汽車用非調質鋼的研究進展

陳蘊博 ，馬鳴圖 ，王國棟

（1.機械科學研究總院先進制造技術研究中心，北京 100044；2.先進成形技術與裝備國家重點實驗室，北京 100083；3.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039；4.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819）

汽車用非調質鋼的研究進展

陳蘊博1，2，馬鳴圖3，王國棟4

（1.機械科學研究總院先進制造技術研究中心，北京 100044；2.先進成形技術與裝備國家重點實驗室，北京 100083；3.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039；4.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819）

綜述了國內外非調質鋼的應用現狀及發展趨勢。探討了非調質鋼的強韌化機理及手段，并從非調質鋼強化方程、微合金元素固溶度積方程、晶內鐵素體強化、控軋-控冷技術等方面闡述了非調質鋼強韌化的研究動向。列舉了各類非調質鋼的典型應用，分析了非調質鋼在我國生產及應用中的問題，并給出擴大非調質鋼生產應用的建議。

非調質鋼；開發與應用；微合金化；強化原理

1 前言

近年來，隨著汽車產量和汽車保有量的增加，如2012年汽車產量達到1 900萬輛，保有量接近1.2億輛，節能減排的壓力也迅速增大。汽車的能耗主要分為三個部分：一是汽車原材料生產能耗；二是汽車零件制造中的能耗；三是汽車使用中的能耗。統計結果表明[1]，在汽車生命周期內，汽車行駛的能耗約占78.3%，材料生產的能耗約占15%，汽車制造的能耗約占6.7%，非調質鋼的應用可以有效地節能減排，并降低成本。應用非調質鋼可節省零件制造能耗的30%～40%，還可以降低成本的20%（如漲斷連桿）[2，3]，同時還可以減少調質過程中淬火引起的變形開裂。2010年，我國汽車用特鋼1.5×107t，非調質鋼產量為1×106t，僅占7%，而日本汽車用特鋼7×106t，非調質鋼產量為2.3×106t，占33%。為使汽車實現輕量化，非調質鋼向高強度、高性能方向發展。

應用非調質鋼可實現輕量化，以汽車的轉向節為例[4]，原用球鐵的重量為5.05 kg，如使用非調質鋼38MnNS6可以減重29%，降至3.61 kg；而前懸臂采用高強度38MnVS6非調質鋼，可使重量由原來的9.25 kg減至8 kg，減重約14%；采用C70S6的漲斷連桿不僅加工成本減少40%，而且可以減重10%，由于這類連桿結構減小了裝配過程中所產生的失圓而引起的發動機扭振，從而降低了發動機的噪聲。

我國非調質鋼應用數量和品種與國外均有較大差距，并且相關標準也嚴重缺失，影響了非調質鋼的推廣和應用。在開發高強韌非調質鋼的同時，做好非調質鋼應用的基礎工作，是擴大非調質鋼應用的一個重要方面。

2 國內外現狀與發展趨勢分析

在汽車結構件中，其基本要求是強度與韌性的匹配，而達到這一綜合性能的熱處理工藝通常是調質處理，即將鋼加熱到奧氏體化溫度，然后根據零件大小和鋼的淬透性，采用合適的淬火介質以取得合適的淬透層深度，根據零件的工作應力，確定回火溫度和回火時間，這一工藝過程不僅要耗費大量能源，還會帶來零件加熱過程中的氧化，熱處理淬火的應力（熱應力與組織應力），甚至是變形和開裂；對有些零件，熱處理變形還會影響零件的加工精度，如發動機曲軸，熱處理淬火時會造成扭曲和彎曲變形，在隨后的矯直工藝過程中很難達到零件矯直的要求，所以加工后的曲軸精度不足，造成發動機有振動和噪聲；如調質時零件的淬透性不足，淬硬層不夠，導致強度不足和疲勞壽命不足而產生零件的早期失效。

20世紀70年代的石油危機，對零件熱處理耗能較大的汽車工業用材和工藝產生了巨大的影響。人們關注能否將調質工序去掉，工業生產的需要是技術進步的動力，物理和力學冶金原理的進展為新材料和新技術的產生提供了基礎。這個時期的微合金理論、控軋再結晶、鍛熱淬火工藝和強韌化機理認識為非調質鋼的發展提供了理論基礎，冶金技術的進步為非調質鋼的出現提供了工業生產的可能。正是在這種背景下，20世紀80年代初，德國蒂森公司率先開發了一類新型鋼種，即非調質鋼，并以49MnVS3為代表的非調質鋼號生產并提供給汽車工業。至今該鋼號已經取代了50Mn、40Cr等一系列調質鋼，用于制造汽車的鍛造曲軸。非調質鋼的應用提高了鍛件的成品率，改善了曲軸的切削性能和疲勞性能，減少了生產工序和生產周期，降低了生產成本。同時工件的截面硬度分布均勻，工件變形小，疲勞強度與同強度級別的調質鋼相當[5]，但對鍛造工藝和鍛后空冷條件要求嚴格，這就是早期開發的、現在仍廣泛應用的鐵素體-珠光體的非調質鋼。

