非調質鋼的熱加工過程控制

文／馬鋒剛，張曉田，馬錄，黨軍·寶雞法士特齒輪有限責任公司

本文對非調質鋼做了簡要介紹，結合在我公司一種鐵素體-珠光體型中碳非調質鋼在法蘭類零件上的應用情況，闡述了該鋼種的微合金化成分、零件的性能特點和要求，以及中頻加熱、鍛造過程、鍛后控冷、檢驗、機械加工等工序的工藝控制要點及原因，并介紹了該非調質鋼零件出現控冷結果不合格的返修工藝。最后結合工藝過程分析了非調質鋼的強化機理和性能表現。

非調質鋼是在中碳鋼中添加微量合金元素(Ti、V、Nb、N 等)，通過控溫鍛造，控制鍛后冷卻過程，使鐵素體+珠光體組織中彌散析出碳、氮化合物為強化相，是一種將軋制(或鍛造)與熱處理結合為一體，不經調質熱處理(淬火+高溫回火)就可獲得碳素結構鋼或合金結構鋼經調質才能達到的力學性能的一種新型節能鋼。非調質鋼可分為鐵素體-珠光體型非調質鋼、貝氏體型非調質鋼和馬氏體型非調質鋼三類。鐵素體-珠光體型非調質鋼應用最多，含碳量為0.3%～0.5%，又稱為中碳非調質鋼，金相組織為鐵素體和珠光體。

德國、瑞典和日本對非調質鋼的研究及應用較好，如德國大眾、美國福特、意大利菲亞特都采用非調質鋼來制造其曲軸、連桿等零件，日本目前90%以上的曲軸、連桿均采用非調質鋼制造。但在國內非調質鋼的應用極其有限，針對非調質鋼的配套工藝、刀具等都鮮有成熟可借鑒的經驗。我國非調質鋼的應用和開發最廣泛的是汽車行業，主要用于汽車發動機曲軸、連桿、前軸、半軸等零件，鋼種選擇可參考GB/T 15712-2016《非調質機械結構鋼》。

我公司使用的一種非調質鋼是鐵素體-珠光體型非調質鋼，該零件的鍛件毛坯重量為8.5 千克，法蘭類零件，表面硬度要求為240 ～270HBW，金相組織要求為珠光體+網狀鐵素體及少量晶內鐵素體(圖1)，不允許出現貝氏體、馬氏體等非平衡組織，晶粒度為5 ～8 級。帶狀組織級別可按照GB/T 34474.1-2017 標準中E 系列不大于3 級要求，不同零件也可根據帶狀組織對強度、韌性的影響程度制定更加嚴格細致的接收標準，我公司帶狀檢測級別一般為0 級。該零件的最終熱處理工藝為表面感應淬火：法蘭盤部位局部高頻，以達到耐磨性能要求。

圖1 珠光體+網狀鐵素體(4%硝酸酒精腐蝕，100×)

原材料及過程控制

原材料

我公司某一批次非調質鋼法蘭類產品的化學成分檢測結果如表1 所示(成分接近于45MnVB 材質)，主要是在45 鋼基礎上增加Mn、V 進行微合金化：Mn 含量提高了0.50%左右，起到固溶強化的作用；增加將近0.10%的V，有利于形成V(N，C)，從而抑制奧氏體晶粒的長大、細化晶粒、提高材料韌性。本批原材料規格為直徑90 毫米、長度6 米的棒材，連鑄連軋圓鋼材料的軋制態硬度為257HBW，晶粒度7.5 級。

表1 非調質鋼的主要化學成分(質量分數，%)

加熱和鍛造過程

該產品的鍛造生產線由自動上料機構、中頻加熱爐、曲柄連桿式鍛壓機、壓床以及傳送帶等輔助設備組成。工藝為閉式鍛造工藝，過程為“坯料加熱-鐓粗-預鍛-終鍛-沖孔”，終鍛結束后零件通過快速傳送帶轉移至壓床位置，完成沖孔工序。鍛造過程工藝控制的要點有以下幾個方面。

⑴棒料直徑與中頻爐的匹配度，生產中常見情況是大爐子燒小料(即對于棒料直徑來說中頻爐爐膛尺寸過大)，棒料加熱不均勻，會導致鍛造成形問題，同時會造成非調質鋼零件各部位鐵素體和珠光體內碳氮化合物固溶量不一致，最終體現在零件上為各部位力學性能不一致，強度低的部位容易過早失效。

⑵棒料加熱溫度一般控制在(1200±50)℃，較高的加熱溫度有利于非調質鋼中的碳氮化合物充分固溶，進而在后續控制冷卻過程中有較多的碳氮化合物彌散析出，充分發揮微合金的作用。同時加熱設備的穩定性也非常重要，這是加熱溫度一致性的保障，也是最終產品硬度一致性的保障，否則就會出現硬度散差較大，甚至超出要求范圍的情況。

⑶終鍛溫度一般控制在850 ～1000℃，特別是承載扭矩的軸類零件，為保證零件的韌性應選用較低的終鍛溫度；而對于需要耐磨性的零件就不用嚴格要求。在此注意終鍛溫度要在鍛壓機終鍛工序測量，而不是在沖孔工序。

跟鍛造余熱正火工藝相似，鍛造過程的穩定性是控制冷卻后零件硬度和性能的有力保障，所以非調質鋼更加適合在穩定性較好的自動化鍛造生產線上進行批量生產。

控制冷卻

控制冷卻是保障最終零件力學性能的關鍵控制點，控制冷卻方式有堆冷、傳送帶或散放空冷、風冷、霧冷等，冷速越快，硬度越高。一般零件進入控冷過程的溫度不低于850℃。在硬度符合要求的前提下應盡可能采用較快的冷卻速度，以保證碳氮化合物的強化效果，提高零件的韌性。

