Mn-V 微合金鋼在汽車前軸中的應(yīng)用

文／劉中陽(yáng)，杜強(qiáng)·湖北神力鍛造有限責(zé)任公司

張峰·東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心工藝研究所

王一同，胡澤啟·武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院

微合金鋼是一種新型的結(jié)構(gòu)鋼，零件整體性能穩(wěn)定，截面尺寸效應(yīng)小，并且屬綠色低碳鋼種，主要用于汽車及其他車輛的承力鍛造部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、曲軸、前軸和轉(zhuǎn)向節(jié)等，零件通過熱鍛成形，并鍛后通過適當(dāng)?shù)目刂评鋮s即可獲得較高的強(qiáng)度。本文探討了一種以Mn-V 為主添加合金元素的微合金鋼在汽車前軸中的試驗(yàn)及應(yīng)用。結(jié)果表明，與普通中碳調(diào)質(zhì)鋼相比，在結(jié)構(gòu)相同并省去調(diào)質(zhì)熱處理工序的情況下，應(yīng)用Mn-V 系中碳微合金鋼，組織性能指標(biāo)滿足要求，臺(tái)架測(cè)試在載荷提高15%時(shí)，壽命超過100 萬(wàn)次，順利通過臺(tái)架試驗(yàn)，同時(shí)前軸生產(chǎn)過程中的開裂、變形和組織不均勻等質(zhì)量問題顯著減少。

前軸作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，其質(zhì)量和性能直接關(guān)系著汽車的安全性和可靠性。前軸的材料組織狀態(tài)和力學(xué)性能對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性、懸掛系統(tǒng)的舒適性以及整車的使用壽命都有著重要影響。隨著重載汽車向大噸位、輕量化的方向發(fā)展，普通低碳合金鋼受限于強(qiáng)度級(jí)別較低，在重載汽車前軸領(lǐng)域已不具備優(yōu)勢(shì)。微合金鋼被國(guó)際上公認(rèn)為21 世紀(jì)鋼種，相比于普通調(diào)質(zhì)合金鋼其含碳量較低，在保證高強(qiáng)度的同時(shí)，仍能保持較好的韌性。因此其應(yīng)用范圍較為廣泛，可用于汽車及其他車輛的承力鍛造部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、曲軸、前軸和轉(zhuǎn)向節(jié)等，鍛造后通過適當(dāng)?shù)目刂评鋮s即可獲得較高的強(qiáng)度。

近年來(lái)，在機(jī)械、汽車制造等行業(yè)，非調(diào)質(zhì)鋼替代傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)鋼已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。Mn-V 系低碳微合金鋼屬于非調(diào)質(zhì)鋼中的一種，由于在生產(chǎn)中可在鍛造成形后直接控溫冷卻就能滿足機(jī)械性能要求，省去了鍛后熱處理工序，不僅節(jié)約了能源、簡(jiǎn)化了工藝、提高了生產(chǎn)效率，而且可以避免由淬火引起的變形、開裂及氧化、脫碳等熱處理缺陷。

微合金鋼概述

在普通軟鋼和高強(qiáng)度低合金鋼基體中添加微量合金元素的鋼，稱為微合金鋼。微合金鋼中添加的合金元素，主要是強(qiáng)烈的碳氮化物形成元素，如Nb、V、Ti、Al 等，其含量大約在0.01%～0.20%之間。添加微量合金元素后，使鋼的一種或幾種性能得到明顯的提高，典型的微合金鋼有15MnVN 和06MnNb 等。

釩是微合金元素中最早引起人們注意的一種，其在鋼材中的應(yīng)用歷史悠久。早在1916 年，美國(guó)就開始試驗(yàn)添加釩到軟鋼中，后續(xù)發(fā)展出含釩碳錳鋼等不同類型的鋼材。1939 年開始加入鈮元素，為鋼材性能的提升探索了新的可能性。在20 世紀(jì)50 年代后期，美國(guó)進(jìn)行了含鈮半鎮(zhèn)靜鋼的工業(yè)試驗(yàn)，進(jìn)一步推動(dòng)了微合金元素在鋼材中的應(yīng)用。鈦的應(yīng)用始于1944 年，當(dāng)時(shí)美國(guó)研究了低碳錳銅鈦鋼板，1957 年聯(lián)邦德國(guó)發(fā)布了關(guān)于鈦鋼板性能數(shù)據(jù)的報(bào)告。20 世紀(jì)60 年代初，聯(lián)邦德國(guó)推薦了含鈦碳錳鋼用于制造型鋼和鋼板，但是控制鋼中鈦含量在0.01%～0.20%之間一直是一個(gè)困難。然而，隨著80 年代初鋼包噴吹技術(shù)的發(fā)展，鋼中鈦含量的控制難題已基本得到解決，為鋼材性能的進(jìn)一步提升提供了支持。

