汽車(chē)底盤(pán)零部件用非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王楊 周蕾

（南京鋼鐵股份有限公司特鋼事業(yè)部，南京 210035）

1 前言

在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域中，非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用可顯著降低汽車(chē)零件制造過(guò)程中的能源消耗[1]，其不僅可以省略調(diào)質(zhì)工藝過(guò)程、節(jié)省30%～40%零件制造能耗，還可以降低約20%成本。此外，采用非調(diào)質(zhì)鋼可減少零件調(diào)質(zhì)過(guò)程中因淬火引起的變形、開(kāi)裂，進(jìn)而節(jié)省矯直工序。因此，非調(diào)質(zhì)鋼近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)零部件制造。

隨著生產(chǎn)裝備的升級(jí)和工藝技術(shù)的革新，非調(diào)質(zhì)鋼在經(jīng)歷多年的發(fā)展后，國(guó)內(nèi)鋼廠采用連鑄材成功替代了模鑄材，并批量應(yīng)用于曲軸、連桿、凸輪軸等發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件。同時(shí)，在汽車(chē)底盤(pán)零部件生產(chǎn)中也有應(yīng)用。然而，目前汽車(chē)用非調(diào)質(zhì)鋼在零部件成型過(guò)程中仍以熱鍛和溫鍛為主，冷鍛較少。

為進(jìn)一步拓展非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼在汽車(chē)底盤(pán)零部件制造領(lǐng)域的應(yīng)用，本文旨在開(kāi)發(fā)一種可同時(shí)滿(mǎn)足多種零部件性能要求的材料，提高材料普適性同時(shí)降低生產(chǎn)制造成本。

2 材料設(shè)計(jì)

2.1 成分設(shè)計(jì)

與調(diào)質(zhì)鋼相比，非調(diào)質(zhì)鋼雖然有很多優(yōu)勢(shì)，但成本較高，主要表現(xiàn)在3 個(gè)方面：鋼中合金含量增加，合金成本增加；冷變形過(guò)程中模具壽命有所降低，加工成本增加；關(guān)鍵部位零件需進(jìn)行時(shí)效處理，后道處理成本增加。因此，合理的成分設(shè)計(jì)是非調(diào)質(zhì)鋼開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵。

非調(diào)質(zhì)鋼成分設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)添加微量合金元素，主要為V、Nb、Ti 和B 等。其中，最常見(jiàn)的是V 元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.06%~0.13%。加入Ti 元素能夠使珠光體片層間距得到細(xì)化，對(duì)提高材料韌性和強(qiáng)度有利。研究表明[4]，含有Nb 元素的微合金非調(diào)質(zhì)鋼須配合適當(dāng)?shù)募訜釡囟?，才能在相變過(guò)程中形成具備釘扎晶界作用的NbC 粒子，起到阻止晶粒長(zhǎng)大的作用。另外，普遍通過(guò)在非調(diào)質(zhì)鋼中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%~1.5%的Mn 元素增大珠光體比例，同時(shí)減小珠光體片層間距，進(jìn)而提高材料強(qiáng)度；添加Mn 元素還可以降低碳氮化合物的固溶溫度，促進(jìn)微合金碳氮化合物溶解。但非調(diào)質(zhì)鋼中Mn 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1.50%，將極易產(chǎn)生貝氏體組織。

此外，非調(diào)質(zhì)鋼主要依靠冷作硬化工藝提高強(qiáng)度，原材料成分設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮性能與成本之間的平衡，在滿(mǎn)足技術(shù)要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)，本文采用鐵素體+珠光體的設(shè)計(jì)思路，基于南鋼非調(diào)質(zhì)鋼開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，采用Thermo-Calc 軟件進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，所開(kāi)發(fā)的汽車(chē)底盤(pán)零部件采用非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼，具體成分如表1 所示。