近年來，非調質鋼的發展圍繞著以下幾個方面。其一是進一步深入探討非調質鋼的強化原理，深化認識非調質鋼的強化機理，并由此開發了晶內非調質鋼[6]，以改善非調質鋼的強韌性匹配，同時用微合金化理論和固溶度方程進一步優化非調質鋼的成分，并總結相應的非調質鋼強度計算公式[2]；其二是各國都根據汽車工業與機械工業的需求，形成了自身的非調質鋼牌號和系列，并在汽車工業中廣泛應用，取得了節能減排的良好效果。我國在20世紀80年代初（當時的機械部和冶金部分別將非調質鋼列入科技攻關項目）逐步形成了我國的非調質鋼牌號，如35MnVS、40MnVS、35MnVN等鋼種，分別用于汽車的曲軸、連桿、轉向節和前軸等零件。在1995年公布的國家標準（GB/T 15712—1995）中的兩類九個鋼號，非調質鋼的抗拉強度都低于900 MPa。20世紀90年代初，由于引進技術的需要，國內開發了強度更高的非調質鋼，如49MnVS（類似于德國的49MnVS3），用于生產各類汽車的曲軸和乘用車輪轂軸，C70S6用于制造各類發動機的漲斷連桿，并開發了16Mn2VB用于生產汽車的前軸等[7～11]。由于種種原因，20世紀90年代我國非調質鋼的應用沒有得到進一步的拓展，而這一時期日本、歐洲和美國等國家和地區開發出強度級別更高，韌性更高的非調質鋼，在發動機連桿、前軸、轉向節等重要零件和保安件上得到應用，不同強度級別非調質鋼的沖擊值與抗拉強度的關系如圖1所示，國外強度級別大于900 MPa的非調質鋼及其應用見表1。歐洲形成了不同強度級別的非調質鋼標準，EN 10267：1998-鋼的化學成分見表2，相應的機械性能見表3。

圖1 不同強度級別非調質鋼的沖擊值與抗拉強度的關系Fig.1 Relationship between impact value and tensile strength of non-quenched and tempered steels with different strength levels

表1 國外強度級別900 MPa以上的非調質鋼及其應用Table 1 Non-quenched and tempered steels abroad with strength beyond 900 MPa and their applications

表2 EN 10267：1998-鋼的化學成分Table 2 EN 10267：1998-chemical composition of steels

表3 EN 10267：1998-鋼的機械性能Table 3 EN10267：1998-mechanical property of steels

在這段時間，圍繞著前軸、漲斷連桿和高壓共軌構件，進一步開發了新的高強度非調質鋼和貝氏體非調質鋼，并出現了一些專利，如韓國現代汽車公司開發的用于代替42CrMo4調質鋼的高釩微合金非調質鋼（T3、T4），和42CrMo淬火回火相比，在具有相同的性能條件下，價格更加便宜，其成分見表4。在高強度曲軸用鋼中，從鐵素體-珠光體非調質鋼到新的高強度貝氏體非調質鋼的轉變。由阿賽洛米塔爾鋼鐵集團開發的高強度貝氏體型非調質鋼與鐵素體-珠光體非調質鋼的對比見表5，在加工成曲軸后進行彎曲疲勞試驗，經2×106次循環加載后的極限彎矩與屈服強度之間的關系如圖2所示。可以看出，國外提高非調質鋼強韌性的方法多數是采用增加合金元素的含量，雖然取得了一定的效果，但增加了鋼材的成本，同時過度的沉淀強化又會影響鋼的韌性，難以取得高性價比的非調質鋼的效果。

表4 韓國現代汽車公司開發的高釩微合金非調質鋼（T3、T4）化學成分和性能Table 4 Chemical composition and mechanical property of high vanadium content microalloying non-quenched and tempered steels developed by Hyundai Corporation of South Korea

