微合金非調質鋼在控制臂和曲軸生產中的應用

文／孫建，鐘勇，李新平·南昌齒輪鍛造廠

微合金非調質鋼在控制臂和曲軸生產中的應用

文／孫建，鐘勇，李新平·南昌齒輪鍛造廠

控制臂用非調質鋼的應用現狀

控制臂用非調質鋼

控制臂是汽車的重要安全件和功能件，作為汽車懸架系統的導向和傳力元件，受拉伸應力、彎曲應力和扭轉應力等作用，其性能特性對汽車懸架系統的綜合性能有著至關重要的影響。因此，需要控制臂必須具有較高的強度和韌性。近年來，控制臂已逐漸廣泛采用非調質鋼，例如江鈴汽車控制臂采用38MnVS鐵素體-珠光體型非調質鋼；日本愛知制鋼開發了貝氏體非調質鋼SVd15BX，豐田高級轎車“皇冠”控制臂采用此非調質鋼，制造成本降低了5%～10%。

非調質鋼控制臂的鍛造工藝性

38MnVS非調質鋼的冶煉方法采用電爐冶煉+爐外精煉或轉爐冶煉+爐外精煉，化學成分如表1所示。

控制臂的鍛造工藝流程具體為：下料→中頻加熱→輥鍛→制坯→預鍛→終鍛→切邊、校形→控冷→拋丸。

非調質鋼控制臂的鍛后控冷工藝

圖1所示為38MnVS控制臂鍛后控冷線。控制臂生產采用的是專門設計的配套控冷線，控制臂控冷線具體分為快冷區、等溫區、緩冷區、對流區。

圖1 控制臂控冷線

表1 38MnVS非調質鋼的化學成分 （單位：%）

控制臂鍛件切邊后溫度為850～900℃，控制臂冷卻線快冷區控制的冷卻速度為60～80℃/min。在快冷區進行快速冷卻，冷卻約3min，溫度達到630～650℃，然后進入等溫區，等溫區設置的保溫溫度為600～630℃，等溫時間約為40min。等組織完全轉變成鐵素體+珠光體后，再進入到緩冷區，該區域主要起到去應力作用，緩冷時間大約為30min。最后進入對流區，使鍛件迅速冷卻到室溫，以便下料。

進入等溫區溫度在初始等溫溫度以上20～30℃。控制臂鍛件從高溫下快速冷卻下來，忽然在某一溫度停留，造成奧氏體穩定化，即熱穩定化。由于奧氏體的熱穩定化，將轉變溫度遞減滯后一定范圍。因此，將進入保溫區時的瞬間溫度預定在等溫溫度以上約20℃，相對來說降低了20℃，有利于過冷奧氏體直接轉變。圖2是38MnVS非調質鋼控制臂的冷卻曲線。

圖2 38MnVS非調質鋼控制臂冷卻曲線

圖3為某38MnVS非調質鋼控制臂經鍛造成形并控冷后的金相組織照片。由圖3可以看出，鍛件組織由鐵素體和珠光體組成，組織分布較均勻，鐵素體成塊狀和斷續網狀分布。通常，中碳鋼鍛件經過鍛造變形后，冷卻速度或者過冷度不大時，先共析鐵素體在晶界析出充分，鐵素體沿奧氏體晶界長大速度遠大于向晶內長大速度，易于沿著奧氏體晶界呈網狀析出。在一定范圍內，隨著過冷度增大，先共析鐵素體晶粒變得細小，網狀結構越明顯。當冷速或者過冷度達到一定程度，先共析出鐵素體，晶界、晶內均析出，組織比較均勻，晶粒度達到6～7級，沒有出現粗晶、混晶等現象。說明控制臂鍛件在此控冷工藝下比較合適，等溫溫度為600～630℃時，金相組織良好。如果等溫溫度過高，過冷度較小，容易生成大塊狀鐵素體，并且有團簇狀現象產生。由于較高溫度轉變時，先共析出鐵素體在晶界處充分析出，鐵素體含量較高。如果等溫溫度太低時，過冷度太大，先共析出鐵素體變得很細小，鐵素體數量太少，容易形成貝氏體組織。