微合金鋼的發(fā)展確實(shí)與低合金高強(qiáng)度鋼的發(fā)展密切相關(guān)，這一過程反映了鋼材設(shè)計(jì)理念的演變和工程需求的變化。隨著焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們開始更加重視鋼材的韌性、焊接性等綜合性能，而不僅僅是抗拉強(qiáng)度。這導(dǎo)致鋼材中碳含量的降低以及對(duì)晶粒細(xì)化、屈服強(qiáng)度提高等性能指標(biāo)的要求不斷增加。在鋼材生產(chǎn)和應(yīng)用過程中，微合金元素的引入發(fā)揮了關(guān)鍵作用。釩、鈮、鈦等微合金元素的添加可以有效地細(xì)化晶粒、提高屈服強(qiáng)度，同時(shí)不明顯增加成本，使鋼材在保持高強(qiáng)度的同時(shí)具備良好的韌性和焊接性能。這種微合金鋼因其多功能、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠而受到人們的青睞，逐漸成為一種重要的工程材料。

微合金的作用機(jī)理

按早期的最簡(jiǎn)單的類型，微合金鋼是鐵素體-珠光體組織。到20 世紀(jì)80 年代后微合金鋼的內(nèi)涵已廣泛地包括：少珠光體、無(wú)珠光體、針狀鐵素體、超低碳貝氏體等組織的低合金高強(qiáng)度鋼。

對(duì)于鐵素體-珠光體鋼來(lái)說(shuō)，要得到細(xì)鐵素體晶粒，需要滿足一定條件。首先，需要有盡可能細(xì)的再結(jié)晶奧氏體晶?；蛘呓?jīng)過劇烈變形但未再結(jié)晶的奧氏體。這些條件可以提供最大的奧氏體晶界面積，為鐵素體的成核提供必要條件。此外，鐵素體也可以在未再結(jié)晶奧氏體的形變帶、回復(fù)的亞結(jié)構(gòu)邊界以及未溶解的碳化物、氮化物質(zhì)點(diǎn)上進(jìn)行形核。添加鈮、釩和鈦等微合金元素的作用之一是通過它們所形成的碳化物、氮化物質(zhì)點(diǎn)來(lái)阻止奧氏體晶粒在再加熱時(shí)長(zhǎng)大。作用之二是在軋制過程中延緩?qiáng)W氏體的再結(jié)晶。鈮可以顯著提高再結(jié)晶溫度的門檻值，釩次之，而鈦只在含量相當(dāng)高時(shí)才能發(fā)揮有效作用。

國(guó)際冶金研究中心的科研人員研究了與Mn-V鋼(EN)相似的微合金鋼種，不同之處是后者添加了少量的Ti。通常Mn-V 鋼化學(xué)成分中Ti 和Al 的含量分別為Ti=0.020mass%，Al=0.035mass%。這兩種元素很容易與N 結(jié)合，尤其是Ti。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在二次加熱溫度下，相對(duì)高的Al 含量對(duì)控制奧氏體晶粒極其不利。根據(jù)對(duì)具有不同Ti/Al 比例的38MnSiVS5鋼錠進(jìn)行的研究表明：組織中發(fā)生奧氏體晶粒不正常長(zhǎng)大與Ti 和Al 的含量無(wú)關(guān)，從根本上講歸因于TiN的部分溶解和沉淀粗化。而Al 含量高的鋼顯示出不良特性是因?yàn)樾纬闪吮环Q為AlN 的二次沉淀物，該沉淀物在1000℃和1100℃之間快速溶解，導(dǎo)致其釘扎力急劇下降。