表5 阿賽洛米塔爾鋼鐵集團開發的高強度貝氏體型非調質鋼與鐵素體-珠光體（F-P）非調質鋼的對比Table 5 Comparisons between high strength bainite non-quenched and tempered steels and F-P non-quenched and tempered steels developed by Arcelor-Mittal

圖2 曲軸經2×106次循環加載后的極限彎矩與屈服強度之間的關系Fig.2 Relationship between yield stress and limit bending moment of crankshaft after 2×106cyclic loading

在高硫易切削的高強度曲軸用非調質鋼中，硫化物的形態對其疲勞極限有明顯的影響，文獻[12]曾做了相關工作，其硫化物形態的試驗結果見圖3，疲勞試驗的結果見表6，可以看出硫化物形態呈條狀對疲勞壽命有明顯的影響，所發表論文中還提出了描述這一影響的理論模型。硫化物形態除了影響疲勞壽命外，還影響材料的沖擊性能，上述三個鋼種的沖擊性能參量列于表7。沖擊韌性的結果和斷口形貌有很好的對應性見圖4。

圖3 49MnVS3的三種不同硫化物形態和組織Fig.3 Three different sulfide forms and microstructures of 49MnVS3

表6 三個鋼廠的49MnVS3不同存活率的疲勞極限Table 6 Fatigue limit with different livabilities of 49MnVS3 produced by three steel mills

表7 49MnVS3的沖擊試驗結果Table 7 Impact test results of 49MnVS3

圖4 三種鋼U型沖擊斷口起裂區、擴展區、斷裂區的掃描電子顯微鏡（SEM）照片Fig.4 SEM photographs of crack initiation region，crack propagation region and fracture region of U-shaped impact fracture of three kinds of steels

早期的高強度漲斷連桿用鋼為C70S6，近期的專利和研發工作主要圍繞著改善漲斷連桿用鋼的疲勞強度、切削加工性能和漲斷性能等方面，新研發的漲斷連桿鋼種成分見表8。阿賽洛米塔爾開發了高強度高壓共軌用鋼，其組織和性能見表9，日本新日鐵、豐田公司、住友商社、本田公司、大同特鋼和韓國現代汽車公司開發了高強度漲斷連桿用鋼。在107次循環次數下，25MnCrSiVB6的疲勞極限比38MnSiV5提高了10%，同時為提高用該鋼所制零件的疲勞性能，在關鍵部位引入局部壓應力，效果良好。

用于連桿的非調質鋼還有40MnVN或35Mn-VN鋼，對于這類中碳非調質鋼，既要提高強度又要盡可能小地損失韌性，一般采用降低AC1的方法，以細化珠光體片層間隙，并增加珠光體含量而實現。漲斷連桿工藝的采用，有效地改進了連桿裝配時的失圓問題，節省工時，降低成本。德國大眾公司的漲斷連桿工藝所采用的鋼種為Thyssen公司的C70S6鋼，其成分特點為低硅和低錳，用釩微合金化，同時加入硫，以改善加工性和細化組織。該鋼的主要性能為 Rm=924 MPa、Rp0.2=580 MPa、A50=10%、Z=20%、AKV=29 J/cm2，硬度264 HB。用該鋼制作的連桿，經噴丸處理后，在循環次數為5×106次的情況下，連桿的疲勞極限為（R=-1）46.5 kN。正如前述，日本漲斷連桿用鋼為低碳的晶內非調質鋼。

表8 新研發的漲斷連桿鋼種成分Table 8 Chemical composition of newly developed cracking connection rod steels

表9 阿賽洛米塔爾鋼鐵集團開發的高強度高壓共軌用鋼的組織和性能Table 9 The microstructure and mechanical property of high strength and high pressure common rail steel developed by Arcelor-Mittal

韓國現代汽車公司的研發中心也對漲斷連桿用鋼進行了研究，用于乘用車的柴油機連桿，不僅性能改善，而且價格便宜。由于采用整體鍛造，然后漲斷的工藝，致使機加工費用較低。裝配時漲斷的頭部和桿緊密接觸，提高了連桿剛度，改進了曲軸系統的零件的相容性，對于改善發動機功能具有明顯的優勢。與普通連桿相比，這種連桿的造價可降低25%，而發動機性能明顯改進，鍛造毛坯的重量偏差小于±1%。

連桿目前的發展趨勢為：歐洲部分用漲斷連桿，鋼材為非調質鋼；美國廣泛應用粉末冶金（PM）和碳素鋼；日本大多用微合金。粉末冶金連桿的優點是重量準確，而漲斷連桿的優點是價格便宜。韓國所進行的漲斷連桿的試驗用材分別為S1（漲斷連桿用高碳微合金鋼）、S2（普通微合金鋼）、S3（碳鋼），其化學成分見文獻[2]。