表1 汽車(chē)底盤(pán)零部件用非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

據(jù)表1 成分的目標(biāo)范圍值，采用Thermo-calc軟件計(jì)算平衡相變點(diǎn)溫度，如圖1 所示，可知該成分下非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼的熔點(diǎn)為1 499 ℃，奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度A3=802 ℃，珠光體-奧氏體轉(zhuǎn)變溫度A1=718 ℃。

圖1 汽車(chē)底盤(pán)零部件用非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼平衡態(tài)相圖

2.2 煉鋼工藝設(shè)計(jì)

為提高鋼水純凈度、改善鑄坯偏析，滿(mǎn)足成品盤(pán)條非金屬夾雜物要求，本文針對(duì)電爐出鋼、爐外精煉、真空脫氣以及連鑄工序關(guān)鍵環(huán)節(jié)重點(diǎn)管控，具體要求如下：電爐出鋼控制P、C 以及鋼水溫度，確保出鋼氧位處于較低水平；爐外精煉（Ladle Fur?nace，LF）采用專(zhuān)用渣系，嚴(yán)格控制精煉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制：C±0.01%、Si±0.03%、Mn±0.02%；真空處理嚴(yán)格控制真空度、高真空保持時(shí)間，確保鋼水中氫含量≤2.0×10-6，同時(shí)控制靜攪時(shí)間及氬氣流量，確保夾雜物充分上浮；連鑄過(guò)程采用氬封全保護(hù)，防止鋼水二次氧化。借助結(jié)晶器電磁攪拌及末端輕壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與拉速、二冷強(qiáng)度、過(guò)熱度間的最佳匹配，確保鑄坯質(zhì)量、連鑄坯碳偏析指數(shù)為0.96~1.04。采用恒拉速澆鑄基于塞棒控制系統(tǒng)確保澆鑄過(guò)程結(jié)晶器液面平穩(wěn)。

為掌控鋼水澆鑄過(guò)程中過(guò)熱度變化情況、確保過(guò)熱度變化處于受控狀態(tài)，除了在現(xiàn)場(chǎng)采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式外，本文還采用了文獻(xiàn)[5]中的液相線預(yù)測(cè)模型在線輔助，實(shí)現(xiàn)“雙保險(xiǎn)”實(shí)時(shí)監(jiān)控。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量的高低是由小型農(nóng)田水利建設(shè)完善程度來(lái)決定的。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)小型農(nóng)業(yè)水利設(shè)備的使用加以重視，并對(duì)其不定期地進(jìn)行檢查和維修，以確保農(nóng)田水利設(shè)備能發(fā)揮出更大的作用。此外，在充分運(yùn)用現(xiàn)有小型農(nóng)田水利設(shè)施的過(guò)程中，應(yīng)積極預(yù)防一些可能對(duì)小型農(nóng)田設(shè)施造成損壞的不確定因素。

2.3 軋鋼工藝設(shè)計(jì)

為獲得目標(biāo)組織、滿(mǎn)足預(yù)期性能，本文基于測(cè)定的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（Continuous Cooling Transforma?tion，CCT）曲線（圖2）制定了汽車(chē)底盤(pán)零部件用非調(diào)質(zhì)鋼控溫-控軋-控冷工藝，具體生產(chǎn)工藝流程：鑄坯→坯料修磨→坯料探傷→加熱→除鱗→連軋→減定徑→吐絲→斯太爾摩風(fēng)冷線→卷取→成品酸洗→表面、尺寸檢測(cè)→性能檢測(cè)→包裝入庫(kù)。

圖2 汽車(chē)底盤(pán)零部件用非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼CCT曲線

