。这些条件可以提供最大的奥氏体晶界面积，为铁素体的成核提供必要条件。此外，铁素体也可以在未再结晶奥氏体的形变带、回复的亚结构边界以及未溶解的碳化物、氮化物质点上进行形核。添加铌、钒和钛等微合金元素的作用之一是通过它们所形成的碳化物、氮化物质点来阻止奥氏体晶粒在再加热时长大。作用之二是在轧制过程中延缓奥氏体的再结晶。铌可以显著提高再结晶温度的门槛值，钒次之，而钛只在含量相当高时才能发挥有效作用。

国际冶金研究中心的科研人员研究了与Mn-V钢(EN)相似的微合金钢种，不同之处是后者添加了少量的Ti。通常Mn-V 钢化学成分中Ti 和Al 的含量分别为Ti=0.020mass%，Al=0.035mass%。这两种元素很容易与N 结合，尤其是Ti。同时还发现在二次加热温度下，相对高的Al 含量对控制奥氏体晶粒极其不利。根据对具有不同Ti/Al 比例的38MnSiVS5钢锭进行的研究表明：组织中发生奥氏体晶粒不正常长大与Ti 和Al 的含量无关，从根本上讲归因于TiN的部分溶解和沉淀粗化。而Al 含量高的钢显示出不良特性是因为形成了被称为AlN 的二次沉淀物，该沉淀物在1000℃和1100℃之间快速溶解，导致其钉扎力急剧下降。

为了解决铁素体-珠光体型微合金非调质钢韧性低的问题，可以采用降低钢中碳含量的方法。通过降低碳含量，可以增加组织中铁素体的体积百分比，从而消除网状铁素体，减少组织中珠光体的体积百分比，提高珠光体片的退化程度，并细化珠光体片，从而提高钢材的韧性。举例来说，德国THYSSEN 钢公司在49MnVS3 的基础上开发了一系列微合金非调质钢，如38MnVS5、42MnVS6、27SiMnVS7 等。这些钢种通过控制碳含量等合金元素，实现了组织结构的优化，从而提高了钢材的性能，特别是韧性方面得到了改善。另外，20 世纪80 年代后期，日本新日铁采用晶内铁素体技术，开发了碳含量为0.30%的高韧性微合金非调质钢。这种钢材利用晶内铁素体的形成机制，结合合金设计和工艺控制，实现了高韧性的目标，为钢材的应用提供了新的选择。

这些微合金钢材料广泛应用在各种车辆上的结构件，如活塞连杆、发动机连杆、转向前轴、发动机曲轴和转向节等，其他如火车车厢底盘、车厢、矿山设备料罐、翻斗、液压顶板支架系统，工程机械的吊臂、挖斗等特种设备上也有较多应用。

本文主要从微合金钢的形成机理、样件的制造过程及样件的化学成分、组织、性能测试等方面对Mn-V 型中碳微合金钢在前轴上的试验及应用进行了探讨。

试验材料及方法

本文试验采用的是Mn-V 系中碳铁素体＋珠光体钢(32MnSiVS5)，采用锻后控温冷却的工艺制造汽车前轴，试验相关情况如下所述。

试验材料

32MnSiVS5 是一种中碳铁素体＋珠光体型高强韧非调质钢，在Mn-V 钢的基础上加入了Ni、N 等元素改善钢的韧性。本文中试验样件钢材的化学成分如表1 所示。

表1 32MnSiVS5 材料成分(质量分数，%)

32MnSiVS5 是一种中碳铁素体-珠光体型高强韧非调质钢，该钢材在Mn-V 非调质钢的基础上加入了Ni、N 等元素，改善了钢材的韧性。控制合适的碳含量可以保证钢材具有较高的强度，同时不会明显降低其塑、韧性。同时，Si 在一定程度上能提高钢材的强度，但过高的含量可能会导致马氏体的形成。Mn 是一种重要的合金元素，可以提高钢材的强度和韧性，但含量过高也会对钢材的韧性和强度产生不利影响。V 是一个重要的析出强化元素，在不影响钢的塑、韧性情况下能够大幅度地提高钢材的强度。此外，Cr、Ni、Mo、Ti 等合金元素还能够细化晶粒，为钢材的性能提升提供帮助。钒作为晶粒尺寸抑制剂仅在温度低于950℃时起作用，O 是有害元素，要严格控制。同时，氮和钒等元素容易形成氮化物或氮碳化物，进而可以细化晶粒，通过析出强化来提高钢材的强韧性。研究结果表明，在非调质钢中增加氮的含量到0.01%～0.02%可以对提高钢材的性能十分有利。根据对具有不同Ti/Al 比例的32MnSiVS5 钢锭进行的研究表明：组织中发生奥氏体晶粒不正常长大与Ti 和Al 的含量无关，从根本上讲归因于TiN 的部分溶解和沉淀粗化。而Al 含量高的钢显示出不良特性是因为形成了被称为AlN 的二次沉淀物，该沉淀物在1000℃和1100℃之间快速溶解，导致其钉扎力急剧下降。本次试验采用的32MnSiVS5 材料在保证力学性能的前提下，增加了S 的含量,其作用主要是形成MnS，改善钢的切削加工性。

本次试验料与某钢厂联合研制，采用电炉初炼，真空精炼，真空脱气处理，连铸连轧成形，要求轧制压缩比大于4。钢的横截面酸浸低倍组织试片或前切断口上不允许有肉眼可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻边、白皮等缺陷。按照GB/T 226-2015 和ASTM E45A 分别检验低倍组织和钢的非金属夹杂物，情况分列见表2、表3。