高碳漲斷連桿用鋼是為了保證得到沒有延性出現的、清晰的斷裂表面。表10為各類漲斷連桿材料的機械性能對比表，S1鋼的硬度分散范圍為HV232-285。圖5給出了不同連桿材料的疲勞試驗結果，其中圖5a為旋轉彎曲疲勞曲線，圖5b為拉-壓疲勞試驗結果，圖5c為連桿總成的動荷試驗疲勞曲線。從圖5a可以看出，漲斷連桿用鋼的旋轉彎曲疲勞極限為392 MPa，普通微合金非調質鋼為363～392 MPa，一般碳鋼為333 MPa，即漲斷連桿用鋼有略高的疲勞極限。從圖5b可以看出，其拉壓疲勞極限為343 MPa（比旋轉彎曲疲勞極限低了15%，與理論預測相一致），而粉末冶金的拉壓疲勞極限為290 MPa，比漲斷連桿用鋼低了18%。為證明其漲斷連桿的實際適用性，進行了連桿總成和發動機的動荷試驗，該發動機連桿設計的理論疲勞極限為：-33.5（平均載荷）±41.4 kN（動荷），并考慮了一定的安全因子。從圖5c可以看出：其疲勞極限為-33.5±54.5 kN，考慮到外加安全因子，可以得出材料輸入數據和疲勞結果的一致性，而連桿的設計和計算機輔助分析（CAE）是基于試驗獲得的力學性能數據，幾種模式的發動機動荷試驗表明了漲斷連桿的可靠性和應用的可行性。

表10 各類漲斷連桿材料的機械性能對比表Table 10 Mechanical properties comparison of various cracking connection rod materials

圖5 連桿總成的疲勞曲線Fig.5 Fatigue curves of connection rod assembly

在漲斷連桿鍛造之后，為得到所希望的組織和硬度，需系統控制冷卻。由于連桿質量的變化，僅通過較低的容量，傳送帶速度和風咀幾何要準確控制冷卻速度是困難的，但對不同大小的連桿，可以設定一個氣壓表的范圍。通過參考這些數據，就可以設定自己的冷卻條件，以獲得所希望的組織和硬度。慢冷會得到晶界鐵素體且晶粒粗大，快冷會得到細小晶粒的珠光體組織。加工好的連桿經激光和機加工制作缺口，在一定的工裝和夾具下用液壓機將其漲斷。

為了進一步改善鐵素體-珠光體這類非調質鋼的韌性，同時保持較高強度，而開發了30Mn2SiV和用鈦-釩復合合金化的非調質鋼。由于錳和硅含量較高，鍛后空冷即可得到F+P組織，當冷速較高時，還會得到F+P+少量貝氏體的復合組織，這類鋼在Rm≥850 MPa時，其沖擊值大于59 J。可以有效地擴大非調質鋼的應用范圍。德國也開發了含硅和低碳加硅的非調質鋼，如44MnSiVS6、38MnSiVS5、27MnSiVS6等。

非調質鋼發展的趨勢是降低釩的含量，以降低其生產成本。而優化氮的作用是一個重要途徑，氮在非調質鋼中以釩的氮化物沉淀析出，改善釩的沉淀強化效果，節約釩元素，細化鐵素體晶粒，提高氮化鈦的穩定性，阻止奧氏體晶粒粗化。試驗表明，每添加10 ppm的氮可以提高非調質鋼6～10 MPa的屈服強度。因此，近年來美國福特汽車公司以及國內的陳蘊博等探討了氮對非調質鋼的作用，同時開發了38MnNS5非調質鋼。氮的加入還可以優化釩在鋼中的分布和作用，例如，不含氮的鋼中釩的固溶量為56%，析出量為35%，釩氮復合加入可以使釩的固溶量減為22%，析出量達到70%。氮化釩的存在還可以促進晶內鐵素體的形核，從而利于形成晶內非調質鋼。

中國汽車工程研究院股份有限公司、江西五十鈴汽車有限公司和北京機械工業研究院結合引進技術，進行了含氮非調質鋼應用研究，并取得了重要進展。開發的曲軸用38 MnNS5的非調質鋼，其屈服強度為510 MPa，抗拉強度為850 MPa，延伸率為22%，斷面收縮率為49.5%。從曲軸上取樣進行的應變-疲勞曲線見圖6。其力學性能和應變疲勞性能可和49MnVS3相比，且其延性更為優異，在應變疲勞的低周區，壽命更高。

