《汽車(chē)曲軸和連桿用非調(diào)質(zhì)圓鋼》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)綜述

□ 霍咚梅 肖邦國(guó) 楊偉寧 周 蕾

一、引言

汽車(chē)曲軸和連桿均屬于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力轉(zhuǎn)換組件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工工藝難度較大、綜合性能要求高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能、使用壽命有著直接影響，也關(guān)乎汽車(chē)的整體性能和行駛安全。隨著汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求越來(lái)越高，尤其是愈加關(guān)注安全環(huán)保和高效節(jié)能。隨之，對(duì)汽車(chē)曲軸和連桿用材也提出了更高的要求，既要求鋼材本身能節(jié)能降耗、降低制造成本，又要求其有更好的綜合機(jī)械性能。非調(diào)質(zhì)鋼具有性能優(yōu)良、高效節(jié)能、使用成本較低、有利于環(huán)境保護(hù)等突出優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到大力推行，被譽(yù)為“綠色鋼材”，尤其是在汽車(chē)曲軸和連桿中的應(yīng)用更為突出，可減少加工工序約1/4，提高材料利用率5%～10%，綜合降低能耗和制造成本25%～38%[1]。制定汽車(chē)曲軸和連桿用非調(diào)質(zhì)圓鋼的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，可填補(bǔ)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)空白，快速滿足高性能汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用材的市場(chǎng)需求，對(duì)促進(jìn)汽車(chē)行業(yè)及配套零部件產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。

為了便于該團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的理解與實(shí)施，現(xiàn)將標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)背景及主要技術(shù)指標(biāo)介紹如下。

二、立項(xiàng)背景

針對(duì)汽車(chē)曲軸、連桿等零部件的使用特性，考慮減少昂貴合金、改善強(qiáng)韌性、提升漲斷性能等諸多需求，歐洲、北美、日本等國(guó)家主要汽車(chē)企業(yè)聯(lián)合當(dāng)?shù)劁撹F生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)開(kāi)發(fā)出一系列適合自身發(fā)展的非調(diào)質(zhì)鋼，因其節(jié)能效果顯著、機(jī)加工效率提高，得到迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于制造汽車(chē)的曲軸、連桿等零件[2]。例如，日本、韓國(guó)和歐洲80%的汽車(chē)鍛鋼件均采用省去了熱處理工序的微合金非調(diào)質(zhì)鋼[3]。我國(guó)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究非調(diào)質(zhì)鋼以來(lái)，已開(kāi)發(fā)出一系列非調(diào)質(zhì)鋼鋼種，并成功應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和連桿制造。例如，新一代中碳撐斷連桿用鋼46MnVS5、38MnSiVS4，在一汽、上汽、東風(fēng)等主機(jī)廠已經(jīng)批量應(yīng)用，低成本大馬力商用車(chē)曲軸用鋼C38N2、48MnV在東風(fēng)、康明斯等商用車(chē)主機(jī)廠、發(fā)動(dòng)機(jī)廠已大量應(yīng)用。

目前，我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為《非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 15712-2016），包括16個(gè)非調(diào)質(zhì)鋼牌號(hào)[4]。但是，該標(biāo)準(zhǔn)仍不能滿足汽車(chē)曲軸和連桿制造的實(shí)際需要，例如，缺少近年來(lái)已批量使用的46MnVS5、38MnSiVS4等牌號(hào)，沒(méi)有將零部件使用狀態(tài)的要求轉(zhuǎn)化為對(duì)熱軋圓鋼的技術(shù)要求等。隨著汽車(chē)行業(yè)及配套零部件產(chǎn)業(yè)對(duì)其安全性、輕量化、節(jié)能環(huán)保要求的提高，迫切需要制定汽車(chē)曲軸和連桿用非調(diào)質(zhì)鋼的專用標(biāo)準(zhǔn)，以滿足高性能汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用材的需要。為此，2019年3月由中國(guó)特鋼企業(yè)協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)下達(dá)了《汽車(chē)曲軸和連桿用非調(diào)質(zhì)圓鋼》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制定計(jì)劃，由南京鋼鐵股份有限公司、江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司、西寧特殊鋼股份有限公司、承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰尽⑸綎|壽光巨能特鋼有限公司、江蘇永鋼集團(tuán)有限公司、天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)有限公司、濰坊特鋼集團(tuán)、冶金工業(yè)規(guī)劃研究院等組成標(biāo)準(zhǔn)編制組，負(fù)責(zé)完成該團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

