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重型汽车半轴用非调质钢的应用进展

来源:2018′第四届钢锭与锻件生产新工艺、新技术峰会论文集|浏览:|评论:0条   [收藏] [评论]

重型汽车半轴用非调质钢的应用进展严超峰1 包耀宗2 王欢锐3 董立社3 谢 余1 李 栋1 (1. 陕西东铭车辆系统股份有限公司 技术中心,陕西 铜川 727031;2. 钢铁研究总院,北京 10…

重型汽车半轴用非调质钢的应用进展

严超峰1  包耀宗2  王欢锐3  董立社3  谢 余1  李 栋1

(1. 陕西东铭车辆系统股份有限公司 技术中心,陕西 铜川  727031;2. 钢铁研究总院,北京  100081;3. 陕西汉德车桥有限公司 技术中心,陕西 西安  710201)

摘  要:本文概述了重型汽车半轴用高性能非调质钢国内外应用现状。在此基础上,探讨了一种Nb-V-Ti复合微合金化非调质钢45MnSiVSQ代替42CrMo调质钢重型汽车半轴绿色节能制造工艺方法,通过该方法的实施,取消了调质热处理工序,可节约能耗40-50%,还可以降成本10-20%,其技术指标达到国内先进水平,并展望了该非调质钢在我国汽车行业的应用前景。

关键词:重型汽车;半轴;非调质钢;绿色节能制造。

Application prospect of microalloyed forging steels for heavy duty truck axle shaft

Yan Chaofeng1,Bao Yaozong2,Wang Huanrui3,Dong Lishe3,Xie Yu1,Li Dong1

(1. Shaanxi Dong Ming vehicle system co. Technology center, Shaanxi Tongchuan 727031, China;

2. Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081, China;

3. Shaanxi HanDe Axle Co. Innovation center,shannxi,Shaanxi ,Xi 'an 710201, China)

Abstract: This article summarizes the heavy duty truck axle shaft with high-performance microalloyed forging steel application status at home and abroad.On this basis, this paper discusses the compound a Nb,-V- Ti micro alloying microalloyed forging steel 44MnSiV(+ Nb, +Ti ) instead of 42CrMoH quenched and tempered steel heavy manufacturing automotive axle shaft green energy method, the method of implementation, cancelled the tempering heat treatment process, can save 40-50% of energy consumption, can also be 10-20% cost reduction, the technical level can reach and surpass the developed countries in the field of application, and forecasted the microalloyed forging steel in our country automobile industry application prospect.

Key words: Heavy duty truck; Axle shaft; Microalloyed forging steels,;Green energy saving manufacturing.

近年来随着我国汽车产量和汽车保有量的增加,据不完全统计2016年汽车产量达到2800万辆(乘用车2400万辆,商用车400万辆),连续八年蝉联全球第一,保有量接近1.94亿辆(机动车保有量2.9亿辆),其中重卡2016年销量73万辆,全国保有量接近650万辆,按照重卡5-8年的更新周期,每年的更新需求在65-110万辆,汽车制造能耗也迅速增大,而汽车用非调质钢的应用可以有效的节能减排,并降低成本。应用非调质钢可节约零件制造能耗的30-50%,还可以降低成本的10-20%,同时还可以减少调质过程中淬火引起的变形开裂,从而简化校直工序。2016年我国汽车用钢约5800万吨(特钢超过1500万吨),其中非调质钢需求量超400万吨,实际生产量超过100万吨,热锻用非调质钢超过20万吨。(参考文献[1],数据来源于中汽协网)

非调质钢是通过微合金化(添加Nb、V、Ti、N、B等)、控轧(锻)控冷等强韧化方法,取消了调质热处理,达到或接近调质钢力学性能的一类优质或特殊质量结构钢,是非调质中碳微合金结构钢的简称,又称微合金化钢,其发展是在20世纪70年代因石油危机的推动发展起来的,主要是简化工艺取消调质热处理,降低能耗,并降低制造成本。

