【材料课堂】汽车零部件用钢发展趋势概述
1我国汽车行业的发展趋势
我国汽车行业发展迅速，正朝着高功率输出、轻量化、高性能、长寿命、降低噪声、运行平稳、安全可靠性、环保、节能性、经济低成本、易加工、多品种等方向发展（我国汽车生产量情况见图1）。预计2013年我国汽车市场需求2080万辆左右，增长率7%，2015年汽车总量将达到2350万辆，2020年汽车总量达到2500万辆。
图1 2007-2012年我国汽车产量及增长率
2汽车零部件用钢在汽车四大系统的应用环境
汽车零部件用钢主要应用在汽车四大系统：
◆发动机系统用钢：发动机是汽车的动力之源。其中典型零件有曲轴、连杆、凸轮等以非调质钢为主；燃油喷射系统以油泵油嘴用钢为主；阀门用钢以气阀钢为主。
◆变速及传动系统用钢：包括齿轮圈、齿毂、齿轮、齿轮轴以齿轮钢为主；传动系统更像是动物的腰部和脊椎,包括传动轴，半轴、前轴等以传动轴用钢为主。
◆悬挂及转向系统用钢：悬架系统就是汽车的腿，包括悬架簧、稳定杆、扭力杆、减震器等，以弹簧钢为主；转向系统是汽车的行驶方向，包括万向节、球头、转向机、轮毂、轴承等，其中轮毂、轴承以轴承钢为主。万向节、球头、转向机等以齿轮钢为主。
◆标准件系统用钢：以紧固件用冷镦钢为主。
3汽车行业发展对零部件用钢的要求
汽车零部件用钢具有高强韧性、易切削化、高尺寸精度、低合金化、环境友好、省略热处理等特征（见表1）。
表1 汽车零部件用钢材料共性技术发展趋势
共性技术发展趋势 | 措施途径 |
研究高强韧化的手段 | a）添加合金实现高强韧化；b）改变热处理条件实现高强韧化； c）加工热处理实现高强韧化；d）表面硬化处理实现高强韧化； |
研究阻碍高强韧化的主要因素 | a) 非金属夹杂物的影响；b) 脱碳的影响； c) 腐蚀的影响；d）晶粒度的影响。 |
省略及优化热处理的材料与工艺研究 | a) 省略调质热处理的材料与工艺研究；b) 省略退火热处理的材料与工艺研究；c) 省略回火热处理的材料与工艺研究；d）高温渗碳热处理的材料与工艺研究。 |
研究评价疲劳寿命的影响因素 | a）为定量评价疲劳极限,提出模型方案，area-2参数模型； b）成为疲劳断裂源点的非金属夹杂物，夹杂物与缺陷的等价性； c）夹杂物形状的影响，由夹杂物预测疲劳强度的离散； d）应用于铸造缺陷及其他材料缺陷；缺陷形状对疲劳寿命的影响； f）通过夹杂物、缺陷尺寸的极值统计法评价材料； g）晶粒直径问题；h）载荷形式对疲劳限的影响； i）氢对疲劳寿命的影响；k）超长疲劳寿命设计法。 |
4汽车零部件用六大类高品质特殊钢的技术特点及发展趋势
汽车零部件用高品质特殊钢的质量发展方向是高强韧性、高纯净度、高均匀性、超细晶粒度、高表面质量、长疲劳寿命。高品质齿轮钢、弹簧钢、非调质钢、紧固件用钢、轴承钢、气阀钢是汽车零部件用钢中要求较高的关键材料之一。
4.1高品质齿轮钢的发展趋势
高品质齿轮钢在品种多样化、易切削、环保、低合金化降低成本、低噪音、运行平稳、钢材均匀性好、热处理变形小等方面不断发展。评价齿轮钢的技术质量特性值集中在淬透性、纯净度、晶粒度、带状组织等方面。
（1）淬透性
淬透性的高低以及淬透性值的稳定性是评价齿轮钢质量的重要指标。淬透性带控制的追求目标：≤3HRC；
（2）纯净度
齿轮钢的洁净度对齿轮疲劳寿命的影响越来越受到关注。钢中存在的氧化物和硫化物夹杂、有害元素如N、H、O、P、S等，降低钢材的力学性能，恶化钢材的工艺性能，从而影响汽车渗碳齿轮的使用寿命。
①齿轮钢氧含量控制的追求目标：[O]≤10ppm；②高品质齿轮钢中禁止加Ti，Ca，且规定钢中Ti≤0.01%、钢中Ca≤0.0005%；③非金属夹杂物控制的追求目标：A≤2级、B≤2级、C≤1级、D≤1级；
（3）晶粒度