圖3 38MnVS非調質鋼控制臂控冷后的金相組織

38MnVS非調質鋼控制臂鍛件經過鍛造后，均通過以上控冷線對控制臂進行冷卻，鍛件金相組織、硬度和機械性能都能達到技術要求，能完全滿足顧客的要求。

曲軸用非調質鋼現狀

曲軸用非調質鋼

曲軸是汽車發動機的重要零部件，曲軸是在不斷周期變化的載荷以及往復和旋轉慣性力和扭、彎力矩共同作用下做功的，主要受拉應力、扭轉應力、彎曲循環周期應力作用。各軸頸在很高的比壓下，在軸承中高速滑動摩擦而產生較高的溫度和磨損。據統計，曲軸主要失效形式是彎曲疲勞斷裂失效和軸頸磨損失效。因此，曲軸材料必須有較高抗拉強度、疲勞強度，較高的硬度及耐磨性，且心部有一定的韌性。

表2 49MnVS3非調質鋼的化學成分 （單位：%）

曲軸是最早應用“鐵素體+珠光體”型非調質鋼的零部件，目前國內常用的曲軸用“鐵素體+珠光體”型調質鋼包括49MnVS3、48MnV、38MnVS、38MnVSi以及國外牌號C38、N2等，分別可應用于摩托車曲軸、轎車曲軸及卡車曲軸等。如東風汽車采用48MnV制造康明斯發動機曲軸，江鈴汽車采用49MnVS3非調質鋼制造曲軸，德國大眾采用49MnVS3制造桑塔納汽車發動機曲軸等。

非調質鋼曲軸的鍛造工藝性

49MnVS3非調質鋼曲軸用鋼供貨狀態為軋制空冷態。鍛造工藝流程為：下料→中頻加熱→輥鍛→預鍛→終鍛→切邊→校形→控冷→拋丸。

非調質鋼曲軸的生產工藝及改進

技術性能要求：表面硬度225～277HBW，同一根硬度差≤15HBW；心部硬度225～277HBW，同一根硬度差≤20HBW；金相組織為“鐵素體+珠光體”，晶粒度3～7級，脫碳層≤0.5mm。

最初生產曲軸過程中出現很多問題，如晶粒粗大，硬度過高，小頭與大頭硬度散差大，超過技術要求規定的散差值，伸長率只有8%～9%，達不到技術要求。分析產生的原因及解決方法如下。

⑴晶粒粗大的原因。中頻爐加熱溫度過快，在中頻爐內停留時間過長，爐膛內高溫停留造成晶粒度過大；曲軸毛坯進控冷線溫度偏高，在傳送帶上高溫長時間停留，促使了晶粒的長大。

改進方法為中頻加熱爐時間由3min改為1.5min，中頻加熱溫度由1250℃降為1200℃，進控冷線的溫度控制在850℃左右。經采取上述措施，晶粒度由1～2級變為3～5級。

⑵硬度過高，大小頭散差大的原因主要是加熱溫度高，保溫時間長，晶粒粗大，合金元素充分溶解，冷卻過程充分彌散析出；而且冷卻時間過長，鐵素體含量少，珠光體含量多造成硬度偏高；兩頭散差大主要是大小頭直徑相差大，冷卻速度不一致所致。

改進方法為降低加熱溫度和保溫時間，細化晶粒，進控冷線后前期快速冷卻到660℃左右，縮短冷卻時間；考慮到大小頭直徑相差大，進控冷線前在小頭上套上一個保溫管，以使大小頭冷卻速度基本一致，減小硬度散差值。經驗證，改進后的產品硬度保持在250～270HBW之間，大小頭硬度散差小于15HBW。

⑶伸長率偏小的原因。晶粒粗大、珠光體量的增多及其片層間距減小，析出強化程度高，都降低了材料的韌性。而且鐵素體呈網狀析出，鐵素體含量少也降低韌性，抗拉強度增加，屈服強度下降。

改進方法為降低加熱溫度，控制控冷過程，細化晶粒，增加晶粒度有效面積。

結束語

控制臂、曲軸分別采用非調質鋼38MnVS、49MnVS3生產。在最初生產過程中，出現了許多技術問題，如產生異常組織、晶粒粗大、強硬度高、韌性低、硬度不均勻等問題。針對這些出現的問題，不斷摸索和開發新工藝，例如鍛造過程加熱溫度、保溫時間的合理控制，控冷線的結構設計及冷速、保溫合理化等。通過對生產線工藝流程的嚴格控制和反復試驗，得出了控制臂和曲軸等非調質鋼汽車零部件的工藝參數和生產規律。