非调质钢由于具有一系列优点,在汽车工业得到广泛的应用,国外的德国、瑞典和日本对非调钢的研究与应用比较好,1972年德国THYSSEN公司开发了第一个热锻微合金化中碳钢49MnVS3(铁素体+珠光体,抗拉强度Rm>850MPa)代替40CrMn调质钢主要用作奔驰汽车发动机曲轴,大众公司用27MnSiVS6非调质钢制造的轿车连杆年产250万件左右,德国目前汽车行业中曲轴、连杆、前轴、半轴等锻件70%以上采用非调质钢制造;瑞典Volvo汽车制造厂每年约消耗3万吨非调质钢制造汽车零部件;美国福特、意大利菲亚特及俄罗斯伏尔加汽车都采用非调质钢来制造曲轴、连杆等零件。在新品种与新技术的开发及推广方面,近几年日本占领了世界领先地位,日本目前汽车制造业中90%以上的曲轴、连杆均已采用了非调质钢制造。

我国于上世纪80年代开始研究非调质钢,“七五”期间列入国家重点攻关项目,“八五”期间进行了重点推广应用,“九五”到“十二五”期间主要面向乘用车连杆、曲轴、转向节、前轴、半轴等非调质钢进行开发并扩大应用数量和范围,其抗拉强度Rm在600-900MPa,与国外发达国家相比应用数量,种类及高性能还有较大差距,特别是在重型汽车高性能热锻非调钢的应用领域差距更大。

有鉴于此,本文的主要目的在于探讨一种Nb-V-Ti复合微合金化非调质钢45MnSiVSQ重型汽车半轴的制造工艺方法,以实现我国重型汽车半轴高性能热锻非调质钢的应用。

1 国内外应用现状

目前非调质钢已获得了广泛的应用,特别是在汽车制造业。德国蒂森公司开发的第一个非调质钢49MVS3,替代调质钢被用于大规模生产汽车曲轴,提高了曲轴锻件的成品率、切削加工性能、疲劳性能、生产效率、降低了制造成本。由于优异的性能和特点,欧美、日本等国家钢厂均研制了多种非调质钢并应用于汽车曲轴、连杆、半轴、转向节、转向臂等锻件。近年来日本研究微合金非调质钢最为活跃,处于世界先进水平,非调质钢广泛应用于汽车的底盘件和发动机的曲轴、连杆等锻件,并在我国申请了多项发明专利,同时对非调质钢的应用进行扩展,例如软氮化用非调质钢以及软氮化部件(CN201180056073.7),非调质钢以及非调质钢部件(CN201280024294.0),非调质钢棒材(CN201380003849.8),氮碳共渗的曲轴及其制造方法(CN201410178233.0)等。

我国的非调质钢的应用也有很大的成果,在90年代以来国外开发了强度级别更高的非调质钢,其强度级别达到950MPa以上,典型的牌号有蒂森公司的MnSiVS系列,C70系列,还有日本新日铁NQF系列、三菱制钢VMC系列、大同制钢UDK系列、神户制钢的KNF系列等广泛应用于汽车前轴、发动机连杆、转向节、转向臂,其中神户制钢KNF33MKM强度级别达到了1150MPa。

近年来我国国外合作项目及技术引进项目促进了非调质钢的研发和推广应用。典型的牌号有F70VS,F38MnVS,F45MnVS,F49MnVS、F12Mn2VBS、F25Mn2CrVS(GB/T16712-2016)等非调质钢替代45、40Cr、42CrMo调质钢被广泛用于制造汽车发动机曲轴、连杆、前轴、转向节、转向臂、半轴、传动轴、轴叉等零件。汽车企业、钢铁企业在钢铁研究院等科研机构的推动下研发的直接切削用非调质钢SG420X系列广泛应用于注塑机拉杆、风机轴,HL610,HL740用于油缸活塞杆等;锻造用非调质钢C70S6、38MnVS6、38MnSiVS6、C38MnVNS5、C38N、C38N2、36MnVS4、38MnSiVS4、46MnVS5、一汽FAS系列等广泛应用于汽车发动机曲轴、连杆、前轴、转向节、半轴、轮毂等。