晶粒大小是齿轮钢的一项重要指标。齿轮钢中细小均匀的奥氏体晶粒，淬火后得到细马氏体组织，明显改善齿轮的疲劳性能，同时减少齿轮热处理后的变形量。细小均匀的奥氏体晶粒度对零件的强度、韧性均有特殊贡献。特别是对提高齿轮的断裂韧性，增强齿轮的脆断抗力具有重要意义。齿轮钢晶粒度要求≥6级。目前国际上为获得高温（＞960℃）渗碳齿轮钢，冶炼时添加或复合添加微合金元素Nb、V、Zr等，在钢中形成合金碳氮化物，钢的晶粒度≥8级。
（4）带状组织
带状组织是钢的组织缺陷。对齿轮钢而言，严重的带状组织将影响渗碳的均匀性，增加淬火变形程度，使渗碳齿轮尺寸精度差。因此，齿轮钢的带状组织控制的追求目标是不大于2级。
4.2高品质非调质钢的发展趋势
非调质钢是同时满足高性能和低成本要求的环境友好型钢材。汽车曲轴、连杆、前轴、半轴、工字梁、转向节、转向节臂、凸轮轴等用钢材料的选择向以非调质钢逐渐代替调质钢的方向发展。连杆从减少加工工序，提高生产率出发，对连杆用钢材料的选择向以涨断材料逐渐代替非涨断材料的方向发展。
非调质钢的优势：尺寸效应小，改善切削加工性，减少变形开裂等。可节约生产周期15%，由于省略热处理工序从而减少了环境污染，同时可节约贵重金属（Cr、Ni、Mo），符合我国资源优势及可持续发展战略，同时提高材料利用率5-10%。
评价非调质钢技术质量特性值包括碳当量、碳偏析、氧含量、晶粒度、脱碳层、力学性能、铁素体含量、夹杂物水平等。
（1）碳当量范围值控制的追求目标：≤0.02%：
（2） 钢材全截面的碳偏析控制的追求目标：≤0.03%；
（3） 非金属夹杂物见表2。
表2 非调质钢中非金属架杂物目标
非金属夹杂物类型 | B | C | D | |||
细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | |
控制的追求目标 | ≤2 | ≤1 | ≤0.5 | ≤0.5 | ≤1 | ≤1 |
（4）奥氏体晶粒度控制的追求目标：不粗于8级；
（5）显微组织：组织应为珠光体+铁素体；
（6）脱碳层：钢材每边脱碳深度（铁素体+过度层）控制的追求目标：≤钢材直径的0.5%；
（7）氧含量控制的追求目标：[O]≤15ppm；
（8）带状组织控制的追求目标：≤1.5级。
4.3高品质弹簧钢的发展趋势
影响弹簧设计应力的两个最主要因素是抗疲劳性能和抗弹减性能，因而这两个因素成为当今弹簧钢研究和发展的主题。目前弹簧钢钢种的发展趋势是向经济性和高性能化方向发展，图2展示汽车用高品质弹簧钢的应用领域。新一代超高强度弹簧钢具有以下特征：
◆超高强度- 韧塑性：抗拉强度≥2000MPa--断面收缩率≥50%；
◆高的疲劳强度和耐腐蚀疲劳性能：
◆优良的耐弹减性能；
◆良好的经济性。
图2 高品质弹簧钢应用领域
通过新型钢种的研究开发。一方面通过现有弹簧钢的合金元素含量并添加微合金化元素；将碳含量降低并添加V和Nb等。通过新型热加工和热处理工艺的研究开发。在现有钢种基本不变的情况下，通过形变热处理、感应热处理及在线热处理等工艺的研究开发，在充分保证经济性的前提下实现超高强度化。目前国外形变热处理和感应热处理工艺已广泛用于实际生产，实现在线弹簧钢丝经过油淬-回火热处理工艺。
高品质悬架簧及气门簧的弹簧钢丝经过的油淬-回火工艺是在瞬间（约20秒）完成的感应调质过程；而在弹簧卷簧成型过程是采用冷卷簧；因此对钢材的内在质量特性提出极高的要求；如钢中非金属夹杂物的组成、分布、形状、数量，残余元素、五害元素、气体含量，机械性能，脱碳层，显微组织及其均匀性，晶粒度，表面质量，尺寸精度、钢材疲劳寿命等均有非常严格的要求产品关键技术特性：
（1）强度-塑性控制的追求目标：抗拉强度≥2200Mpa，断面收缩率≥50%；
（2）非金属夹杂物尺寸控制的追求目标：夹杂物尺寸≤5um；
（3）氧含量控制的追求目标：[T.O]≤8ppm；