表2 按照GB/T 226-2015 和ASTM E45A 检验低倍组织

表3 按照GB/T 226-2015 和ASTM E45A 检验钢的非金属夹杂物

按照ASTM E112 检验钢的奥氏体晶粒度(950℃±10℃/30min，水冷)，级别≥5。成品钢材力学性能见表4。

钢材需100%超声波探伤，按GB/T 4162-2022标准检验，合格级别为B 级以上。

试验条件及试样制备

前轴的制造工艺流程大致为：下料→中频感应加热→辊锻制坯→弯曲→预锻→终锻→切边→校直→控温冷却→抛丸→探伤→检验→防锈入库。热成形前的加热炉温度要比普通碳素钢加热温度高出30℃～50℃，中频炉感应加热温度不能超过1300℃，且使用三分选温度仪来有效区分高温料和低温料，高温过烧料直接报废，低温料可重复加热三次使用；锻造工序采用万吨热模锻压机，一次锻压成形；下线控温温度为900℃～500℃，消除应力温度小于600℃，需严格控制控温冷却，使冷却速度在1.5 ～2.5℃/s 的范围内，此为关键工序，可有效保障综合力学性能和加工性能。具体工艺参数如表5 所示。

表5 试验工艺参数

控制奥氏体晶粒是改善非调质钢性能的重要手段，锻造加热温度和锻后控制冷却速度是决定锻件质量过关与否的关键步骤。当再加热温度从1000℃变化到1200℃时，对机械性能没有重大影响。在冷却速率较低条件下，最终显微组织会产生一些粗糙的珠光体晶胞，该珠光体晶胞团不利于所需要的组织，高冷却速率，钢的强度随之增加，但是韧性没有明显发生变化或者根本没有改变。对含钒钢，加热温度提高到1220℃～1260℃，可以保证V 化合物充分固溶，为其析出强化创作条件，由于此钢种锻后没有二次奥氏体化来细化晶粒，所以应选择较高的终锻温度，下线后立即快速控温冷却，主要是为了控制奥氏体晶粒的过度长大。

试验结果与讨论

在试验锻件上的弯脖和法兰座部位分别取样，制成金相试样和拉伸试样，为了试验的需要，在规定的部位取了8 个试样，拉伸试样规格：φ10mm×50mm；冲击试样试件2mmU 型缺口，10mm×10mm×55mm。(具体见图1、图2)。

图1 试样取样位置、规格

图2 试样尺寸规格

显微组织及晶粒度

金相组织光学显微镜照片如图3 所示。

图3 前轴锻件的金相组织

由图3 可知，在热锻后的冷却过程中因相变形成的铁素体- 珠光体组织中，由于析出细微的碳氮化物而使组织得以强化。通过TEM 分析可以发现，在铁素体基体上弥散分布析出的VCN 化合物，对强度低的铁素体进行了强化，从而强化网状组织。同时因材料中含有适量的Ti 元素易形成碳氮化物，而这些质点在材料锻造过程中起到钉扎效果从而细化奥氏体晶粒。有资料介绍利用MnS 细化铁素体-珠光体组织技术，因此多项措施共同来细化组织，从而使得32MnSiVS5 前轴零件晶粒度达6 ～7 级。

硬度及力学性能测试

选取前轴法兰座部位的试样(图4)，测量截面硬度结果见图5。

图5 法兰座截面硬度分布

从图5 中硬度统计结果来看，32MnSiVS5 的截面硬度均匀，优于50 钢调质状态，此种硬度分布对锻件的性能有益。样件心部硬度略有降低，由心部的冷速较慢导致，因50 钢是调质状态，心部淬透性稍差，故心部与表面硬度相差较大。

表6 为前轴弯脖处试样的力学性能及冲击韧性测试结果，力学性能选取一个试样，冲击功选取三件。

表6 力学性能

从测试数据结果来看，样件的强度指标和塑性指标较好，屈强比达到0.68，断面收缩率和断后伸长率较好，与传统50 钢调质性能相比具有明显的提升。抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率等都达到了42CrMo 的要求。对钢材轧制状态下的冲击功及晶粒度进行测试，结果显示其冲击功为45 ～55J 之间，晶粒度5 ～7 级。这表明，32MnSiVS5 在锻造领域的应用，必须严格控制坯料加热温度及锻后控冷速度。

台架试验结果分析

台架试验采用在最大载荷为3 倍额定载荷的情况下，垂向加载时的疲劳寿命≥100 万次的标准进行评价。并在前轴结构形式保持不变的前提下，与50 钢的台架试验情况进行对比，如表7 所示。

表7 垂向加载台架试验结果

从台架试验的结果来看，采用相同前轴结构形式，32MnSiVS5 的额定载荷在提高15%的情况下，仍能有较好的疲劳寿命，这也与材料的金相组织形态相对应。

结论

试验结果表明，Mn-V 系中碳微合金钢也能应用于汽车前轴锻造领域，采用锻后控温冷却的方式即可获得较好的铁素体-珠光体组织，这种组织强度指标性能与42CrMo 类似，优于50 钢，能满足汽车前轴各项性能考核要求。其锻造生产制造工艺省去了锻件热处理工序，缩短了制造周期，避免了开裂、变形和组织不均匀等热处理质量问题的产生，提升了产品良品率，同时其价格远低于合金钢材料，具有较高的使用性价比。使用中须严格控制锻造过程中坯料的加热温度、终锻温度和控温冷却速度，保证晶粒度细小，以便获得较好的韧性。