文献[2]汽车后桥半轴高性能非调质钢的开发及应用研究结果表明,该钢FAS2340(代替42CrMo)抗拉强度可达840-900MPa,在锻造花键和法兰盘过渡区晶粒度2-3级,不能满足集团公司引进国外某公司半轴用非调质钢技术条件抗拉强度950-1100MPa,晶粒度不低于4级的技术要求,鉴于此我公司在北京钢铁研究院的协助下,联合江苏淮钢、西宁特钢等国内知名特钢企业研发了45MnSiVSQ钢并进行了试验研究及产品应用,其抗拉强度大于950MPa,晶粒度达到5-8级,制成的半轴产品进行了静扭强度试验达到了56000N.m的水平。

2  Nb-V-Ti复合微合金化非调质钢45MnSiVSQ重型汽车半轴的制造工艺

2.1 半轴用非调质钢45MnSiVSQ冶炼和检验

新开发的45MnSiVSQ钢的工业化冶炼在西宁特钢进行实验研究并在江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司进行了工业冶炼应用。实验研究采用感应炉冶炼860kg钢锭一支锻制成φ45和φ60规格并进行检验,表1为实验材化学成分检验结果。

1 实验材料的化学成分 (质量分数,%)

规格

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

Φ45

0.45

0.56

1.26

0.020

0.005

0.26

0.16

0.04

Φ60

0.46

0.56

1.26

0.019

0.004

0.26

0.16

0.04

规格

Al

V

Nb

Ti

N

H

O

Fe

Φ45

0.020

0.12

0.020

0.022

144ppm

1.06ppm

19ppm

Bak

Φ60

0.020

0.12

0.018

0.014

144ppm

1.06ppm

19ppm

Bak

表2为实验材料低倍组织检验结果按GB/T226进行检验并按GB/T1979进行评级,从腐蚀后的低倍组织来看,未发现缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮和白点等缺陷。

2 实验材料的低倍组织(级别,级)

规格

中心疏松

一般疏松

偏析

其他偏析

Φ45

1

1

1

Φ60

1

1

1

表3为实验材料非金属夹杂物检验结果按GB/T10561进行检验并评级。

3 实验材料的非金属夹杂物(级别,级)

规格

A

A

B

B

C

C

D

D

Φ45

0

0.5

1.0

0

0

0

0

0

Φ60

0

0.5

1.0

0

0

0

0

0

表4为实验材料机械性能检验结果按GB/T2975,GB/T228和GB/T229进行取样检测

4 实验材料的机械性能

规格

抗拉强度

Rm/MPa

屈服强度Rel/MPa

延伸率A/%

断面收缩率/Z%

硬度

/HB

热处理

工艺

取样

位置

Φ45

1057

774

-

-

331

锻材

1/2R

935

628

20

46

266

920正火

1/2R

904

606

21

59

163

880正火

1/2R

Φ60

1063

746

10

14

283

1200正火

1/2R

表5为实验材料端淬检验结果按GB/T225进行检测,钢材经880℃正火,端淬温度850℃。

5 实验材料的端淬试验(硬度,HRC

规格

mm

1.5

3

5

7

9

11

13

15

20

Φ45

硬度

55

-

54

-

49.5

-

-

40

35

Φ60

硬度

59

58

57

55

52.5

49

45

42.5

37.5

图1(a、b、c、d)为实验材φ60规格经880℃×2.5h正火金相组织,组织组成物为铁素体(含量31-34%)+珠光体,组织均匀分布,晶粒度8级,带状组织1级。


图2(a、b)为实验材φ60规格经1200℃×0.5h正火金相组织,组织组成物为珠光体+铁素体,块状铁素体不均匀分布,晶粒度2级,晶粒明显粗化。


图3(a、b、c、d)为实验材进行晶粒粗化试验,钢材经加热保温0.5h空冷后进行进行晶粒度检测,该钢加热至1100℃后,晶粒开始明显粗化,平均晶粒度在4级时加热温度约为1120℃,因此要保证该半轴锻压成型过程中未发生形变的过渡区晶粒在4级以上,其锻造温度不易超过1120℃。