（4）晶粒度控制的追求目标：晶粒度细于10级；
（5）脱碳层控制的追求目标：热轧态脱碳层≤直径0.4%mm。
4.4高品质冷镦钢的发展趋势
随着汽车对零部件用钢愈加严格，对高纯净度、高性能、高质量的冷镦钢需求也更为迫切。由于汽车需要更高强度和耐用的紧固件，在把紧固件转变成多用途的高精密汽车零部件的过程中，技术进步起到关键作用。
非调质冷镦钢通过采用微合金化、控轧控冷等强韧化方法，在加工紧固件过程中可省略冷拔前的球化退火和成形后的淬火回火处理，还可减少螺纹部分的脱碳倾向，提高成品率。冷镦钢发展方向为非调质钢、硼钢和超细晶粒钢，而免热处理的非调质冷镦钢备受关注。
图4 高品质冷镦钢的发展趋势
评价高品质冷镦钢技术质量特性值包括冷镦性、脱碳层、表面质量等。
（1）冷镦性控制的追求目标：1/5；
（2）脱碳层控制的追求目标：热轧态脱碳层≤直径0.3%mm；
4.5高品质轴承钢的发展趋势
轴承钢主要用于制造滚动轴承的滚动体和套圈。轴承应具备长寿命、高精度、低发热量、高速性、高刚性、低噪音、高耐磨性等特性，因此要求轴承钢应具备：高硬度、均匀硬度、高弹性极限、高接触疲劳强度、必须的韧性、一定的淬透性、在大气的润滑剂中的耐腐蚀性能。为了达到上述性能要求，对轴承钢的化学成分均匀性、非金属夹杂物含量和类型、碳化物粒度和分布、脱碳等要求严格。轴承钢总体上向高质量、高性能和多品种方向发展。
评价轴承材料的质量主要有两个方面：材料的纯净度和均匀性。材料的纯净度是指材料中的夹杂物尽量少。材料的均匀性是指材料中的夹杂物和碳化物颗粒细小、弥散。
（1）向高洁净度和性能多样化两个方向发展，因为提高轴承钢的洁净度，特别是降低钢中的氧含量，可以明显延长轴承的寿命。
（2）采用LF炉外精炼--RH炉真空脱气技术生产轴承钢的冶金质量，特别是降低钢中氧含量和提高钢的纯净度起到了决定性作用。
（3）轴承钢连铸技术的开发和应用可以进一步降低钢中氧含量，提高接触疲劳寿命；可以提高劳动生产率和降低生产成本。为改善低倍质量，国外轴承钢连铸坯的断面尺寸普遍较大，如：连铸坯的断面尺寸380×490mm。
（4）轴承钢的轧制向高速、连续、全自动化、控轧、控冷方向发展。
（5）采用高频超声波探伤，发现钢中的大型宏观夹杂物。
（6）真空精炼工艺部分替代电渣重熔工艺。
（7）轴承钢氧含量控制的追求目标：[O]≤5ppm。
（8）钢中氧化物夹杂控制的追求目标：夹杂物尺寸≤10μm。
（9）轴承钢钛含量控制的追求目标：[Ti]≤5ppm。
（10）轴承钢氮含量控制的追求目标：[N]≤30ppm。
5结论
（1） 汽车零部件用钢以高品质齿轮钢、弹簧钢、非调质钢、轴承钢、气阀钢、冷镦钢、油泵油嘴用钢、传动轴用钢等为代表的特殊钢系列，其产品技术质量发展方向是钢材高的强韧性、高纯净度、高均匀性、超细晶粒度、高表面质量、长疲劳寿命。
（2） 高品质齿轮钢的技术发展方向：淬透性带≤3HRC；氧含量[O]≤10ppm；[Ti]≤0.0030%；[Ca]≤0.0005%;夹杂物A≤2级、B≤2级、C≤1级、D≤1级；晶粒度细于8级；带状组织≤2级。
（4）高品质非调质钢的技术发展方向：碳当量范围值≤0.02%；钢材全截面的碳偏析≤0.03%；非金属夹杂物：B≤1、C≤0.5、D≤1；奥氏体晶粒度不粗于8级；脱碳层≤钢材直径的0.5%；带状组织控制的追求目标：≤1.5级。
（5）高品质弹簧钢的技术发展方向：抗拉强度≥2200Mpa--断面收缩率≥50%；非金属夹杂物尺寸≤5um；氧含量[T.O]≤8ppm；晶粒度细于10级；热轧态脱碳层≤直径0.4%mm。
（6）高品质冷镦钢的技术发展方向：冷镦性：1/5；热轧态脱碳层≤直径0.3%mm；
（7）高品质轴承钢的技术发展方向：氧含量[O]≤5ppm；夹杂物尺寸≤10μm；钛含量[Ti]≤5ppm；氮含量[N]≤30ppm。
（冶金信息网）