三、主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分析

1.標(biāo)準(zhǔn)名稱

本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)聚焦于汽車(chē)曲軸、連桿制造用的非調(diào)質(zhì)鋼棒材，為了直接突出體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用領(lǐng)域，便于用戶使用，標(biāo)準(zhǔn)名稱定為《汽車(chē)曲軸和連桿用非調(diào)質(zhì)圓鋼》。與現(xiàn)行GB/T 15712-2016對(duì)非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼的定義——通過(guò)微合金化、控制軋制（鍛制）和控制冷卻等強(qiáng)韌化方法，取消了調(diào)質(zhì)熱處理，達(dá)到或接近調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能的一類優(yōu)質(zhì)或特殊質(zhì)量結(jié)構(gòu)鋼——并不矛盾，只是更突出細(xì)分領(lǐng)域的定制化要求，強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用性。

2.范圍

本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了汽車(chē)曲軸和連桿用非調(diào)質(zhì)圓鋼的分類和命名、訂貨內(nèi)容、尺寸、外形、重量、允許偏差、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、包裝、標(biāo)志、質(zhì)量證明書(shū)等。本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)適用于直徑范圍30～190mm制造汽車(chē)或其他機(jī)械中曲軸和連桿的非調(diào)質(zhì)熱軋圓鋼（以下簡(jiǎn)稱圓鋼），也適用于制造汽車(chē)或其他機(jī)械中的其他零部件。

3.分類和代號(hào)

在GB/T 15712-2016中，非調(diào)質(zhì)鋼按顯微組織分為鐵素體-珠光體鋼、貝氏體鋼2類；按使用加工方法分為直接切削加工用鋼、熱壓力加工用鋼2類。本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)按照非調(diào)質(zhì)鋼具體應(yīng)用領(lǐng)域分為曲軸制造用、連桿制造用2類，并根據(jù)GB/T 221的命名規(guī)則，規(guī)定曲軸用非調(diào)質(zhì)鋼，牌號(hào)前加代表曲軸用的字母代號(hào)Q；連桿用非調(diào)質(zhì)鋼，牌號(hào)前加代表連桿用的字母代號(hào)L。曲軸、連桿用非調(diào)質(zhì)鋼均有牌號(hào)38MnSiVS，兩者成分相近，技術(shù)要求不同，通過(guò)Q38MnSiVS、L38MnSiVS即可體現(xiàn)不同細(xì)分領(lǐng)域的差異化技術(shù)要求。此外，本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)中涉及的牌號(hào)全部為鐵素體-珠光體鋼，使用加工方法全部為熱壓力加工用鋼。

4.尺寸、外形及允許偏差

曲軸、連桿的制造均需棒材下料、感應(yīng)加熱、鍛造等工序，因其對(duì)端部要求較高，本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)明確提出“圓鋼端部無(wú)毛刺，兩端平齊；直徑不小于60mm的圓鋼切斜度應(yīng)不大于直徑的5.3%”。同時(shí)，圓鋼尺寸、外形及允許偏差應(yīng)符合GB/T 702的規(guī)定，與GB/T 15712-2016的規(guī)定一致。

5.牌號(hào)和化學(xué)成分

目前我國(guó)汽車(chē)曲軸和連桿制造用非調(diào)質(zhì)鋼牌號(hào)眾多，不完全統(tǒng)計(jì)超過(guò)23個(gè)牌號(hào)，如表1所示。按照我國(guó)牌號(hào)命名規(guī)則，本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)將化學(xué)成分接近的牌號(hào)歸并后，明確了汽車(chē)曲軸和連桿制造用非調(diào)質(zhì)鋼常用牌號(hào)，包括9個(gè)牌號(hào)，同時(shí)與現(xiàn)有國(guó)標(biāo)牌號(hào)進(jìn)行了對(duì)照，如表1所示。

表1 曲軸、連桿常用鋼材牌號(hào)

同時(shí)，根據(jù)汽車(chē)曲軸和連桿制造的使用要求，本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)與GB/T 15712-2016標(biāo)準(zhǔn)相比，其先進(jìn)性和適用性體現(xiàn)在以下方面：一是考慮當(dāng)前連桿用鋼大量使用漲斷技術(shù)，增加LF38MnSiVS、LF46MnVS 2個(gè)牌號(hào)；二是明確規(guī)定成品分析O≤20ppm、H≤2.0ppm；三是下調(diào)銅、鉻、鎳等合金元素含量的上限；四是增加了鈦、鋁等合金元素含量的規(guī)定；五是增加銅、鎳、鈦、鋁等元素含量允許偏差的規(guī)定。

6.制造方法

因曲軸、連桿屬于汽車(chē)保安件，本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定“鋼應(yīng)進(jìn)行爐外精煉和真空脫氣”。此外，與GB/T 15712-2016標(biāo)準(zhǔn)相比，新增“連鑄坯壓縮比不小于5”的要求。

