热锻用非调质钢推广应用中的问题与对策

0.075%Ti
950℃
924℃
**形变前奥氏体晶粒尺寸 D0=125μm
资料[1]的作者，试验测定了三种微合金钢在热变形量分别为 20%和 35%两种情况下的 静态再结晶的最高温度（表 4）。在表中特定的变形量下，高于表中温度，材料将只可能发 生动态再结பைடு நூலகம்或准动态再结晶，相对于 V、Ti 微合金化，Nb 微合金化对延滞动态再结晶， 从而提高静态再结晶临界温度更有效。
静态再结晶过程。
a) 制坯（1130℃）
b) 预锻（1100℃）
c) 终锻（1050℃）
图 2 30MnSiVS 转向节各锻造工步完成时的奥氏体晶粒形貌
⋅
动态再结晶晶粒的平均直径仅仅取决于Zener-Hollmon因子 Z = ε exp(Q / RT ) ，而与形
变前的原奥氏体晶粒尺寸无关[2]，若锻坯在制坯、预锻、终锻各工步均能完成动态再结晶， 锻件低温相变前的原奥氏体晶粒度将与锻造加热、制坯、预锻等工步无关，而仅仅与终锻工
1
零件名称
调质钢
设计认证的 非调质钢
曲轴
40Cr 42CrMoH
48MnV 40MnVS 38MnS6
连杆
40Cr 40MnBH
C70 S6 38MnSiVS
前轴
50# 42CrMoH
12Mn2VB 25Mn2CrVS 30SiMnVS
连通轴
40CrH 40MnBH
38MnSiVS
42CrMoH
转向节
Rm
Rp0.2 A5 Z
KU2
（MPa） （MPa） （%） （%） （J）
820
550
20
60 ≥50
840
540
19
59 ≥50
840
570
14
45 ≥30
900
600
16
≥15
820
510
13
30 ≥8
综合成本 （%）
104 100 100
锻件名 称
前轴 前轴 前轴 连杆 曲轴
2. 汽车保安件对冲击韧性的要求
转向系、悬挂系、驱动系等有较高安全性要求的零件，可能存在风险； 3) 950MPa 级的中低碳贝氏体非调质钢，韧性不稳定，成本较高，适合用于代替部分对屈
服强度要求较低的 42CrMo 调质零件； 另外，调质钢零件锻造余热淬火工艺的逐步完善和推广，对非调质钢的应用同样构成了 竞争。调质钢零件锻造余热淬火工艺相对于再加热淬火，可以降低约 60%的能耗，相对于 非调质钢零件，则具有更高强韧性（表 2）
0.25
3.4. 复合微合金化，细化终锻工步的动态再结晶晶粒，阻止此后的晶粒长大 非调质钢在锻造控冷过程中，随着变形温度和变形量、变形速率的变化，理论上可能发
生的再结晶过程为： 1) 动态回复与再结晶； 2) 动态回复与再结晶——准动态再结晶； 3) 动态回复——静态再结晶。
4
完成再结晶后，将进入晶粒长大阶段。因此再结晶晶粒度、高温奥氏体晶粒长大倾向、
3. 汽车公司保证非调质钢锻件强韧性的一般方法
如前所述，非调质钢热锻件塑韧性不足，限制了其在汽车底盘零件，特别是保安件上的 应用。为了消除这一技术障碍，汽车行业和钢铁行业都进行了长久努力，笔者结合自身工作 经验，总结了如下几个行之有效的措施。 3.1. 选用中低碳“珠光体-铁素体”非调质钢
如表 2 所示，在相同的强度等级下，碳含量较低的 30MnSiVS 与碳含量较高的 48MnV 相比，前者具有更好的韧性。主要原因在于铁素体的韧性高于层片状的珠光体，而前者组织 中铁素体含量达到 40%以上，后者的仅为 10%左右，尽管后者同样存在少量的晶内铁素体， 但从几何上看，完全可能被裂纹绕过，起不到增加裂纹扩展功的作用（图 1）。
汽车前轴、轮毂、转向节、转向节臂、传动轴叉，等等，这些零件的失效，可能导 致车毁人亡的安全事故，被列为保安件。这些零件必需足够的可靠性和安全性。零件的可靠 性，可以通过疲劳台架试验和道路试验进行技术验证，安全性的保证除了需要足够的可靠性 和抗过载断裂能力外，其承受冲击载荷的能力、以及缺口敏感性同样十分关键。后两者，则 主要与材料的塑韧性有关。
热锻用非调质钢推广应用中的问题与对策
高亮庆，张峰
（东风商用车有限公司工艺研究所，442001）
摘要：热锻用非调质钢锻件能够实际应用的必要条件包括：与调质钢锻件相比具有综合成本 竞争力，强韧性水平满足零件性能要求。强韧性不足，是制约非调质钢锻件在汽车行业推广 应用的主要技术障碍。可以从材料选择、锻造控冷工艺优化、材料锻造控冷工艺性能改善等 方面采取措施，改善非调质钢锻件的强韧性。非调质钢锻造控冷工艺性能需要运用热变形再 结晶图、奥氏体连续转变冷却曲线、高温奥氏体晶粒度等数据进行评价。 关键词：非调质钢 综合成本 强韧性 锻造控冷工艺性能 高温奥氏体晶粒度 热变形再结晶 图
表中反映出，非调质钢应用最为广泛的零件是发动机曲轴和连杆。这是因为，经过长期 的实践证明，这两个零件，对于材料韧性没有过高的要求，中、高碳“珠光体-铁素体”非 调质钢即使韧性较低，也能满足要求。