為充分發(fā)揮Ti、V、N 的復(fù)合作用，采用高溫加熱，確保Ti、V、N 全部固溶于奧氏體基體；為徹底去除鋼坯表面氧化鐵皮，設(shè)置除鱗水壓力≥18 MPa；為獲得鐵素體+珠光體組織，結(jié)合CCT 曲線，控制冷卻速度低于1 ℃/s。同時(shí)，為獲得超細(xì)晶粒，對(duì)連軋及吐絲后斯太爾摩風(fēng)冷線關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行管控，具體控軋控冷工藝參數(shù)如下：

a.精軋溫度≤980 ℃；

b.終軋溫度≤860 ℃；

c.吐絲溫度≤850 ℃。

為保證成品盤(pán)條表面質(zhì)量，滿(mǎn)足成品盤(pán)條1/3冷頂鍛不開(kāi)裂要求，軋制時(shí)需從以下4 個(gè)方面進(jìn)行管控：

a.卷取過(guò)程中采用特制鼻錐進(jìn)行防護(hù)，防止形成擦劃傷；

b.端部防護(hù)，防止鋼帶/鋼線勒傷；

c.嚴(yán)格控制打捆壓力，防止形成擠壓傷；

d.成品運(yùn)輸采用精品物流，防止運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生磕碰、擦劃傷等影響產(chǎn)品使用的表面缺陷。

3 材料開(kāi)發(fā)

按照本文設(shè)計(jì)的成分及工藝試制，成品盤(pán)條主要規(guī)格為Φ14~Φ22 mm，經(jīng)金相制樣后采用蔡司顯微鏡進(jìn)行組織觀察，組織為鐵素體+珠光體，如圖3 所示。

圖3 汽車(chē)底盤(pán)零部件用非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼熱軋態(tài)組織（500×）

實(shí)際晶粒度為9~10 級(jí)，全脫碳為零，總脫碳層深≤0.5%D（D為盤(pán)條直徑），具體數(shù)值如表2 所示。

表2 不同規(guī)格非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼組織類(lèi)型、實(shí)際晶粒度、脫碳層深

按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中A 法對(duì)非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼中非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果如表3 所示。A 細(xì)≤1.0 級(jí)，A 粗0 級(jí)，B 細(xì)≤0.5 級(jí)，B 粗0 級(jí)，C 類(lèi)0 級(jí)，D 細(xì)≤1.0 級(jí)，D 粗0 級(jí)，Ds 類(lèi)0 級(jí)。

表3 不同規(guī)格非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行熱軋盤(pán)條力學(xué)拉伸試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示，抗拉強(qiáng)度為740~750 MPa，散差為10 MPa，延伸率為22%~24%，面縮率為52%~62%。按照YB/T 5293—2022《金屬材料頂鍛試驗(yàn)方法》進(jìn)行熱軋盤(pán)條1/3 冷頂鍛試驗(yàn)，頂鍛后試樣表面均無(wú)裂紋。

表4 不同規(guī)格熱軋盤(pán)條力學(xué)性能、冷頂鍛性能

4 材料應(yīng)用

4.1 轉(zhuǎn)向球銷(xiāo)

試制盤(pán)條經(jīng)下游用戶(hù)直抽成精線后進(jìn)行冷鐓成型，具體生產(chǎn)工藝流程為：盤(pán)條→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→冷鐓→滾絲（搓絲）→車(chē)削加工→渦流探傷→表面處理→包裝。傳統(tǒng)工藝流程為：盤(pán)條→球化退火→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→球化退火→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→冷鐓→滾絲（搓絲）→調(diào)質(zhì)→車(chē)削加工→渦流探傷→表面處理→包裝。

針對(duì)轉(zhuǎn)向球銷(xiāo)零件，為滿(mǎn)足成品性能要求的同時(shí)冷鐓過(guò)程不開(kāi)裂，本文聯(lián)同下游用戶(hù)從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈全局考慮，基于本文成分和工藝設(shè)計(jì)，考慮下游用戶(hù)不同零件型號(hào)對(duì)應(yīng)原材料線徑的要求，將精線改制過(guò)程中拉拔減面率控制在8%~15%，最終實(shí)現(xiàn)非調(diào)質(zhì)工藝替代傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)工藝，得到國(guó)外知名主機(jī)廠一級(jí)供應(yīng)商的認(rèn)可，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向球銷(xiāo)用非調(diào)鋼全面量產(chǎn)。

