高品質呼喚高技能———汽車零部件用鋼技術發(fā)展趨勢分析
發(fā)布時間：
2014-03-27 10:02
2013年我國汽車市場需求在2080萬輛左右，增長率為7%。預計2015年我國汽車總量將達到2350萬輛，2020年將達到2500萬輛。汽車的發(fā)展正朝著高功率輸出、輕量化、高性能、長壽命、降低噪聲、運行平穩(wěn)、安全可靠、環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟低成本、易加工、多品種等方向發(fā)展。汽車零部件用鋼是汽車的關鍵零件，是保證汽車運行性能核心部件的制造材料。汽車的發(fā)展方向對汽車零部件用鋼的發(fā)展提出了更高的要求。
產(chǎn)品要求：高韌性、高精度、節(jié)能環(huán)保
汽車零部件用鋼應用在汽車內的四大系統(tǒng)中：
發(fā)動機系統(tǒng)用鋼：發(fā)動機是汽車的動力之源。其中典型零件有曲軸、連桿、凸輪等以非調質鋼為主，燃油噴射系統(tǒng)以油泵油嘴用鋼為主，閥門用鋼以氣閥鋼為主。
變速與傳動系統(tǒng)用鋼：變速與傳動系統(tǒng)是一輛車的靈魂，其中齒輪圈、齒轂、齒輪、齒輪軸以齒輪鋼為主。傳動系統(tǒng)更像是動物的腰部和脊椎，包括傳動軸、半軸、前軸等，以傳動軸用鋼為主。
懸掛與轉向系統(tǒng)用鋼：懸架系統(tǒng)就是汽車的腿，包括懸架簧、穩(wěn)定桿、扭力桿、減震器等，以彈簧鋼為主。轉向系統(tǒng)是汽車的行駛方向，包括萬向節(jié)、球頭、轉向機、輪轂、軸承等，其中輪轂、軸承以軸承鋼為主，萬向節(jié)、球頭、轉向機等以齒輪鋼為主。
標準件系統(tǒng)用鋼：以緊固件用冷鐓鋼為主。
汽車行業(yè)應用系統(tǒng)要求：汽車零部件具有高性能、長壽命、易加工、低噪音、表面精度高、高強度的特性；實現(xiàn)汽車的輕量化與緊湊化，通過提高效率來減少CO2排放。
汽車行業(yè)對材料的要求是：汽車零部件用鋼具有高強韌性、易切削、高尺寸精度、低合金化、環(huán)境友好、省略熱處理的特點。汽車零部件用鋼材料發(fā)展共性技術發(fā)展趨勢見附表。
技術趨勢：精確控制、均勻成分、微合金化
汽車的科技進步帶動了汽車零部件的科技發(fā)展，而零部件的科技發(fā)展又促進了汽車的科技進步和科技創(chuàng)新。
高品質齒輪鋼、高品質彈簧鋼、高品質非調質鋼、高品質緊固件用鋼、高品質軸承鋼、高品質氣閥鋼是汽車零部件用鋼中使用特殊合金鋼要求較高的關鍵材料代表。汽車零部件用高品質特鋼朝著輕量化、高性能、長壽命、運行平穩(wěn)、低噪音、安全性、節(jié)能、低成本、易加工、多品種等方向發(fā)展。汽車零部件用高品質特鋼的技術質量發(fā)展方向是鋼材高強韌性、高純凈度、高均勻性、超細晶粒度、高表面質量、長疲勞壽命。
高品質齒輪鋼的發(fā)展趨勢。高品質齒輪鋼在品種多樣化、易切削、環(huán)保、低合金化降低成本、低噪聲、運行平穩(wěn)、鋼材均勻性好、熱處理變形小等方面不斷發(fā)展。
評價齒輪鋼的技術質量特性值集中在淬透性、純凈度、晶粒度、帶狀組織等方面。
淬透性的高低和淬透性值的穩(wěn)定性是評價齒輪鋼質量的重要指標。淬透性帶控制的追求目標是≤3HRC。
齒輪鋼的潔凈度對齒輪疲勞壽命的影響已越來越受到人們的關注。鋼中存在的氧化物和硫化物夾雜，以及有害元素如N、H、O、P、S 等，會降低鋼材的力學性能，惡化鋼材的工藝性能，從而影響汽車滲碳齒輪的使用壽命。齒輪鋼氧含量控制的追求目標是[O]≤10ppm。高品質齒輪鋼中禁止加Ti、Ca，且規(guī)定鋼中Ti≤0.01%、Ca≤0.0005%。非金屬夾雜物控制的追求目標是A≤2級、B≤2級、C≤1級、D≤1級。