30MnSiV 能够部分用于汽车前轴，在于其碳含量较低，通过增加铁素体含量，控制强 度，保证了塑韧性。但这样做，其强度等级限定于 800MPa 级这一较低水平，相对于同一强 度等级的 50#调质前轴，30MnSiV 前轴不再有成本优势。低碳贝氏体非调质钢能够成功用于 卡车前轴，同样归功于其具有良好的强韧性配合，但只有代替 42CrMoH 调质前轴才能有成 本优势，这时却面临着屈服强度偏低的窘境。
轻型商用车转向节在“制坯-预锻-终锻”三个工步的坯料变形温度在 1130℃~1050℃之 间。为验证上述结论，我们测定了 30MnSiVS(0.12%V-0.027%Ti)坯料在三个工步锻后立刻淬 火组织的原奥氏体形貌，发现锻坯不同部位晶粒存在大小差异，预锻工步的有混晶，但均为
等轴晶粒。可以推定，材料在各工步锻造变形时已经完成动态回复与再结晶，不存在后续的
笔者经过实践证明，保安件要求一定的冲击韧性是必需的。用于焊接结构的驱动桥轴管、 传动轴叉等零件，可能存在裂纹、裂缝等尖锐的焊接缺陷，必需的冲击韧性可以参照工程构 件的要求确定；其他非焊接结构件，容易防止内部出现裂纹等非连续性缺陷，但在生产过程 中或用户使用过程中，均可能存在应力集中圆角或表面磕碰伤，因此同样需要一定的塑韧性， 以降低缺口敏感性，但是，要求的冲击韧性可以采用机械行业常用的 KU2。汽车非焊接结 构保安件必需的最低冲击韧性是多少，还未见公开报道。因为难以试验确认，各公司的要求 可能差异较大，以前轴为例，A 公司参照使用了 40 多年的 50 钢(GB/T 699)前轴材料必需的 最低冲击韧性，要求非调质钢前轴冲击韧性 KU2≥31J，B 公司则没有明确要求。
3
a) 30MnSiVS
b) 48MnV
图 1 两种 800MPa 级非调质钢热模锻件组织形貌
3.2. 选用低碳贝氏体非调质钢
常用的贝氏体非调质钢锻件中，可能主要包括粒状组织、粒状贝氏体两种组织，如果冷
速过低，可能出现少量的先共析铁素体或珠光体。其中 12Mn2VB锻件中粒状组织较多，材 料强度较低而韧性较高；25Mn2CrVS锻件中则多为粒状贝氏体和少量珠光体，其抗拉强度 较高，可达到 960MPa以上，而韧性较低，冲击功UK2一般为 20~40J，尽管如此，相对于相 同强度等级的“珠光体-铁素体”非调质钢锻件，其韧性已经大为改善。 3.3. 不过分追求易切削化，降低硫含量
为防止脆性断裂，钢铁构件必需的冲击韧性一直是一个经验统计值。例如，1952 年美 国国家标准局通过统计分析提出，防止船舶用钢板脆性断裂的冲击韧性为 KV2≥21J，而 1978 年联邦德国提出焊接构件防止脆断的冲击韧性为 KV2≥27J，我国西安交通大学强度所 对脆断事故调查分析后，提出工程机械零件防止脆性断裂的冲击韧性为 KV2≥30J。
40CrH
38MnSiVS
40MnBH
42CrMoH
转向节臂
40CrH
25Mn2CrVS
40MnBH
42CrMoH
万向节叉
40CrH
38MnSiV
40MnBH
贯通轴
40MnBH
半轴
40MnBH
推力杆头
35 45
30MnV
冲焊桥壳轴 管
30Cr 40Cr 40MnBH
35MnV
钢板弹簧吊 耳
45
45V
增加钢材的硫含量，对于改善其切削性能非常有利，对其纵向强度和塑韧性的影响较小，
但会增加材料的各向异性，降低材料横向性能和扭转性能。为了试验加硫易切削化对感应淬
火扭杆性能的影响，对两种不同硫含量的中碳 Mn-V 系非调质钢“淬火+低温回火”状态下 的纵向和横向性能进行了对比试验，试验数据如表 3，由此可见，“淬火+低温回火”状态下， 硫含量对钢材纵横向性能均具有显著影响。
●
◎
韧性不稳定
0
●
●
●
●
◎
韧性不稳定
0
●
●
●
●
◎
韧性不稳定
0
●
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●
0
○
●
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0
○
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0
○
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0
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0
◎
●
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●
○
屈服强度低
●
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●
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●
◎
韧性不稳定
●
●
2
50# 再加热淬火 50# 锻造余热控温淬火
30MnSiVS 锻后控冷 38MnSiVS 锻后控冷 48MnV 锻后控冷
表 2 不同材料工艺方案锻件性价比
φ (MPa)
τm/Rm
冲击 KU2 (J)