7.力學(xué)性能

GB/T 15712-2016中，僅給出了公稱直徑或邊長(zhǎng)不大于60mm的直接切削加工用鋼材的力學(xué)性能；對(duì)于熱壓力加工用鋼材，可根據(jù)需要檢測(cè)力學(xué)性能及硬度，但沒(méi)有給出具體方法和力學(xué)性能值。本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)有力補(bǔ)充了這方面的數(shù)據(jù)，推薦將圓鋼改鍛或車(chē)削成適當(dāng)?shù)囊?guī)格后，加熱到合適溫度再采用適當(dāng)?shù)睦鋮s方式加工成試樣，同時(shí)給出了推薦的試樣制備方式和力學(xué)性能參考值，如表2所示。

表2 圓鋼的力學(xué)性能

8.非金屬夾雜物

本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)硫含量的不同，進(jìn)一步細(xì)化了不同牌號(hào)圓鋼A類夾雜的控制級(jí)別，此外，加嚴(yán)了B、C、D類夾雜物的控制要求。與GB/T 15712-2016的比對(duì)情況如表3所示。

表3 非金屬夾雜物合格級(jí)別

9.晶粒度

考慮非調(diào)質(zhì)鋼鍛制的曲軸、連桿，鍛后控冷狀態(tài)即使用狀態(tài)，因此本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)從實(shí)際出發(fā)，補(bǔ)充規(guī)定了亞共析非調(diào)質(zhì)鋼（LF70VS除外）應(yīng)評(píng)定軋制狀態(tài)或正火狀態(tài)的晶粒度，明確了評(píng)定原則和合格級(jí)別：

——對(duì)亞共析珠光體-鐵素體非調(diào)質(zhì)鋼，應(yīng)檢測(cè)實(shí)際（鐵素體）晶粒度，試樣應(yīng)取自交貨狀態(tài)下的樣料或取樣后根據(jù)供需雙方約定的正火工藝檢測(cè)；

——當(dāng)基體組織以珠光體+網(wǎng)狀鐵素體為主，根據(jù)鐵素體網(wǎng)尺寸評(píng)定實(shí)際晶粒度，合格級(jí)別為不粗于5級(jí)；

——當(dāng)基體組織以珠光體+塊狀鐵素體為主，以鐵素體平均晶粒度表示試樣的實(shí)際晶粒度，合格級(jí)別為不粗于5級(jí)。

此外，與GB/T 15712-2016一樣，本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)指出根據(jù)需方要求，并在合同中注明，可檢驗(yàn)圓鋼奧氏體晶粒度，同時(shí)，明確規(guī)定合格級(jí)別為不粗于5級(jí)。

10.帶狀組織

本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)增加了對(duì)帶狀組織的要求，規(guī)定了“檢測(cè)圓鋼半徑1/2處帶狀組織，按GB/T 13299評(píng)定，合格級(jí)別≤2.0級(jí)。

11.脫碳層

考慮曲軸、連桿鍛制采用感應(yīng)加熱方法，本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“圓鋼應(yīng)檢測(cè)脫碳層深度，每邊總脫碳層深度不大于圓鋼公稱直徑的0.8%”，比GB/T 15712-2016中“每邊總脫碳層深度不大于圓鋼公稱直徑的1.0%”的要求進(jìn)一步加嚴(yán)。

12.超聲檢測(cè)

曲軸、連桿作為汽車(chē)關(guān)鍵零部件，關(guān)乎安全性，為此，本團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)增加了超聲檢測(cè)要求，規(guī)定圓鋼應(yīng)逐根進(jìn)行超聲檢測(cè)，同時(shí)給出了檢測(cè)方法及合格級(jí)別。

四、結(jié)論

《汽車(chē)曲軸和連桿用非調(diào)質(zhì)圓鋼》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定，切實(shí)從高性能汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和連桿制造用材需求出發(fā)，突出市場(chǎng)性、先進(jìn)性和實(shí)用性，在參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15712-2016的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)曲軸和連桿制造常用的非調(diào)質(zhì)鋼牌號(hào)及不同成分范圍進(jìn)行了歸納、補(bǔ)充，進(jìn)一步提高、細(xì)化了力學(xué)性能、非金屬夾雜、晶粒度、脫碳層等相關(guān)技術(shù)要求，增加了帶狀組織、無(wú)損檢測(cè)等具體要求，填補(bǔ)了細(xì)分市場(chǎng)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的空白，滿足了曲軸、連桿制造的定制化要求?！镀?chē)曲軸和連桿用非調(diào)質(zhì)圓鋼》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)非調(diào)質(zhì)鋼的生產(chǎn)與使用將起到積極作用。