晶粒大小是齒輪鋼的一項重要指標。齒輪鋼中細小均勻的奧氏體晶粒淬火后得到細馬氏體組織，明顯改善齒輪的疲勞性能，同時減少齒輪熱處理后的變形量。細小均勻的奧氏體晶粒度對零件的強度、韌性均有特殊貢獻。特別是對提高齒輪的斷裂韌性，增強齒輪的脆斷抗力具有重要意義。齒輪鋼晶粒度要求≥6級。目前國際上為獲得高溫（＞960℃）滲碳齒輪鋼，冶煉時添加或復合添加微合金元素Nb、V、Zr等，在鋼中形成合金碳氮化物，鋼的晶粒度≥8級。
帶狀組織是鋼的組織缺陷。對齒輪鋼而言，嚴重的帶狀組織將影響滲碳的均勻性，增加淬火變形程度，使?jié)B碳齒輪尺寸精度差。因此，齒輪鋼的帶狀組織控制的追求目標是不大于2級。
高品質非調質鋼的發(fā)展趨勢。非調質鋼是在中、低碳鋼或中、低碳錳鋼中添加微合金元素（V、Ti、Nb、Al、B或N），通過控軋(鍛)控冷工藝，充分發(fā)揮沉淀強化、細晶強化和相變強化等作用，使鋼材在熱軋（鍛）后無須調質處理，其強度和硬度可達到調質鋼水平，同時具有一定塑性、韌性的高效節(jié)能鋼。非調質鋼是同時滿足高性能和低成本要求的環(huán)境友好型鋼材。
汽車曲軸、連桿、前軸、半軸、工字梁、轉向節(jié)、轉向節(jié)臂、凸輪軸等用鋼材料的選擇，呈現(xiàn)以非調質鋼逐漸代替調質鋼的趨勢。其中，從減少加工工序、提高生產(chǎn)率出發(fā)，對連桿用鋼材料的選擇正呈現(xiàn)以漲斷材料逐漸代替非漲斷材料的趨勢。
評價非調質鋼技術質量的特性值包括碳當量、碳偏析、氧含量、晶粒度、脫碳層、力學性能、鐵素體含量、夾雜物水平等。例如，碳當量范圍值控制的追求目標是≤0.02%。鋼材全截面的碳偏析控制的追求目標為≤0.03%。奧氏體晶粒度控制的追求目標為不粗于8級。顯微組織應為珠光體+鐵素體。脫碳層要求鋼材每邊脫碳深度（鐵素體+過渡層）控制的追求目標是≤鋼材直徑的0.5%。氧含量控制的追求目標為≤15ppm。帶狀組織控制的追求目標是≤1.5級。
高品質彈簧鋼的發(fā)展趨勢。影響彈簧設計應力的兩個最主要因素是抗疲勞性能和抗彈減性能，成為當今彈簧鋼研究和發(fā)展的主題。目前彈簧鋼鋼種向經(jīng)濟性和高性能化方向發(fā)展，新一代超高強度彈簧鋼具有以下特征：超高強度—韌塑性，即抗拉強度≥2000MPa，斷面收縮率≥50%；高的疲勞強度和耐腐蝕疲勞性能；優(yōu)良的耐彈減性能。
另外，高品質彈簧鋼要求具有良好的經(jīng)濟性。其新型鋼種的研究開發(fā)，一方面是通過優(yōu)化現(xiàn)有彈簧鋼的合金元素含量并添加微合金化元素，將碳含量降低并添加V 和Nb等；另一方面是在現(xiàn)有鋼種基本不變的情況下，通過形變熱處理、感應熱處理和在線熱處理等工藝，在充分保證經(jīng)濟性的前提下實現(xiàn)超高強度化。目前國外形變熱處理和感應熱處理工藝已廣泛用于實際生產(chǎn)，使在線彈簧鋼絲經(jīng)過油淬—回火熱處理工藝。
高品質冷鐓鋼的發(fā)展趨勢。汽車行業(yè)對高精度、高強度緊固件，鋼結構連接副和非標異型件的需求日益高漲，因此對高純凈度、高性能、高質量的冷鐓鋼需求也更為迫切。在把緊固件轉變成多用途的高精密汽車零部件的過程中，技術進步起到關鍵作用。