2.2 工艺试验

因锻造加热温度会影响半轴毛坯的成型、晶粒度和弥散相的析出,所以对锻造加热温度进行控制1100℃-1150℃,试验材为江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司进行工业冶炼经转炉→LF精炼→RH真空脱气→连铸→控轧控冷,制成φ60规格200t,表6为试验材化学成分检验结果。

6 试验材料的化学成分 (质量分数,%)

规格

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

Φ60

0.45

0.58

1.36

0.010

0.002

0.22

0.14

-

规格

Al

V

Nb

Ti

N

H

O

Fe

Φ60

0.021

0.13

0.025

0.020

157ppm

1.1ppm

13ppm

Bak

表7为试验材料低倍组织检验结果按GB/T226进行检验并按GB/T1979进行评级,从腐蚀后的低倍组织来看未发现缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮和白点等缺陷。

7 试验材料的低倍组织(级别,级)

规格

中心疏松

一般疏松

偏析

其他偏析

Φ60

1

1

1

表8为实验材料非金属夹杂物检验结果按GB/T10561进行检验并评级。

8 试验材料的非金属夹杂物(级别,级)

规格

A

A

B

B

C

C

D

D

Φ60

0.5

1.5

0.5

0.5

0

0

1.0

1.0

表9为实验材料机械性能检验结果按GB/T2975,GB/T228和GB/T229进行取样检测

9 试验材料的机械性能

规格

抗拉强度

Rm/MPa

屈服强度Rel/MPa

延伸率A/%

断面收缩率/Z%

硬度

/HB

热处理

工艺

取样

位置

Φ60

1006

692

19

45

283

轧材

1/2R

931

614

18

41

272

880正火

1/2R

表10为实验材料端淬检验结果按GB/T225进行检测,钢材经880℃正火,端淬温度850℃。

10 试验材料的端淬试验(硬度,HRC

规格

mm

1.5

3

5

7

9

11

13

15

20

Φ60

硬度

-

57

-

-

51.5

-

-

44

-

图4(a、b、c、d)为实验材规格φ60轧材金相组织,组织组成物为铁素体+珠光体,晶粒度8级,带状组织4级,存在严重的组织偏析现象,影响后续半轴产品疲劳寿命。


半轴毛坯经控锻控冷后进行中频整体表面感应淬火处理,表11为感应淬火工艺参数,半轴经感应淬火后杆部表面硬度59-61HRC,花键表面硬度55-57HRC,经200℃×2h回火后杆部表面硬度57-59HRC,花键表面硬度54-56HRC,有效硬化层深度10-13mm。

11 半轴产品中频感应淬火工艺参数

规格

中频电压

/V

中频电流/A

中频功率/KW

中频频率/Hz

加热时间/s

冷却时间

/s

水溶性

淬火介质

Φ60

583

499

289

2692

71.5

      70

型号ZY747

温度20-40

浓度10-15%

585

548

316

2726

583

571

331

3051

580

507

293

3070

575

614

359

3002

12为试验半轴经中频整体表面感应淬火、回火处理后,以两端面中心孔定位,用百分表检测不同部位圆周跳动变形数据。附图5为该试验半轴示意图,与常规42CrMo相比变形较小校直工序简单效率提升达50%,常规42CrMo经中频整体表面感应淬火、回火后杆部跳动3-6mm,校直难度较大,效率较低。