4.2 10.9級(jí)螺栓

試制盤(pán)條經(jīng)下游用戶(hù)直抽成精線后進(jìn)行冷鐓成型，具體生產(chǎn)工藝流程為：盤(pán)條→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→冷鐓→滾絲（搓絲）→穩(wěn)定化處理→渦流探傷→表面處理→包裝。傳統(tǒng)工藝流程為：盤(pán)條→球化退火→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→球化退火→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→冷鐓→滾絲（搓絲）→調(diào)質(zhì)處理→渦流探傷→表面處理→包裝。

針對(duì)10.9 級(jí)螺栓零件，由于前期采用非調(diào)質(zhì)鋼面臨各種各樣的難題，目前仍以調(diào)質(zhì)處理為主。為了確保采用非調(diào)鋼制成的零件在整個(gè)精線改制過(guò)程中不顯著降低模具壽命的同時(shí)在冷鐓過(guò)程中不開(kāi)裂，本文聯(lián)同下游用戶(hù)從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈全局考慮，基于本文成分和工藝設(shè)計(jì)，考慮下游用戶(hù)不同零件型號(hào)對(duì)應(yīng)原材料線徑要求不同的因素，將精線改制過(guò)程中拉拔減面率控制在25%~35%；同時(shí)為了進(jìn)一步保證成品性能滿(mǎn)足10.9 級(jí)螺栓要求，零件制成毛坯件后進(jìn)行穩(wěn)定化處理，最終成功開(kāi)發(fā)出免球化退火免調(diào)質(zhì)的新工藝，確保成品螺栓各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到GB/T 3098.15—2023《緊固件機(jī)械性能不銹鋼螺母》中10.9 級(jí)螺栓要求。

4.3 剎車(chē)系統(tǒng)導(dǎo)桿

試制盤(pán)條經(jīng)下游用戶(hù)直抽成精線后進(jìn)行冷鐓成型，具體生產(chǎn)工藝流程為：盤(pán)條→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔（減面率10~20%）→冷鐓→滾絲（搓絲）→渦流探傷→表面處理→包裝。傳統(tǒng)工藝流程為：盤(pán)條→調(diào)質(zhì)→酸洗（拋丸）→磷皂化→拉拔→冷鐓→滾絲（搓絲）→渦流探傷→表面處理→包裝。

針對(duì)剎車(chē)系統(tǒng)導(dǎo)桿零件，目前以進(jìn)口材料為主，為了達(dá)到成品性能要求，進(jìn)口材料需要先對(duì)熱軋盤(pán)條進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后再進(jìn)行冷鐓成型。為了進(jìn)一步發(fā)揮非調(diào)鋼的優(yōu)勢(shì)，本文聯(lián)同下游用戶(hù)從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈全局考慮，基于本文成分和工藝設(shè)計(jì)，最終在精線改制環(huán)節(jié)成功采用非調(diào)質(zhì)工藝替代進(jìn)口材料的調(diào)質(zhì)工藝。同時(shí)為確保成品零件各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足用戶(hù)要求，將精線改制過(guò)程中拉拔減面率控制在10%~20%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用供應(yīng)商早期介入開(kāi)發(fā)模式，借助Thermo-Calc 軟件進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合CCT 曲線制定了控溫-控軋-控冷工藝，聯(lián)同下游用戶(hù)開(kāi)展全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。基于本文設(shè)計(jì)的成分及工藝，成功開(kāi)發(fā)出一種能同時(shí)滿(mǎn)足多種汽車(chē)底盤(pán)零部件性能需求的非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼，進(jìn)一步拓展了汽車(chē)底盤(pán)冷鍛用非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用領(lǐng)域，降低了零部件制造成本。