汽车曲轴用微合金化锻钢

汽车曲轴用微合金化锻钢1 前言就当前工业状况而言，新材料的发展在过去的十年中，由于要维持高的产品质量，同时减少制造成本，外加合金元素市场的周期性波动推动了冶金研究取得了重大的成果。

高强度微合金钢在热锻领域中的应用即是其中之一。

在上述产品领域，V和Nb被看作是首选的的微合金元素。

目前，用V或Nb或二者结合微合金化的钢材正在取代高合金化以及经过热处理的钢材，并已用于制造多种汽车零件，包括那些高可靠性的零件，如连杆和曲轴。

对于一个有固定使役寿命的锻件而言，对其质量和可靠性的设计即是对其材料、热处理、表面状态和形状的适当选择。

影响最终产品质量的各种因素包括化学成分、热处理、机械加工等等，而材料和所选用的热处理制度将决定最终的力学性能。

这种情况是向钢中加入合金元素的传统的制造工艺路线，耗费热处理操作时间和能量。

这些路线随着现代钢铁发展和可替换产品路线已经被克虏伯成功地用于VW型曲轴生产。

VW型曲轴可能用微合金钢热锻制造。

2 历史前景对于一个给定的产品质量标准，能够降低生产成本的冶金备选方案总结如下：直接淬火的硬化钢；钢材精锻造温度直接淬火；贝氏体钢；热锻珠光体微合金化钢。

在上述的可能方案中，值得注意的是热锻珠光体微合金化钢，该钢省略了热处理步骤，减少了合金的加入量，并且在某些情况下与传统产品相比零件性能更好。

利用该钢制造的锻件已经用于制造大众汽车的曲轴。

在70年代早期，德国锻造厂在汽车公司的压力下，开发用于制造曲轴的含V的热锻珠光体微合金钢。

新的德国标准将这种产品命名为DIN 49MnVS3（VW1450执行大众内部分类）。

DIN 49MnVS3钢在表1中详细说明。

上述钢材在锻造后控制冷却处理表现出相当于以前用于制造曲轴的DIN C-45钢淬回火后的力学性能。

结果获得了一种更经济的产品。

在锻造后立即进行控制冷却处理的产品，由于它的显微组织主要是珠光体，在500倍下放大为铁素体和渗碳体片，被称为“锻造珠光体”钢。

根据德国的统计分析，这种类型的显微组织对于提倡在工具刃磨时有40％面缩的机加工来说是足够了。

前面总结了德国锻造珠光体微合金化曲轴的发展和目前在该国大范围的应用。

表1 DIN 49MnVS3的化学成分（％）化学成分（％）Mn P S Si V C≤0.60 0.08-0.130.42-0.50 0.60-1.00 ≤0.035 0.045-0.065图1 0.05Nb对屈服强度的影响3 用Nb微合金化的锻造珠光体曲轴Nb在低碳钢中被认为是一种潜在的较好的强韧化元素。

其强韧化作用在0.4-0.6％C范围内尤为明显，如图1[1]所示。

1972年，大众研究所[2]以成本-质量为基础对Sadan和Kombi车辆厂用于空冷的发动机曲轴的铸铁、DIN C-45（执行严格的Jiminy要求）和V和Nb微合金化钢进行了调查。

在克虏伯冶金公司开发的Nb微合金钢曲轴已经成为为大众巴西有限公司生产零部件的目标。

这是基于大众研究所的研究成果。

关于微合金曲轴的这些结果接下来将做简短的讨论。

4大众研究所的研究最初，与传统产品相比，钢的含碳量从0.45%增加到0.54%以补偿由于省略了热处理步骤而导致的强度降低，但并没有获得期望的0.6或更高的屈强比。

随后通过进一步研究，钢中加入了V和Nb，在不明显改变抗拉强度的情况下提高钢材屈服强度，对材料机加工性能无恶劣影响。

对合金元素对这类钢强度的影响进行了研究，在下面的回归分析公式计算中，V和Nb对屈服强度的增加表现出很大的潜力。

Rp0.2(Kg/mm2)=111V+110Nb+98Mo+66C+35Cr+14Mn-7Rm(Kg/mm2)=102C+98Mo+69Nb+52V+38Cr+12Mn+24加热温度对用V或Nb进行微合金化的同一钢材的影响如图2所示。

对于低温加热用V 微合金化具有较高的屈服强度，但是在1250℃或以上温度Nb合金化的钢与用V微合金化的同一钢材相比具有更高的屈服强度。

对微合金钢的基本冶金学讨论已经超出了本篇工作的目的，因为这些相关问题已经在很多其它的刊物中论述过了[3~5]。

因此，这里只简单地解释图2中微合金的影响。

图2 在1175℃高温保温时Nb含量对奥氏体晶粒尺寸的影响图3 Nb（C、N）在奥氏体中的溶解度曲线在加热阶段，Nb原子可能溶于固溶体也可能部分沉淀析出，这主要取决于温度，中高碳钢中Nb和C含量如图3所示[6]。