圖6 38MnNS5鋼的應變-疲勞曲線Fig.6 Strain-life curve of 38MnNS5 steel

非調質鋼在微合金化方面取得的進展是鈮釩復合微合金化，馬鳴圖等曾申報鈮釩復合微合金化非調質鋼發明專利《一種復合微合金化的大截面非調質鋼》——ZL 2011 1 0128692.4[13]，該非調質鋼主要用于工程機械的大截面半軸，軋材尺寸為Ф60 mm，從軋材半徑1/2處取樣，其屈服強度為550 MPa，抗拉強度為850 MPa，斷后延伸率≥14%，斷面收縮率≥40%，沖擊吸收功≥38 J，加工成半軸后感應淬火層的深度為11 mm，在工程機械領域應用效果良好。文獻[14]曾詳細研究了Nb-V復合微合金化對非調質鋼軋材組織和性能的影響，研究用鋼成分為C0.42、Si0.30、Mn1.20、P0.014、S0.008、Cr0.49、Al0.024、V+B+Ti≤0.22，該鋼代號為鋼1。另一對比鋼號的基本成分相同，但加入Nb0.02，該鋼代號為鋼2，其機械性能對比見表11。兩種鋼的沖擊曲線對比如圖7所示。

表11 V和Nb-V復合非調質鋼的機械性能對比Table 11 Mechanical properties comparison of V and Nb-V non-quenched and tempered steels

圖7表明，Nb-V復合可明顯改善非調質鋼的沖擊性能，提高其沖擊功。這與N-V復合可以使晶粒細化和珠光體片層細化的結果相一致，如圖8所示。

圖7 沖擊曲線Fig.7 Impact curves

圖8 珠光體形貌對比Fig.8 Morphology comparison of pearlite

兩鋼種的沖擊斷口的形貌明顯不同，鋼1起裂區的韌性斷裂寬度為375 μm，最后斷裂區韌性斷裂區的寬度為230 μm，均遠高于鋼2所對應的區域（鋼2所對應區域分別為15 μm和100 μm）。鋼1及鋼2的沖擊斷口三裂區、擴展區、斷裂區的形貌對比見圖9。圖9a為鋼1沖擊斷口的起裂區和裂紋快速擴展區的交界處；圖9b為鋼1沖擊斷口的快速擴展區；圖9c為鋼1沖擊斷口的快速擴展區和最后斷裂區及交界面；圖9d為鋼2沖擊斷口的起裂區和裂紋快速擴展區的交界處；圖9e為鋼2沖擊斷口的快速擴展區；圖9f為鋼2沖擊斷口的快速擴展區和最后斷裂區及交界面。

圖9 沖擊斷口組織特征Fig.9 Characteristics of impact fracture morphology

3 非調質鋼的強化機理

3.1 非調質鋼的強化方程

一系列研究探討的非調質鋼的強化機理，并提出了一些相關的強度和韌性的計算方程和理論模型[2，8，11，15，16]。根據非調質鋼的基體不同其強化方程也有區別，但作為材料的強化原理，通常包括以下幾個方面：位錯運動的點陣阻力、固溶強化、位錯強化、晶粒細化強化、第二相粒子的沉淀強化，以及珠光體片層細化強化，對于珠光體+鐵素體型非調質鋼強化方程如下：

對于貝氏體非調質鋼，即對于較小的截面，空冷也不會出現馬氏體組織，這類鋼比鐵素體-珠光體非調質鋼具有更高的抗拉強度和韌性。貝茵鐵素體的條束尺寸，碳化物粒子的大小、分布、數量和間距尺寸，貝氏體條內的位錯密度，以及固溶強化等都是貝氏體非調質鋼的強化因素，低碳貝氏體板條密度，碳化物質點與屈服強度之間的關系可用下列方程表示：