為了解決鐵素體-珠光體型微合金非調(diào)質(zhì)鋼韌性低的問題，可以采用降低鋼中碳含量的方法。通過降低碳含量，可以增加組織中鐵素體的體積百分比，從而消除網(wǎng)狀鐵素體，減少組織中珠光體的體積百分比，提高珠光體片的退化程度，并細(xì)化珠光體片，從而提高鋼材的韌性。舉例來(lái)說(shuō)，德國(guó)THYSSEN 鋼公司在49MnVS3 的基礎(chǔ)上開發(fā)了一系列微合金非調(diào)質(zhì)鋼，如38MnVS5、42MnVS6、27SiMnVS7 等。這些鋼種通過控制碳含量等合金元素，實(shí)現(xiàn)了組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而提高了鋼材的性能，特別是韌性方面得到了改善。另外，20 世紀(jì)80 年代后期，日本新日鐵采用晶內(nèi)鐵素體技術(shù)，開發(fā)了碳含量為0.30%的高韌性微合金非調(diào)質(zhì)鋼。這種鋼材利用晶內(nèi)鐵素體的形成機(jī)制，結(jié)合合金設(shè)計(jì)和工藝控制，實(shí)現(xiàn)了高韌性的目標(biāo)，為鋼材的應(yīng)用提供了新的選擇。

這些微合金鋼材料廣泛應(yīng)用在各種車輛上的結(jié)構(gòu)件，如活塞連桿、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、轉(zhuǎn)向前軸、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和轉(zhuǎn)向節(jié)等，其他如火車車廂底盤、車廂、礦山設(shè)備料罐、翻斗、液壓頂板支架系統(tǒng)，工程機(jī)械的吊臂、挖斗等特種設(shè)備上也有較多應(yīng)用。

本文主要從微合金鋼的形成機(jī)理、樣件的制造過程及樣件的化學(xué)成分、組織、性能測(cè)試等方面對(duì)Mn-V 型中碳微合金鋼在前軸上的試驗(yàn)及應(yīng)用進(jìn)行了探討。

試驗(yàn)材料及方法

本文試驗(yàn)采用的是Mn-V 系中碳鐵素體＋珠光體鋼(32MnSiVS5)，采用鍛后控溫冷卻的工藝制造汽車前軸，試驗(yàn)相關(guān)情況如下所述。

試驗(yàn)材料

32MnSiVS5 是一種中碳鐵素體＋珠光體型高強(qiáng)韌非調(diào)質(zhì)鋼，在Mn-V 鋼的基礎(chǔ)上加入了Ni、N 等元素改善鋼的韌性。本文中試驗(yàn)樣件鋼材的化學(xué)成分如表1 所示。

表1 32MnSiVS5 材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

32MnSiVS5 是一種中碳鐵素體-珠光體型高強(qiáng)韌非調(diào)質(zhì)鋼，該鋼材在Mn-V 非調(diào)質(zhì)鋼的基礎(chǔ)上加入了Ni、N 等元素，改善了鋼材的韌性?？刂坪线m的碳含量可以保證鋼材具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)不會(huì)明顯降低其塑、韌性。同時(shí)，Si 在一定程度上能提高鋼材的強(qiáng)度，但過高的含量可能會(huì)導(dǎo)致馬氏體的形成。Mn 是一種重要的合金元素，可以提高鋼材的強(qiáng)度和韌性，但含量過高也會(huì)對(duì)鋼材的韌性和強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。V 是一個(gè)重要的析出強(qiáng)化元素，在不影響鋼的塑、韌性情況下能夠大幅度地提高鋼材的強(qiáng)度。此外，Cr、Ni、Mo、Ti 等合金元素還能夠細(xì)化晶粒，為鋼材的性能提升提供幫助。釩作為晶粒尺寸抑制劑僅在溫度低于950℃時(shí)起作用，O 是有害元素，要嚴(yán)格控制。同時(shí)，氮和釩等元素容易形成氮化物或氮碳化物，進(jìn)而可以細(xì)化晶粒，通過析出強(qiáng)化來(lái)提高鋼材的強(qiáng)韌性。研究結(jié)果表明，在非調(diào)質(zhì)鋼中增加氮的含量到0.01%～0.02%可以對(duì)提高鋼材的性能十分有利。根據(jù)對(duì)具有不同Ti/Al 比例的32MnSiVS5 鋼錠進(jìn)行的研究表明：組織中發(fā)生奧氏體晶粒不正常長(zhǎng)大與Ti 和Al 的含量無(wú)關(guān)，從根本上講歸因于TiN 的部分溶解和沉淀粗化。而Al 含量高的鋼顯示出不良特性是因?yàn)樾纬闪吮环Q為AlN 的二次沉淀物，該沉淀物在1000℃和1100℃之間快速溶解，導(dǎo)致其釘扎力急劇下降。本次試驗(yàn)采用的32MnSiVS5 材料在保證力學(xué)性能的前提下，增加了S 的含量,其作用主要是形成MnS，改善鋼的切削加工性。

