蘇鋼微合金化非調(diào)質(zhì)鋼的開(kāi)發(fā)

崔 冕， 喬曉陽(yáng)， 周 旭， 李占陽(yáng)

(江蘇蘇鋼集團(tuán)蘇州蘇信特鋼有限公司， 江蘇 蘇州 215151)

引 言

微合金化非調(diào)質(zhì)鋼是一種將軋制與熱處理結(jié)合為一體，省去調(diào)質(zhì)工序的新型節(jié)能結(jié)構(gòu)材料；是伴隨國(guó)際能源短缺而發(fā)展起來(lái)的一種高效節(jié)能鋼， 其性價(jià)比遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)合金結(jié)構(gòu)鋼，可廣泛用于裝備制造業(yè)。在汽車工業(yè)中，非調(diào)質(zhì)鋼因具備一系列優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，其中德國(guó)、瑞典和日本對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼的研究與應(yīng)用較好，美國(guó)起步較晚但正以較快速度追趕。現(xiàn)在大眾、福特、菲亞特以及伏爾加汽車生產(chǎn)商都采用非調(diào)質(zhì)鋼來(lái)制造其曲軸、連桿等零件；目前日本90%以上的曲軸、連桿均采用非調(diào)質(zhì)鋼制造。中國(guó)非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用情況長(zhǎng)期以來(lái)都不甚理想，在應(yīng)對(duì)能源緊缺、順應(yīng)國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)的前提下，如何擴(kuò)展非調(diào)質(zhì)鋼在中國(guó)工業(yè)特別是汽車工業(yè)中的應(yīng)用成為一個(gè)重要的課題[1]。江蘇蘇鋼集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“蘇鋼”)在繼承了國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)的38MnVS6，49MnVS3，36MnVS4，C70S6等非調(diào)質(zhì)鋼的基礎(chǔ)上，研發(fā)了SG420X系列非調(diào)質(zhì)鋼，用于完全取代調(diào)質(zhì)使用的42CrMo、40Cr鋼，目前已取得成功。

1 傳統(tǒng)非調(diào)質(zhì)鋼的特性

第一代非調(diào)質(zhì)鋼是西德在1972年開(kāi)發(fā)的，稱為沉淀硬化鐵素體—珠光體鋼(AFPSteels)，其中典型的鋼號(hào)是49MnVS3，通過(guò)在鍛造溫度下直接快冷，析出碳化釩實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化[2]。第一代非調(diào)質(zhì)鋼由于韌性較差，只能運(yùn)用于受沖擊負(fù)荷小的部件，限制了它的應(yīng)用范圍。西德通過(guò)十多年的研究和改進(jìn)， 重點(diǎn)改善了非調(diào)質(zhì)鋼的韌性，于上世紀(jì)80年代初開(kāi)發(fā)出了第二代非調(diào)質(zhì)鋼。第二代非調(diào)質(zhì)鋼通過(guò)降低碳含量，增加合金元素含量，同時(shí)通過(guò)控軋控冷，細(xì)化了晶粒，促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核達(dá)到提高沖擊韌性的目的。

第二代非調(diào)質(zhì)鋼是目前使用量最大的非調(diào)質(zhì)鋼，廣泛應(yīng)用于汽車的曲軸、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)等零部件。目前日本及歐洲的汽車工業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)了非調(diào)質(zhì)鋼的普及，而在國(guó)內(nèi)，國(guó)產(chǎn)汽車生產(chǎn)商對(duì)國(guó)產(chǎn)非調(diào)質(zhì)鋼的認(rèn)可度還有待提高。蘇鋼充分應(yīng)用第二代非調(diào)質(zhì)鋼的生產(chǎn)技術(shù)，通過(guò)控制冶煉和軋制工藝， 增加VN，MnS在奧氏體內(nèi)的析出，從而為鐵素體提供大量的晶內(nèi)形核點(diǎn)，同時(shí)嚴(yán)格控制軋后冷卻速度，阻止再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大。目前蘇鋼生產(chǎn)的49MnVS3，38MnVS6，C70S6化學(xué)成分、力學(xué)性能如表1和表2所示(正火處理是為了模擬加工汽車零件時(shí)的熱鍛條件)。

由表1和表2可以看出，隨著碳含量的降低，非調(diào)質(zhì)鋼的韌性顯著增加，而通過(guò)提高M(jìn)n, Si元素的含量，在不損傷韌性的同時(shí)提高了強(qiáng)度。此外，正火狀態(tài)下材料的機(jī)械性能優(yōu)于熱軋態(tài)。