12 试验半轴不同部位跳动变形情况(跳动,mm

序号

法兰根部

杆部

花键根部

状态

要求

≤0.40

≤1.5mm

≤0.15mm

1

0.35

0.60

1.00

感应淬火、回火后

0.10

1.20

0.20

校直

2

0.50

1.00

1.10

感应淬火、回火后

0.40

1.00

0.15

校直

3

0.25

1.50

1.50

感应淬火、回火后

0.10

0.40

0.20

校直

4

0.30

1.60

1.20

感应淬火、回火后

0.30

1.00

0.10

校直

5

0.40

1.40

1.20

感应淬火、回火后

0.35

1.20

0.15

校直

6

0.20

1.50

0.10

感应淬火、回火后

0.20

1.50

0.10

免校直

平均

0.33

1.27

1.02

感应淬火、回火后

0.24

1.05

0.15

校直


表13为试验半轴产品进行静扭强度试验,试验按QC/T293,QC/T294标准执行,试验Mj=24000N.m,试验频率1.5Hz,静扭后备系数>1.8,对静扭试验失效件2失效位置进行理化分析,表面马氏体按JB/T9204进行评级为6级,心部铁素体晶粒度按GB/T6394进行评级5-8级,断口部位表面硬度56.5HRC,心部硬度297HBW5/750,有效硬化层深度DS(450HV1)=12.4mm。

13 试验半轴产品静扭试验数据

序号

 角速度/°/min

破坏扭矩

/N.m

扭转角

后备系数

/k

断裂失效位置

1

72

56117

192.3

2.34

花键与杆过渡部位

2

72

55609

180.2

2.32

花键与杆过渡部位

14为试验半轴产品静扭试验断口部位有效硬化层内硬度梯度数据,符合产品技术要求表面硬度54-58HRC,心部硬度不低于28HRC

14 试验半轴产品静扭试验断裂部位有效硬化层硬度梯度数据

距离/mm

表面

4

6.3

8.5

10.2

10.5

12.8

14.1

硬度/HRC

56.5

54.5

54

52

49.8

49.0

48.2

32.5

对试验半轴产品静扭试验断口部位形貌进行扫描电镜分析,图6(a、b、c)为断口形貌,裂源部位无明显的钢材冶炼和锻造缺陷。


2.3 结论

通过一种Nb-V-Ti复合微合金化非调质钢45MnSiVSQ(代替42CrMo)的实验研究及工业生产应用于重型汽车半轴绿色节能制造工艺的实施,取消了半轴调质热处理工序,可节约该半轴制造能耗的40-50%,还可以降成本10-20%,其技术指标达到国内先进水平。

3 展望

随着国家供给侧结构改革,钢铁行业去产能政策的实施,国内汽车用钢价格受市场经济影响大幅上涨,各汽车企业对零部件低成本化的要求不断提高,在这方面对非调质钢有很大的期待。为进一步实现汽车零部件的低成本化,除了非调质钢材料的开发,汽车制造工艺创新改进也很重要,通过汽车制造企业、钢铁企业和科研院所的携手合作,可以预期非调质钢将会得到更大的发展。

目前,我国高强度(抗拉强度大于950MPa级)非调质钢应用量远比不上欧洲和日本,因而未来还有很大的发展空间。我们公司在北京钢铁研究院的协助下联合国内知名特钢企业组成非调质钢研发团队,对标欧美MnSiVS系列非调质钢,开发了大杆径轴类用高强度中碳非调质钢45MnSiVSQ(代替42CrMo),其技术指标已达到国内领先水平,与FAS2340比较主要解决的问题有:1)非调质钢强度提升和晶粒粗化的问题。首先是研究了钢材成分设计微合金元素的含量配比及冶炼添加方式不同对非调质钢性能的影响。其次是冶炼过程中非金属夹杂物的控制。再就是受控轧(锻)控冷装备影响,非调质钢的性能主要是通过前期的冶炼控制和后期的大的压缩比及低温轧制以确保其优异的性能。2)价格较贵。目前市场上非调质钢的价格已远远超出调质钢的价格,阻碍了非调质钢的市场应用拓展,通过汽车企业、钢铁企业和科研院所联合研发形成战略合作关系以确保非调质钢合理的定价。据不完全统计2016年我国特钢消耗40Cr和42CrMo超过1500万吨,可以预期该钢45MnSiVSQ将会得到很大的应用。

参考文献

[1] 陈蕴博. 马鸣图.王国栋,汽车用非调质钢研究进展[J]: 中国工程科学, 2014. 16(2):4-18.

[2] 应善强..曹正等,汽车后桥半轴用高性能非调质钢的开发及应用研究[J]: 汽车技术,2009,(5):53-56.

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