35MnVS和38MnVS以及49MnVS3等非調質鋼的生產應用研究

李新平

（江西恒大高新技術股份有限公司，江西 南昌 330096）

非調質鋼具有簡化生產工藝流程，提高材料利用率，降低能耗和制造成本（25%～28%）的優點[1]。非調質鋼在汽車行業的應用已日趨廣泛[2]，國內廣泛應用于汽車連桿、控制臂、曲軸等。據不完全統計，目前我國非調質鋼的年用量在10～15萬噸，其中汽車行業的年用量就達5～8萬噸。非調質鋼已先后經歷了鐵素體-珠光體型、貝氏體型、馬氏體型等三個階段的發展，目前工業上最廣泛應用的是鐵素體-珠光體型非調質鋼，鐵素體-珠光體型非調質鋼現廣泛應用于汽車零部件。本文對非調質鋼應用的一些生產經驗和技術成果，以及生產過程中的一些技術問題做探討分析，為國內非調質鋼在連桿、控制臂、曲軸等的廣泛應用提供一些參考。

1 35MnVS在連桿生產中的應用

1.1 連桿的鍛造工藝性

連桿的作用是連接活塞和曲軸，使活塞的往復運動變換成曲軸的旋轉運動，受到拉伸、壓縮和彎曲應力及交互疲勞載荷作用[3]。在我國，應用非調質鋼最成功的零件是汽車發動機連桿，約占全國非調質鋼生產總量的一半。例如，上海大眾汽車連桿使用的非調質鋼是30Mn2VS；江鈴汽車連桿使用的非調質鋼是35MnVS。

連桿鍛造工藝流程為：下料—中頻加熱—滾鍛—制坯—預鍛—終鍛—切邊—風冷—拋丸。

1.2 連桿的鍛后控冷工藝

表1是連桿用鋼35MnVS的化學成分技術要求，此批連桿用鋼有爐號有兩種。

表1 35MnVS鋼化學成分（質量分數，%）

從表1可以看出，原材料均符合技術要求。但是在生產中發現，鍛造并鼓風冷卻后，檢測其金相組織，經鍛造的爐號1#的35MnVS連桿不能超過500轉/min的冷速進行風冷，否則，金相組織出現大量異常，硬度也偏低。而經鍛造的爐號2#的35MnVS連桿則可用800轉/min的冷速進行風冷，金相硬度都符合要求。從表1中可以看出，爐號1#鋼比爐號2#鋼V含量低0.016%，在鍛后冷卻過程中，V的碳化物彌散析出，可以阻礙奧氏體的再結晶過程，細化晶粒。爐號1#鋼的V的這方面作用較弱，晶粒相對粗大，冷速較快時，易產生魏氏體組織和貝氏體組織。

圖1為連桿經鍛造成型后，不合理風冷時的金相組織照片，零件組織產生了大量貝氏體組織。這是由于風量太大，吹風時間過長，導致冷卻速度過快造成的。生產中也發現，當冷卻速度過慢，低于40℃/min，硬度往往達不到要求。由于冷卻緩慢，先共析鐵素體晶粒尺寸大，鐵素體含量也較高，珠光體含量相對減少。此外，高溫停留時間長，V的碳化物容易聚集長大，起不到彌散強化作用，這將導致材料硬度降低。

圖1 連桿在不合理冷卻速度下的金相組織

圖2是連桿在80～180℃/min冷卻速度范圍內的金相組織，組織由鐵素體和珠光體組成，提高冷卻速度，珠光體相對含量的增多，提高了鋼的強硬度[4]。將冷速控制在80～180℃/min，獲得比較理想的組織，

圖2 連桿在合理冷卻速度下的金相組織

2 38MnVS在控制臂生產中的應用

2.1 控制臂用非調質鋼

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鐵素體-珠光體型非調質鋼38MnVS；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”控制臂采用鐵素體-珠光體型非調質鋼38MnVS，制造成本降低了5%～10%。

2.2 控制臂的鍛后控冷工藝

控制臂鍛件所采用38MnVS非調質鋼，鍛造工藝流程為：下料—中頻加熱—滾鍛—制坯—預鍛—終鍛—切邊/校形—控冷—拋丸。

控制臂對控冷設備要求高，設備結構較復雜，工藝流程更多，制造成本高。控制臂控冷線具體分為四個區：快冷區、等溫區、緩冷區、對流區。

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3～4分鐘，溫度達到630℃～650℃，然后進入等溫區，等溫區保溫溫度為600℃～630℃，等溫時間約為35～45分鐘。組織完全轉變成鐵素體+珠光體后，再進入到緩冷區，防止產生大的應力，時間大約25-30分鐘。最后進入對流區，使鍛件迅速冷卻到室溫，以便下料。

圖3為控制臂鍛造控冷后金相組織，組織由鐵素體和珠光體組成，組織分布均勻。當冷速達到一定程度，先共析鐵素體晶界、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。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。由于較高溫度轉變時，先共析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，先共析鐵素體變得很細小，鐵素體數量太少，容易形成貝氏體組織。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，能完全滿足技術要求。

圖3 控制臂在合理冷卻速度下的金相組織

3 49MnVS3在曲軸生產中的應用

3.1 曲軸的鍛造工藝性

曲軸是最早應用鐵素體+珠光體型非調質鋼的零部件，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49MnVS制造桑塔納汽車發動機曲軸等[5]。曲軸鍛件所采用49MnVS3非調質鋼，鍛造工藝流程如下：下料—中頻加熱—輥鍛—-預鍛—終鍛—切邊—校形—控冷—拋丸。

3.2 曲軸的生產工藝分析及改進

曲軸生產過程中出現問題有晶粒粗大，硬度過高，硬度散差大，伸長率低，達不到技術要求。經分析，產生的原因及改進措施如下。

（1）晶粒粗大。原因：中頻爐加熱溫度過高，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。改進措施：中頻加熱爐時間由原來的節拍3分鐘改為1分半鐘，中頻加熱溫度由原來的1250℃降為1200℃，進控冷線的溫度控制在850℃左右。經采取上述措施，晶粒度由原來的1～2級變為現在的4～6級之間。

（2）硬度散差大。原因：高溫加熱V元素溶解充分，沒有足夠的VC顆粒阻礙晶粒迅速長大，有效厚度不同部位鍛造變形差別大，再結晶不同，快速冷卻時，有效厚度小的部位過冷度大，珠光體含量多且細，晶粒細小，硬度高。改進方法：縮短加熱時間，原材料V的含量保持上限，減少加熱時充分溶解，以阻礙晶粒長大，硬度散差小于12HB。

（3）伸長率偏小。原因：晶粒粗大、珠光體體量的增多及其片層間距減小，析出強化程度高，都降低材料的韌性。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：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。

4 結論

連桿、控制臂、曲軸等汽車零部件分別采用非調質鋼35MnVS、38MnVS、49MnVS3生產。在最初生產過程中，出現許多技術問題，如組織異常、晶粒粗大、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，通過對生產線工藝流程的嚴格控制和反復試驗，得出了連桿、控制臂、曲軸等非調質鋼汽車零部件的合理工藝參數和生產規律。現在這些零部件鍛造工藝性及控冷等都比較良好，均能滿足生產的要求。