表1 蘇鋼49MnVS3，38MnVS6，C70S6鋼的化學(xué)成分/%

表2 蘇鋼49MnVS3、38MnVS6、C70S6鋼的機(jī)械性能

2 SG420X系列非調(diào)質(zhì)鋼的開(kāi)發(fā)

上文所述的49MnVS3, 38MnVS6, C70S6為鍛造用非調(diào)質(zhì)鋼，其性能須經(jīng)過(guò)鍛造后才能達(dá)到調(diào)質(zhì)鋼的水平。為了開(kāi)發(fā)出一系列能夠完全代替調(diào)質(zhì)鋼的直接切削用非調(diào)質(zhì)鋼，蘇鋼與鋼研院展開(kāi)了合作，通過(guò)微合金化的深入研究和控軋控冷的精確控制，成功開(kāi)發(fā)出了SG420X系列哥林柱用非調(diào)質(zhì)鋼，目前SG4201鋼主要用于注塑機(jī)以代替調(diào)質(zhì)42CrMo, 40Cr鋼。

2.1 理化性能指標(biāo)

表3為SG4201鋼的化學(xué)成分要求。

表3 SG4201鋼的化學(xué)成分/%

圖1為SG4201熱軋棒材由邊緣到心部的金相照片，由圖1可知， 棒材表面為細(xì)密的回火組織， 而心部為片層細(xì)密的珠光體組織。

表4為SG4201非金屬夾雜物等級(jí)；圖2為非金屬夾雜物金相照片。由圖2可知SG4201鋼的非金屬夾雜物等級(jí)優(yōu)良，其中A類硫化物形態(tài)呈紡錘體或半紡錘體，這種夾雜物形態(tài)有利于提高材料的切削性能。通過(guò)冶金過(guò)程中對(duì)Al元素的嚴(yán)格控制以及優(yōu)良的脫氧工藝，B類、D類夾雜物含量較低；通過(guò)渣系調(diào)配，并選用合理的耐火材料，基本不形成C類硅酸鹽夾雜。

圖3為SG4201晶粒度照片，根據(jù)GB/T6394-2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)級(jí)，SG4201實(shí)際鐵素體晶粒度為10～11級(jí)。

圖1 SG4201熱軋態(tài)金相照片

圖2 SG4201非金屬夾雜物金相照片(100X)

表4 SG4201非金屬夾雜物等級(jí)

圖3 SG4201晶粒度金相照片

2.2 性能對(duì)比

選用Φ125 mm的SG4201，42CrMo，40Cr熱軋態(tài)棒材進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)42CrMo，40Cr棒材進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，熱處理工藝為850 ℃加熱保溫3.5 h后油淬，560 ℃回火4 h后水淬。將調(diào)質(zhì)后的42CrMo，40Cr以及熱軋態(tài)的SG4201加工成拉伸、沖擊、硬度試樣，并對(duì)加工過(guò)程中的車削性能進(jìn)行測(cè)試。

表5為SG4201，42CrMo，40Cr機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果，由表5可知，SG4201拉伸性能優(yōu)于調(diào)質(zhì)42CrMo和40Cr，沖擊性能與調(diào)質(zhì)42CrMo和40Cr相當(dāng)。

表6為SG4201，42CrMo，40Cr硬度測(cè)試結(jié)果，由表6可知，調(diào)質(zhì)42CrMo，40Cr硬度由心部到表面逐漸增加，而SG4201從心部到表面硬度變化小，性能更穩(wěn)定。

表5 SG4201，42CrMo，40Cr機(jī)械性能對(duì)比

表6 SG4201，42CrMo，40Cr心部到表面硬度變化/HBW

圖4為SG4201，42CrMo，40Cr車削性能對(duì)比，由圖4可知，SG4201切屑平整，易下料，切削后試樣光滑度高，具有比42CrMo，40Cr更好的切削性能。

圖4 SG4201，42CrMo，40Cr車削性能對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹了傳統(tǒng)非調(diào)質(zhì)鋼49MnVS3，38MnVS6，C70S6的性能，通過(guò)對(duì)比、分析了蘇鋼集團(tuán)新開(kāi)發(fā)SG4201鋼與調(diào)質(zhì)42CrMo，40Cr鋼在成分和性能方面的優(yōu)勢(shì)，得出以下結(jié)論：

(1)傳統(tǒng)非調(diào)質(zhì)鋼49MnVS3，38MnVS6正火態(tài)性能優(yōu)于熱軋態(tài)。

(2)熱軋態(tài)SG4201具有比調(diào)質(zhì)42CrMo，40Cr鋼更優(yōu)良的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，其沖擊韌性與調(diào)質(zhì)鋼相當(dāng)。

(3)與調(diào)質(zhì)后42CrMo，40Cr棒材相比，SG4201熱軋棒材表面到心部的硬度更均勻。

(4)熱軋態(tài)SG4201具有比調(diào)質(zhì)42CrMo，40Cr更好的切削性能。