考慮到化學成分的影響，可以表示為

對于馬氏體非調質鋼，具有較高的強度，良好的強韌性匹配，良好的淬透性和高的疲勞極限。這類非調質鋼應具有條狀（或位錯型）馬氏體的基本特征，其屈服強度可用下列方程表示

或表示為

其韌脆轉變溫度可以表示為

式（6）～（8）中，σ0為 P-N 力，對鋼鐵材料約為88 MPa；K為強化系數；d為馬氏體條束的尺寸；λ為第二相粒子的間距。

3.2 微合金元素常用的固溶度積方程

非調質鋼種的一個重要因素是微合金元素Nb、V、Ti等元素的作用，它們的存在形式、固溶度可用固溶度積方程進行計算和預測。常用的固溶度積方程如下[17]。

1）釩（V）是微合金鋼的主要添加元素，單獨加入時形成VC，屬中間相，其濃度可在VC～V4C3變化，其固溶度積關系式為

當Mn存在時，V的固溶溫度還可能降低，Mn存在時V的固溶度積方程為

2）鈮（Nb）在鋼中可能形成NbC～NbC0.87間隙中間相，當Nb-V-N復合添加時，可以形成復雜的碳化物。其固溶度積方程為

3）鈦（Ti）在鋼中常以TiC或Ti（C、N）的形式存在，其固溶度積方程為

3.3 晶內鐵素體非調質鋼強化

鐵素體-珠光體型非調質鋼鍛件在冷卻過程產生相變時，先共析鐵素體易沿原奧氏體晶界呈網狀析出，得到粗大的鐵素體-珠光體組織，損害韌性。但通過控制冶金工藝，在奧氏體晶內提供大量微細夾雜物作為鐵素體形核位置，使其不僅在晶界，而且在晶內析出，分割奧氏體晶粒，形成細小均勻的鐵素體，能顯著改善鋼的強韌性。氧化物冶金技術可以有效促進晶內非調質鋼的生成，從而有效地提高鐵素體-珠光體型非調質鋼的強韌性。晶內鐵素體的非調質鋼的組織形成、動力學和結晶學在文獻[18]進行了詳細的研究。有關結果在文獻[2]中已經進行了詳細展示和論述，其典型結果見圖10和圖11所示[18]。

圖10 形成在復雜碳化物沉淀上的晶內鐵素體的結晶學Fig.10 Crystallography of in tragranular ferrite forming on the complex carbide precipitation

3.4 控軋（鍛）-控冷技術

控軋（鍛）-控冷是提高非調質鋼強韌性的主要途徑[19～23]。控軋（鍛）-控冷技術主要控制參量包括：鍛造加熱溫度、終鍛溫度、鍛后冷卻速度、變形量和變形速率。各參數對非調制剛強韌性的影響如下：a.提高鍛造加熱溫度，可使V、Nb、Ti的碳氮化合物逐漸溶入奧氏體中，大量溶解的微合金碳氮化合物在冷卻過程中析出，可提高鋼的強度和硬度；但另一方面，溫度升高，奧氏體晶粒長大，組織粗化，韌性下降；b.當控制較低終鍛溫度，可使晶粒破碎程度增加，晶界數量增加，有效地產生形變誘發析出彌散質點，同時再結晶驅動力小，晶粒細化，有利于改善韌性；c.當變形量和變形速率較大時，奧氏體晶粒碎化，奧氏體粗晶再結晶成細晶，由于晶界增多具有大量形核位置，所以形成大量先共析鐵素體精細相變組織，均勻分布在組織里，這對鋼的韌性有利；d.自然冷卻不能有效控制非調質鋼的質量，冷速的優化控制直接影響鋼的組織性能。

圖11 在953 K形成的自形鐵素體的SEM照片、形貌和相應的取向圖及立體投影圖Fig.11 SEM photographic，morphology and polar diagram of idiomorphic ferrite formed at 953 K

國內有鋼廠采用先進的工藝技術來提高非調質鋼的強韌性，如蘇州蘇信特鋼有限公司，采用分段控冷技術，以充分發揮非調質鋼中組織強化作用，用普通合金含量的非調質鋼（如38MnNS6），取得了高強韌性效果，其相關性能檢測數據如表12所示，提升了非調質鋼的性價比，更有利于推廣非調質鋼的應用。機械科學研究總院與企業合作建立了車用非調質鋼曲軸、連桿等零件的控鍛-控冷生產線，如圖12所示，能有效地提升零部件的功能。”

表12 38MnNS6非調質鋼力學性能Table 12 Mechanical property of non-quenched and tempered steel 38MnNS6

4 非調質鋼的應用

圖12 非調質鋼的控冷線Fig.12 Control cooling line for non-quenched and tempered steel

鑒于非調質鋼具有顯著的節能減排效果，因此在機械行業和汽車行業已經得到并正在進一步地擴大應用。在機械行業主要是用于一些長形的桿狀零件，這些零件在調質時會產生變形，增加校直工序的麻煩，并影響工件的使用性能。例如，機床的絲桿、石油機械的抽油桿等。