在图中可以看出加热温度较低时，Nb原子不能溶于固溶体并随后以碳化物形式在奥氏体或铁素体中沉淀析出。

因此，Nb在奥氏体条件下细化晶粒以及在铁素体中的沉淀硬化对强度的贡献并不明显。

然而，应该注意Nb的碳化物颗粒在加热阶段不溶解，当尺寸合适和有效分布时将细化奥氏体晶粒。

另一方面，与Nb相比，V表现出相对较低的奥氏体溶解温度。

上述证明图2中Nb和V关于屈服强度增加的显著的微合金化行为是正确的。

在图中可以清楚地看到当加热温度在1250℃以上时，Nb的效果相当大。

从这可以得出一个结论，当Nb作为一种微合金添加元素时，对于一个给定的强度级别可以用更低的合金含量。

值得注意的是在应用中高强度必须与高韧性相匹配，两种微合金化元素的结合使用将产生非常好的结果。

在这种情况下，Nb起细化晶粒作用，V起沉淀强化作用。

作为大众研究所的研究结果，制定了两种合金设计方案，一种是V钢，另一种是Nb 钢，见表2。

大众曲轴的机械性能也同时在表中给出。

该钢疲劳性能相当于淬回火曲轴的性能。

表2 大众微合金化曲轴的化学成分和力学性能化学成分（％）力学性能CMnSiPSVNbRp0.2(MPa)Rm (MPa)Rp/Rm含V曲轴0.48-0.56 0.60-1.00 ≤0.40 ≤0.0350.035-0.0650.08-0.13- ≥450 800/900≥0.55含Nb 曲轴0.48-0.56 0.60-1.00 ≤0.40 ≤0.0350.035-0.065- 0.05-0.10≥450 800/900≥0.555在克虏伯冶金公司（KMCL）的研究进展鉴于德国大众研究所用Nb微合金化钢材取得的喜人的结果，KMVCL决定进一步研究此钢种的应用，在巴西大众车辆厂用于制造曲轴。

除Nb元素微合金化的技术结果外，KMCL还考虑了微合金化元素的可获得性。

因为与Nb不同，在巴西V主要依靠进口。

5.1试验结果根据大众研究所先前的研究和前面相关讨论，对于所考虑的钢种来说，当加热温度大于等于1150℃（图2）加入Nb获得效果加强。

在这种情况下，更多的Nb进入固溶体随后以碳化物形势在奥氏体和铁素体中沉淀析出。

大众研究所通过用复型技术对提取的沉淀物的电子探针分析说明随着加热温度的升高沉淀强化效果加强，见表3。

KMCL的试验是第一次使用油加热炉。

由于不能保持1260℃的最小的加热温度，所以没有获得足够的强度。

因此采用AEG型感应加热的方式使加热温度范围提高到1260-1290℃。

在1290℃以上温度加热将产生更高的强度和硬度促进零件在机加工过程中的后续过热。

表3 用碳复膜技术对提取的析出物进行分析加热温度（℃）铁素体中析出的Nb（％）850 0.017±0.0051250 0.028±0.0051280 0.035±0.005表4 两种不同冷却速率下的生产的锻造珠光体Nb微合金化曲轴的化学成分和力学性能a 化学成分C Mn P S Si Nb Cr Ni Mo0.53 0.86 0.021 0.045 0.26 0.075 0.08 0.05 0.03b 力学性能力学性能曲轴1Rp（MPa） Rm（MPa）Rp/Rm1BC 2BC 3BC 4084134067507597670.540.540.531MBC 2MBC 3MBC 485510518830852852Specification ≥450 800-9000.55 （1）BC-基础冷却MBC-冷床冷却在锻造珠光体微合金曲轴的生产中锻造后的冷却速率也被合理控制。

锻造零件在厢中冷却不能获得规定的最小强度要求，如表4所示。

此外，从该表也可以看出，零件加热到1270-1280℃并在低速移动的的冷床上风冷可以满足规定要求。

应该注意的是表Ⅳ中的两个结果是从同一化学成分的钢材获得的。

在感应炉中采取高温加热结合锻造后控制冷却产生锻造珠光体Nb微合金化的曲轴的性能与以前的淬火＋回火的零件性能相似。

在KMCL也进行了用V微合金化钢材的试验。

在这种情况下，在更长的移动床用较低的控制冷却速度可以获得非常高的硬度。

这对于工厂现存条件下的V微合金化来说是一个缺点。

5.2 商业生产在上述成功研制以后，从1976年以后KMCL已经开始为巴西大众供应锻造珠光体Nb 微合金化曲轴。

几年以后开始出口墨西哥大众公司。

从1976年2月到1983年6月一共制造了210万个用于空冷发动机的零件和110万个零件用于Passat汽车。

这些数据相当于消耗60000吨钢材。

应该注意直到现在没有发现任何关于使役性能问题的报告，这进一步证明了锻造珠光体Nb微合金化钢在曲轴应用方面的有效性。

6 结论用于曲轴的锻造珠光体Nb微合金化钢的应用已经被证明是一种传统淬回火产品的经济型代替品。

用V或Nb微合金化钢获得相当的性能，因此出于经济原因考虑，选择使用微合金化钢材。

总之，通过恰当的合金设计，满足加工所需的条件，利用Nb微合金化能够获得低成本产品。

参考文献1. J.H. Buches, "Microalloyed Hot Rolled Bars for Hot Forging Application" - Conference onSpecialty Steels and Hard Materials – Council for Scientific and Industrial Research, Pretoria, South Africa (nov. 1982).2. Volkswagen Research Institute Report VW-ZL-~ 72/20, Internal Publication (1972).3. Microalloying '75 Proceedings, Union Carbide Corp, N.York (1977).4. A.J. DeArdo, E.A. Ratz and P.J. Wray, "Thermomechanical Processing of MicroalloyedAustenite" - The Metallurgical Society of AIME, Conf. Proc, Pittsburgh, Pennsylvania(1981) .5. International Symposium Niobium 81, San Francisco (1981), in the press.6. J.E. Willians, I.D. Simpson and J.K. McDonald "Niobium in Rail Steels" - ibid 05.7. J.M. C h i l t o n and M.J. Roberts, "Structure-Property Relationships in Hot-Rolled LowCarbon Steels Finished at Normal Hot-Rolling Temperatures" - SeminarProceedings-Vanadium in High Strength Steel, Vanitec, 11-20, Chicago (1979).(大连东北特钢集团技术中心李凤敏译)。