冷鐓鋼的發(fā)展方向是非調質鋼、硼鋼和超細晶粒鋼，而免熱處理的非調質冷鐓鋼備受關注。非調質冷鐓鋼通過采用微合金化、控軋控冷等強韌化方法，在加工緊固件過程中可省略冷拔前的球化退火和成形后的淬火回火處理，還可減少螺紋部分的脫碳傾向，提高成品率。
評價高品質冷鐓鋼技術質量的特性值包括冷鐓性、脫碳層、表面質量等。冷鐓性控制的追求目標是1/5，脫碳層控制的追求目標是熱軋態(tài)脫碳層≤直徑0.3%D。
高品質軸承鋼的發(fā)展趨勢。軸承鋼主要用于制造滾動軸承的滾動體和套圈。軸承應具備長壽命、高精度、低發(fā)熱量、高速性、高剛性、低噪音、高耐磨性等特性，因此要求軸承鋼應具備高硬度、均勻硬度、高彈性極限、高接觸疲勞強度、必需的韌性、一定的淬透性、在大氣的潤滑劑中的耐腐蝕性能。為了達到上述性能要求，軸承鋼的化學成分均勻性、非金屬夾雜物含量和類型、碳化物粒度和分布、脫碳等要求嚴格。軸承鋼總體上向高質量、高性能和多品種方向發(fā)展。
評價軸承材料的質量主要看材料的純凈度和均勻性。材料的純凈度是指材料中的夾雜物盡量少。材料的均勻性是指材料中的夾雜物和碳化物顆粒細小、彌散。具體而言，軸承鋼主要向高潔凈度和性能多樣化兩個方向發(fā)展。提高軸承鋼的潔凈度，特別是降低鋼中的氧含量，可以明顯延長軸承的壽命。軸承鋼氧含量控制的追求目標為≤5ppm，鋼中氧化物夾雜控制的追求目標為夾雜物尺寸≤10μm，鈦含量控制的追求目標為≤5ppm，氮含量控制的追求目標為≤30ppm。
表1 汽車零部件用鋼材料發(fā)展共性技術發(fā)展趨勢
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序號 |
共性技術發(fā)展趨勢 |
措施途徑 |
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|---|---|---|---|
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1 |
研究高強韌化的手段 |
a)添加合金實現(xiàn)高強韌化； c)加工熱處理實現(xiàn)高強韌化； |
b)改變熱處理條件實現(xiàn)高強韌化； d)表面硬化處理實現(xiàn)高強韌化 |
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2 |
研究阻礙高強韌化的主要因素 |
a)非金屬雜質物的影響； c)腐蝕的影響； |
b)脫碳的影響； d)晶粒度的影響 |
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3 |
省略及優(yōu)化熱處理的材料與工藝研究 |
a)省略調質熱處理的材料和工藝研究； c)省略回火熱處理的材料與工藝研究； |
b)省略退火熱處理的材料與工藝研究 d)高溫滲碳熱處理的材料與工藝研究 |
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4 |
研究評價疲勞壽命的影響因素 |
a)為定量評價疲勞極限，提出模型方案area-2參數(shù)模型； b)成為疲勞斷裂源點的非金屬夾雜物，夾雜物與缺陷的等價性； c)夾雜物形狀的影響；由夾雜物預測疲勞強度的離散； d)應用于鑄造缺陷及其它材料缺陷，缺陷形狀對疲勞壽命的影響； e)通過夾雜物、缺陷尺寸的極值統(tǒng)計法評價材料； f)晶粒直徑問題； g)在和形式對疲勞限的影響 h)氫對疲勞壽命的影響； i)超長疲勞壽命設計法 |
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