在汽車行業其應用越來越廣泛，20世紀70年代末的石油危機導致生產中耗能巨大的汽車工業大量采用非調質鋼，而目前保護地球環境和汽車工業進一步的發展使非調質鋼又進一步得到廣泛的應用。主要應用非調質鋼的汽車構件如圖13所示。典型構件實體圖如圖14所示。漲斷連桿是非調質鋼的一個典型應用，由于輕量化的需要，漲斷連桿的強度迅速提升，而要保持合適的漲斷性能，對非調質鋼要求合理的強韌性匹配。

圖13 主要應用非調質鋼的汽車構件Fig.13 Automotive components for mainly using nonquenched and tempered steels

圖14 典型構件示意圖Fig.14 Schematics of typical automotive components

典型某柴油機漲斷連桿用的非調質鋼化學成分如表13所示。連桿本體取樣的機械性能及疲勞極限如表14所示[24]。

表13 漲斷連桿用YC6K480-300非調質鋼化學成分Table 13 Chemical composition of non-quenched and tempered steel YC6K480-300 for cracking connection rod%（質量分數）

表14 連桿本體取樣的機械性能及疲勞極限Table 14 Mechanical properties of samples cut from connection rod and fatigue limit

由連桿疲勞強度和工作載荷的概率分布得到可靠度系數b和可靠度R：

式（15）中，xf為樣本疲勞強度均值；xl為工作載荷均值；sf為樣本疲勞強度標準離差；sl為工作載荷標準離差。

非調質鋼在五十鈴轉向節上的應用見文獻[25]。非調質鋼在緊固件上的應用是基于冷拉強化和包辛格效應，可以有效地簡化緊固件的制造工序，提高材料利用率。20世紀80年代國外已經開發成功并批量應用，主要用于制造7T、8.8級和9.8級的螺栓，也有用于制造10.9級的高強度螺栓，10.9級以上的螺栓為含碳0.1%的C-Mn-Si系加Cr、Ti、B等組織為貝氏體的非調質鋼，10.9級以下的多采用含碳0.2%的C-Mn鋼，加微量的Nb、V微合金化，組織為鐵素體-珠光體，這類非調質鋼可以縮短生產周期15%，提高材料利用率3%～4%，取消了退火，減少了拉拔前的酸洗，取消了調質處理。這類非調質鋼是利用冷加工進行強化，利用冷拉拔后材料的包申格效應，在冷拉表面強化的同時，也可以改善螺栓的冷鐓性能，而拉拔造成表面強化和壓應力又可以有效改善螺栓的疲勞性能，從而提高螺栓的使用效果。

5 擴大非調質鋼應用的問題和建議

我國非調質鋼應用數量和品種與國外均有較大差距，特別是高性能、高切削加工性、硫化物形態控制的、高疲勞性能的非調質鋼與國外有較大差距，難以滿足汽車工業應用非調質鋼制件功能和輕量化的要求。目前我國汽車用非調質鋼的發展過程中還存在以下問題。

5.1 擴大非調質鋼生產應用中存在的問題

1）標準體系不完善。目前執行的“非調質機械結構鋼”標準涵蓋鋼種面較小，約占目前用戶所使用非調質鋼鋼號的30%。在非調質鋼應用中，國外有相應的各類型標準，如意大利的依維柯公司，與漲斷連桿相關非調質鋼標準及其應用標準就有6項，而我國這類標準嚴重缺失，影響了非調質鋼的推廣和應用。

2）汽車用非調制鋼結構件性能需求不明確。汽車廠對非調質鋼結構件的性能評價不全面，僅簡單的用調質鋼的標準來要求非調質鋼，使得非調質鋼在使用過程無參考依據。從而限制了非調質鋼在國內的應用和推廣。

3）汽車用非調質鋼品種有待增加、性能有待提升。目前國內高強韌性、高性價比的非調質鋼種品種不足。成分波動范圍大，性能不穩定。如日本新日鐵不同爐號之間的成分幾乎相同，而我國不同爐號之間的成分差距很大，甚至判若兩個鋼號。

4）硫化物形態、尺寸的控制手段不足；硫化物對非調質鋼組織和性能的影響機理需深入研究；無硫化物形態評級標準。硫化物的形態、分布及大小對非調質鋼組織和性能有較大影響。硫化物除了可以提高非調質鋼切削性能、細化晶粒外，還對非調質鋼疲勞極限有明顯的影響。但目前其控制手段有限，相關的機理研究也有待進一步深入。