本次試驗(yàn)料與某鋼廠聯(lián)合研制，采用電爐初煉，真空精煉，真空脫氣處理，連鑄連軋成形，要求軋制壓縮比大于4。鋼的橫截面酸浸低倍組織試片或前切斷口上不允許有肉眼可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻邊、白皮等缺陷。按照GB/T 226-2015 和ASTM E45A 分別檢驗(yàn)低倍組織和鋼的非金屬夾雜物，情況分列見表2、表3。

表2 按照GB/T 226-2015 和ASTM E45A 檢驗(yàn)低倍組織

表3 按照GB/T 226-2015 和ASTM E45A 檢驗(yàn)鋼的非金屬夾雜物

按照ASTM E112 檢驗(yàn)鋼的奧氏體晶粒度(950℃±10℃/30min，水冷)，級(jí)別≥5。成品鋼材力學(xué)性能見表4。

鋼材需100%超聲波探傷，按GB/T 4162-2022標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，合格級(jí)別為B 級(jí)以上。

試驗(yàn)條件及試樣制備

前軸的制造工藝流程大致為：下料→中頻感應(yīng)加熱→輥鍛制坯→彎曲→預(yù)鍛→終鍛→切邊→校直→控溫冷卻→拋丸→探傷→檢驗(yàn)→防銹入庫(kù)。熱成形前的加熱爐溫度要比普通碳素鋼加熱溫度高出30℃～50℃，中頻爐感應(yīng)加熱溫度不能超過1300℃，且使用三分選溫度儀來(lái)有效區(qū)分高溫料和低溫料，高溫過燒料直接報(bào)廢，低溫料可重復(fù)加熱三次使用；鍛造工序采用萬(wàn)噸熱模鍛壓機(jī)，一次鍛壓成形；下線控溫溫度為900℃～500℃，消除應(yīng)力溫度小于600℃，需嚴(yán)格控制控溫冷卻，使冷卻速度在1.5 ～2.5℃/s 的范圍內(nèi)，此為關(guān)鍵工序，可有效保障綜合力學(xué)性能和加工性能。具體工藝參數(shù)如表5 所示。

表5 試驗(yàn)工藝參數(shù)

控制奧氏體晶粒是改善非調(diào)質(zhì)鋼性能的重要手段，鍛造加熱溫度和鍛后控制冷卻速度是決定鍛件質(zhì)量過關(guān)與否的關(guān)鍵步驟。當(dāng)再加熱溫度從1000℃變化到1200℃時(shí)，對(duì)機(jī)械性能沒有重大影響。在冷卻速率較低條件下，最終顯微組織會(huì)產(chǎn)生一些粗糙的珠光體晶胞，該珠光體晶胞團(tuán)不利于所需要的組織，高冷卻速率，鋼的強(qiáng)度隨之增加，但是韌性沒有明顯發(fā)生變化或者根本沒有改變。對(duì)含釩鋼，加熱溫度提高到1220℃～1260℃，可以保證V 化合物充分固溶，為其析出強(qiáng)化創(chuàng)作條件，由于此鋼種鍛后沒有二次奧氏體化來(lái)細(xì)化晶粒，所以應(yīng)選擇較高的終鍛溫度，下線后立即快速控溫冷卻，主要是為了控制奧氏體晶粒的過度長(zhǎng)大。

試驗(yàn)結(jié)果與討論

在試驗(yàn)鍛件上的彎脖和法蘭座部位分別取樣，制成金相試樣和拉伸試樣，為了試驗(yàn)的需要，在規(guī)定的部位取了8 個(gè)試樣，拉伸試樣規(guī)格：φ10mm×50mm；沖擊試樣試件2mmU 型缺口，10mm×10mm×55mm。(具體見圖1、圖2)。