試驗結果顯示該非調質鋼法蘭零件硬度均勻性較好，從表面至心部未出現明顯硬度降低。在金相下觀察，鍛造后金相組織均為珠光體+沿晶網狀分布鐵素體。風冷條件下零件晶粒尺寸明顯小于空冷條件下晶粒尺寸，而珠光體含量高于空冷條件下的珠光體含量。研究發現，在0 ～5℃/s 冷卻速度范圍內，隨著冷速增加，先共析鐵素體體積分數減少，相應珠光體體積分數增加，進而導致零件硬度增加。我公司該零件試驗結果也印證了這一觀點——采用風冷零件硬度比空冷高2 ～3HRC。

質量檢驗

由于非調質鋼大多采用空冷方式，生產車間環境溫度和空氣流動情況會影響零件的冷卻過程，存在不穩定性，再加上每批原材料化學成分和淬透性的差異也會引起硬度波動，所以一般在每次開始生產時要及時首件檢驗。首件可將待檢驗零件按常規工藝完成工序后，冷卻至200℃左右時進行快速水冷及時檢驗硬度和金相。同時，當加熱溫度、鍛造方式、冷卻過程等因素發生變化后應及時檢驗。生產穩定后，金相檢驗可按生產批次或原材料爐號等方式檢驗金相組織。

不合格返修

當檢驗結果不合格時可以對零件進行返修，一般可采用高溫回火、普通正火或等溫正火工藝。硬度過高——采用高溫回火工藝降低硬度；硬度過低——采用正火工藝提高硬度；金相組織一般不會出現不合格情況。我公司該零件返修采用高溫回火和等溫正火工藝。

高溫回火設備為電加熱式箱式爐，裝料層數3～4層，一般采用加熱溫度650 ～690℃、保溫2 小時后出爐空冷的熱處理工藝，加熱溫度根據零件硬度超差情況選擇，回火返修件的各項性能不會降低。

等溫正火設備為電加熱式連續等溫正火線，零件在料盤內堆放2 ～3 層，工藝加熱溫度930℃，保溫1.5 小時，吹強風快速冷卻至600℃左右，入等溫爐580℃保溫2小時出爐空冷。硬度可達到250HBW以上，金相組織為珠光體+網狀鐵素體，晶粒度7 ～8 級，帶狀0 級，符合零件技術要求。返修件扭矩、抗拉強度等測試也符合設計性能要求。正火返修件是否可用，建議根據零件的實際測試結果最終確定。資料顯示，加熱溫度為1000 ～1200℃時，在保溫過程中會導致奧氏體晶粒長大，正火后晶粒度等級降低。

性能分析

非調質鋼的淬透性比普通碳素結構鋼高，就拿該法蘭零件的材質(近似45MnVB)與45 鋼比較，前者淬透性較高，淬硬層深度大，零件在毛坯狀態調質，后續粗精車工序零件表面2mm 以上的硬化層將被車掉，非調質鋼的硬度降低梯度較小，變化不大，優于45 鋼調質零件。按照GB/T 228.1-2021 標準進行力學性能測試數據顯示，該非調質鋼的抗拉強度大于850MPa，延伸率在13.5%以上；而45 鋼調質件的抗拉強度大于750MPa，延伸率在19%以上。非調質鋼的強度高、塑性低；45 鋼的強度低、塑性好。由于非調質鋼中的V 為強碳化物形成元素，與鋼中的C、N 元素結合形成V(C，N)，固定了鋼中一部分C，因而提高了鋼中鐵素體體積分數；加熱時部分固溶于奧氏體中的V，能提高過冷奧氏體的穩定性，降低轉變溫度，使C 擴散困難，因而減小珠光體片層間距。同時有學者指出，在奧氏體中形核的晶內鐵素體可以通過分離粗大的珠光體球團來細化鐵素體-珠光體鋼中的粗大組織。近年來，許多研究表明，微合金化元素V、Ti、Nb 等均可形成相應的析出物，作為晶內鐵素體(Intragranular Ferrite，IGF)的形核位置，實現晶粒細化，同時提高強度和韌性。綜上分析，非調質鋼以固溶強化、細化晶粒和較小片層間距的優勢使其整體材料強度和韌性得到提升。

JB/T 11805-2014《非調質鋼件表面熱處理》規定了非調質鋼件的表面感應淬火、氣體滲氮、氣體碳氮共滲及離子滲氮的技術要求。由此可見，與調質鋼零件相同，非調質鋼零件也可以進行表面強化以滿足使用要求。實際最常用的兩種表面處理方式是感應淬火和氮化處理，形狀復雜件用氣體氮化，簡單件用離子氮化(效率高)。

由于非調質鋼的心表硬度梯度不明顯且微合金化使材料本身的鐵素體和珠光體組織硬度較高，不利于車削、拉花鍵等機加工，所以機加工序就表現出車刀、拉刀等壽命比加工45 鋼調質件低的現象，可優化刀具設計和機加工藝、選用合適的刀具(如硬質合金刀具)提高刀具壽命和加工效率。

結束語

⑴鍛造加熱和鍛后控冷是非調質鋼零件獲得良好力學性能和硬度的關鍵，鍛造加熱溫度(1200±50)℃，鍛后控冷的冷速越快硬度越高，反之硬度降低。

⑵我公司該非調質鋼比45 鋼晶粒細，強度高，替代45 鋼生產法蘭類零件可有效提高生產效率，降低生產成本，節約調質熱處理成本。

⑶非調質鋼鍛后控冷出現金相和硬度不合格時可以通過回火和正火工藝返修。