5.2 擴大非調質鋼生產及應用的建議

針對目前國內汽車用非調質鋼存在的問題，筆者等提出以下幾個方面的發展建議。

1）汽車用非調質鋼部件功能數據的積累。對典型汽車用非調質鋼零部件（曲軸、連桿等）進行全面的性能及使用工況分析。在研究各種因素對零件功能影響的基礎上，制定和完善產品的相關檢測標準。提高我國非調質鋼的冶金水平，以保證非調質鋼成分、性能的一致性，及C當量的一致性。

2）開發高強韌性、高性價比的非調質鋼。開發高強韌性的非調質鋼，以滿足汽車構件輕量化和構件的特殊性能要求（如高壓共軌零部件）。開發經濟實用、高性價比的非調質鋼（如38MnNS5），滿足量大、面廣的汽車非調質鋼構件的需求。

3）非調質鋼工藝分析。對經濟實用、高強、高韌非調質鋼的冶金、軋（鍛）制和控冷過程中的技術特點進行研究，相關牌號的基礎數據進行系統地檢測，結合零部件的制作工藝和使用要求，系統研究非調質鋼控軋（鍛）-分段控冷技術與鋼材的性能、零部件的功能以及鋼種本身的物理、力學冶金數據之間的關系，并準確測量鋼種的CCT曲線（連續冷卻轉變曲線），作為控軋（鍛）-分段控制冷技術研究和非調質鋼性能預測的基本依據。

4）微合金化作用。研究復合微合金化作用，優化合金含量，優化高性價比的大截面非調質鋼的成分體系和工藝流程，建立大尺寸非調質鋼零件的制造工藝和性能預測系統。并在經表面淬火強化的零件用非調質鋼中，添加微合金元素B，以保證表面淬硬層深度。

5）硫化物對非調質鋼組織、性能的影響機理研究。研究高硫易切非調質鋼中硫化物形態、大小、尺寸等對非調質鋼力學性能、疲勞性能及切削性能的影響，作為制定非調質鋼硫化物形態評級標準圖譜的試驗依據。

6 結語

微合金非調質鋼起源于20世紀70年代的石油危機，因其具有節能、簡化生產工序、提高產品質量等優點，已在汽車行業中廣泛應用。非調質鋼的發展，為汽車工業生產中的節能減排和產品質量的提高發揮了重要作用。因此，各國競相開發適合本國國情的非調質鋼系列，并將其大規模應用于機械制造業中，尤其是汽車制造業中，并取得了明顯的經濟效益和社會效益。

近年來，對于非調質鋼的強化原理進行了大量的研究，這對非調質鋼的性能的預測打下了堅實的基礎，但仍有很多工作需要深入探討。進一步擴大非調質鋼在我國汽車行業的應用范圍，仍需開展大量的應用研究工作，需應用新工藝、新裝備，通過調整合金成分體系，降低非調質鋼生產成本。我國非調質鋼生產的不同批次的性能的一致性、硫化物形態的控制、相關的檢測標準、非調質鋼標準的完善等諸多方面都需要開展進一步的深入研究，以積累應用工藝和組織性能的數據，修改和完善相關的標準，制定非調質鋼應用所需的標準，以打好非調質鋼在我國應用的基礎，進一步推廣應用節能減排、輕量化的非調質鋼。

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Resent progress of non-quenched and tempered steel for automotive sheet

Chen Yunbo1，2，Ma Mingtu3，Wang Guodong4
（1.Advanced Manufacture Technology Center China Academy of Machinery Science&Technology，Beijing 100044，China；2.The State Key Laboratory of Advanced Forming Technology and Equipment，Beijing 100083，China；3.China Automotive Engineering Research Institute Co.Ltd.，Chongqing 400039，China；4.The State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

The resent application and progress of non-quenched and tempered steel is reviewed.The mechanism of strength and toughness and the method to improve them are discussed.Some new research processes are presented，which include strengthening equation，solid solubility product equation of micro alloying elements，strengthening by intragranular ferrite（IGF），controlled rolling and cooling technology of non-quenched and tempered steel.The typical applications of various non-quenched and tempered steels in automotive industry are 1isted.The problems for the production and application of non-quenched and tempered steel in China are also analyzed.Some suggestions for enlarging future manufacture and applications in automotive industry are also put forward.

non-quenched and tempered steel；development and application；micro-alloying；strengthen principle

TG142.21

A

1009-1742（2014）02-0004-14

2013-10-12

國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）（2013AA031605）

陳蘊博，男，中國工程院院士，主要從事材料、材料加工領域科技工作