鍛件用材——非調質鋼及其晶粒細化技術

  非調質鋼因節能、降成本、生產周期短和不存在調質工藝缺陷等優點，在汽車鍛件和工程機械上得到廣泛應用。高強韌化一直是非調質鋼的發展趨勢。從第1代49Mn VS3牌號非調質鋼開始，按照增加鐵素體含量和強化鐵素體的技術構想，發展了低碳、高錳的40Mn VS、38Mn VS、30Mn VS以及高硅的更高強度的38Si Mn VS和30Si Mn VS等典型鋼種，稱為高強韌性“珠光體-鐵素體”非調質鋼；低碳和中碳貝氏體非調質鋼以中溫轉變的粒狀貝氏體和粒狀組織為基體組織，相對 “珠光體-鐵素體”非調質鋼鍛件具有更好的強韌性配合。

  相對于相同強度等級的調質鋼鍛件件，非調質鋼鍛件、尤其是熱鍛非調質鋼鍛件的塑韌性較低。除上述組織因素影響外，熱鍛（熱軋）控冷工藝狀態下的非調質鋼鍛件及其制品，因為比調質鋼制品少一次820 ~880 ℃的低溫奧氏體重結晶工藝，其晶粒比調質鋼的粗大，是導致其韌性較低的另一重要原因。常用調質鋼零件在調質狀態下的原奧氏體晶粒度可以穩定在5~10級，而非調質鋼鍛件制品，尤其是鍛后控冷狀態的非調質鋼熱鍛件的原奧氏體晶粒度則較少達到7級，大部分在5級以下，如果控鍛控冷工藝不當，甚至粗至00級。

  鍛件利用Ti、Nb、V、Al、N、B微合金化對傳統鍛造用鋼鍛件進行適應性改造，控制其不同溫度區間析出物的數量和大小，達到析出強化、細晶強化或控制晶粒長大的作用，提高其力學性能和工藝性能。作為典型的微合金化非調質鋼，鋁鎮靜鋼中Al N晶粒細化的作用為眾人熟知。此外，齒輪鋼、彈簧鋼、冷鐓鋼等常用鋼種的微合金化改造又有新的進展。

    1、滲碳齒輪鋼鍛件的微合金化

  對傳統滲碳齒輪鋼進行微合金化，優化了高溫滲碳齒輪鋼、冷鍛齒輪鋼、細晶強化高強韌性齒輪鋼等先進齒輪鋼品種。

    2、高溫滲碳齒輪鋼鍛件

  常用滲碳齒輪鋼鍛件利用殘余的0.01%~0.05% Al，使其930 ℃奧氏體晶粒度細于5級，如果將Al含量穩定在0.02%~0.05%，提高N含量至0.010%~0.020%，控制Al/N比，則可以將Al N的溶解溫度即滲碳鋼的奧氏體晶粒粗化溫度提高至950 ℃，從而為高溫氣體滲碳工藝的應用提供材料支持。950 ℃氣體滲碳材料工藝技術均可在傳統的井式滲碳爐、多用滲碳爐和連續式無罐爐上實施，具有良好的應用前景。為減小或防止內氧化對齒輪滲層強韌性的影響，更高溫度的滲碳需要采用低壓真空滲碳技術，高溫低壓真空滲碳齒輪鋼的滲碳溫度高達970~1 050 ℃，此時單純利用Al、N的微合金化不能阻止奧氏體晶粒粗化，需要添加固溶溫度更高的氮化物如Ti、Nb等元素。Ti、Al、N復合微合金化齒輪鋼20Cr Mn Ti H在保溫時間為6 h情況下，其970 ℃和1 050 ℃加熱奧氏體晶粒度可分別達到8.0級和6.5級。在其中添加0.02% Nb，其1 000 ℃晶粒度可達到9.0級。

    3、冷鍛齒輪鋼鍛件

  冷鍛齒輪鋼鍛件同時融合了微合金化和熱機械軋制技術，添加Ti、Al、N或Ti、Nb、Al、N微合金化，以細化熱軋態晶粒，阻止冷鍛齒輪在后續加熱過程中的晶粒異常長大。熱機械軋制的目的在于細化熱軋交貨狀態晶粒度，通過應變誘發鐵素體析出，增加鐵素體含量，降低交貨狀態硬度。以上兩種技術的復合，使冷鍛齒輪鋼的塑性增強，臨界壓縮率達到80%，無需球化退火就能滿足冷鍛工藝要求；冷鍛成型后，可以省略再結晶退火，直接進行滲碳；滲碳后無需二次加熱淬火，就能達到晶粒度要求，達到節能降耗、簡化工藝、提高效率的目的。