圖1 試樣取樣位置、規(guī)格

圖2 試樣尺寸規(guī)格

顯微組織及晶粒度

金相組織光學(xué)顯微鏡照片如圖3 所示。

圖3 前軸鍛件的金相組織

由圖3 可知，在熱鍛后的冷卻過程中因相變形成的鐵素體- 珠光體組織中，由于析出細(xì)微的碳氮化物而使組織得以強(qiáng)化。通過TEM 分析可以發(fā)現(xiàn)，在鐵素體基體上彌散分布析出的VCN 化合物，對(duì)強(qiáng)度低的鐵素體進(jìn)行了強(qiáng)化，從而強(qiáng)化網(wǎng)狀組織。同時(shí)因材料中含有適量的Ti 元素易形成碳氮化物，而這些質(zhì)點(diǎn)在材料鍛造過程中起到釘扎效果從而細(xì)化奧氏體晶粒。有資料介紹利用MnS 細(xì)化鐵素體-珠光體組織技術(shù)，因此多項(xiàng)措施共同來(lái)細(xì)化組織，從而使得32MnSiVS5 前軸零件晶粒度達(dá)6 ～7 級(jí)。

硬度及力學(xué)性能測(cè)試

選取前軸法蘭座部位的試樣(圖4)，測(cè)量截面硬度結(jié)果見圖5。

圖5 法蘭座截面硬度分布

從圖5 中硬度統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，32MnSiVS5 的截面硬度均勻，優(yōu)于50 鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)，此種硬度分布對(duì)鍛件的性能有益。樣件心部硬度略有降低，由心部的冷速較慢導(dǎo)致，因50 鋼是調(diào)質(zhì)狀態(tài)，心部淬透性稍差，故心部與表面硬度相差較大。

表6 為前軸彎脖處試樣的力學(xué)性能及沖擊韌性測(cè)試結(jié)果，力學(xué)性能選取一個(gè)試樣，沖擊功選取三件。

表6 力學(xué)性能

從測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，樣件的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)較好，屈強(qiáng)比達(dá)到0.68，斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率較好，與傳統(tǒng)50 鋼調(diào)質(zhì)性能相比具有明顯的提升。抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率等都達(dá)到了42CrMo 的要求。對(duì)鋼材軋制狀態(tài)下的沖擊功及晶粒度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示其沖擊功為45 ～55J 之間，晶粒度5 ～7 級(jí)。這表明，32MnSiVS5 在鍛造領(lǐng)域的應(yīng)用，必須嚴(yán)格控制坯料加熱溫度及鍛后控冷速度。

臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果分析

臺(tái)架試驗(yàn)采用在最大載荷為3 倍額定載荷的情況下，垂向加載時(shí)的疲勞壽命≥100 萬(wàn)次的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。并在前軸結(jié)構(gòu)形式保持不變的前提下，與50 鋼的臺(tái)架試驗(yàn)情況進(jìn)行對(duì)比，如表7 所示。

表7 垂向加載臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

從臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，采用相同前軸結(jié)構(gòu)形式，32MnSiVS5 的額定載荷在提高15%的情況下，仍能有較好的疲勞壽命，這也與材料的金相組織形態(tài)相對(duì)應(yīng)。

結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，Mn-V 系中碳微合金鋼也能應(yīng)用于汽車前軸鍛造領(lǐng)域，采用鍛后控溫冷卻的方式即可獲得較好的鐵素體-珠光體組織，這種組織強(qiáng)度指標(biāo)性能與42CrMo 類似，優(yōu)于50 鋼，能滿足汽車前軸各項(xiàng)性能考核要求。其鍛造生產(chǎn)制造工藝省去了鍛件熱處理工序，縮短了制造周期，避免了開裂、變形和組織不均勻等熱處理質(zhì)量問題的產(chǎn)生，提升了產(chǎn)品良品率，同時(shí)其價(jià)格遠(yuǎn)低于合金鋼材料，具有較高的使用性價(jià)比。使用中須嚴(yán)格控制鍛造過程中坯料的加熱溫度、終鍛溫度和控溫冷卻速度，保證晶粒度細(xì)小，以便獲得較好的韌性。