节能、增效、降本｜V微合金化非调质钢在典型商用车底盘零件上的应用
钒应用技术推广中心
2020年9月23日，钒应用技术推广中心在北京正式成立，该中心由国内钒企业攀钢集团钒钛资源股份有限公司、河钢集团承钢公 司、四川德胜集团钒钛有限公司、承德建龙特殊钢有限公司、川威集团成渝钒钛科技有限公司与钢铁研究总院共同组建。该中心旨在 深化钒在钢铁和非钢领域的基础研究、品种开发和应用推广，引领和带动钢铁及相关产品品质升级，促进钒的消费和产业健康发展。
随着全球经济的快速发展所带来的环境污染与能源短缺问题日益凸显，汽车工业已成为能源消耗和大气污染物排放的最主要领域之一。节能减排、走绿色可持续发展之路已成为全球汽车工业发展的必然方向，也是“中国制造2025”工业发展战略的必由之路，更是中国实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和战略目标的重要举措。汽车工业的能耗及环保问题，不仅体现在各类车辆产品的服役环节，也体现在其制造环节。通常情况下，汽车底盘系统中大量轴杆件、基础件等均是基于调质钢制造，往往生产周期长、能耗高、易淬火变形或开裂、产品质量波动大、成本高、污染严重，难以保证汽车零件产品工业化生产追求的高效、高品质，也不符合国家绿色制造发展战略要求。非调质钢是一种伴随全球环境、能源“焦虑”而发展起来的“绿色”钢种，其应用于各类工业零件制造，无须经过调质处理就能达到良好的机械性能，省去了调质热处理工序，大大降低了能耗和污染，又避免了零件因调质所引起的变形、淬裂等缺陷，显著提高生产效率及成品率，具有广阔应用前景，契合我国未来制造业发展战略。
V微合金化贯穿了整个非调质钢的发展历程。立足于V，针对不同汽车零件产品的特定需求，致力于V及其他元素多元复合微合金非调质钢牌号的定制化开发，并匹配相适应的先进控轧控冷工艺方法，充分挖掘V与其他微合金元素的协同材料改性潜力，提升材料使用价值，已成为当前非调质钢产业发展的主流路径。此外，要将一种先进材料的性能特性切实转化为零件的优质使用功能，除了材料本身，还涉及大量的应用关键技术研究。针对非调质钢如何将后续的锻造成形、机械加工、热处理、表面处理，乃至零件产品的功能评价等各道工序串联起来协同优化，充分发挥非调质钢的技术优势，也是当前非调质钢上下游产业链亟待解决的核心问题。
基于中国乃至全球汽车工业发展的强力驱动，国内非调质钢行业应抓住当下中国汽车工业大发展的良好基础，致力于后端通过不断的技术创新推进非调质钢产品谱系的不断完善及品质不断提升，前端还应该不断加强在汽车尤其是各类车辆关键零部件上的推广应用，从而促进整个产业链的良性循环发展。此外，在推广非调质钢的过程中，不仅要解决技术问题，更要考虑到产业链的合作模式，以便使产业链企业能够共享应用非调质钢带来的利益。
综上，本项目聚焦相关下游汽车主机厂的需求，基于汽车钢EVI产业链协同模式，以商用车半轴、推力杆球销两个典型零件为应用对象，详细论述了所涉及的两个非调质钢零件的产品设计、制造、验证全过程，并展示了基于非调质钢应用给企业带来的节能、增效、降本综合效益。
1钢种定制化开发
首先，从材料设计基础热力学、动力学层面入手，利用JmatPro等材料基础计算软件，对V、N等非调质钢关键元素的含量变化对其组织演变规律的影响及其机理进行了理论分析。分析发现，随着V含量增加，非调质钢在温降过程中其奥氏体稳定性增强，C曲线右移，可抑制铁素体和珠光体转变，进而有利于首先组织细化。
进一步利用JMatPro软件，模拟得到了不同V含量（0.05%、0.10%、0.15%及0.20%）条件下37MnSiVS和44MnSiVS6两个非调质钢牌号的热力学平衡相图。研究了V含量变化对两种调质钢相变组织、第二相析出特征的影响规律。当温度降到1490℃，液相凝固开始出现高温铁素体δ，1480℃时高温铁素体δ消失，出现奥氏体γ。随着温度继续降低，在780℃时奥氏体开始相变为铁素体α。受到碳固溶度降低的影响，含有的 Mn、Cr、Ni、V等元素以碳化物形式析出，其中M（C，N）相在1270℃析出，M7C3相在400℃析出。随着V含量增加，室温下析出相M（C，N）和M7C3增加，铁素体α略微增加，渗碳体Fe3C明显减少。
在实验室条件下开展了不同V/N方案的小样钢制备并进行了组织方面的检测，最终确定了合理的元素含量范围。随着V含量的增加，组织细化程度增加。在γ→α过程中，以奥氏体晶粒内部的夹杂或其他细小析出物为核心，形成晶内铁素体，使相变的铁素体晶粒长大受阻。强度会随着V含量增加，细晶强化及析出强化作用增强，使强度逐渐提高，而塑性有所下降。
此外，根据已有研究结论可知，相比于Ti、Nb等元素，V元素的增加对提升非调质钢的淬透性而言更具成效。对于半轴等典型商用车轴杆件而言，这类件因高抗扭性能需求往往在零件制造过程中需要进行表面感应淬火处理，因此也要求应用这类零件制造的非调质钢本身也具有较强的淬透性，这也是V的一大优势。此外，鉴于当前汽车钢上下游产业链发展面临的经营压力，V也不宜过高以控制成本。
最终结合具体零部件产品的使用要求，从性能、成本等多方面评估，确定了拟推广非调质钢牌号的关键元素范围，即V：0.10%-0.15%、N：140-160ppm。表1为两个拟推广应用非调质钢牌号的量产样钢成分检测结果示例。
在成分设计基础上，对冶炼、轧制等生产工艺进行优化，确保提供给用户质量稳定、优异的非调质钢产品。其中，为保障产品质量，且满足不同用户的差异化需求，针对非调质钢进行了严格的控轧控冷工艺优化，轧制采用大压缩比，改善圆钢低倍组织。控轧预热段温度约830-840℃，加热段温度约1190-1200℃，均热段温度约：1190-1200℃，开轧温度约1086℃，穿水前温度约为992℃，穿水后温度约为912℃，进kocks温度约为898℃，出kocks温度约为863℃，上冷床温度约838℃。采用优化工艺生产的非调质钢量产圆钢的取样组织，从表层至心部均为较为细小的铁素体-珠光体（晶粒度8.0级）。表2为两种非调质钢量产样钢的力学性能，同样也展示了良好的强度、塑性和韧性水平。
2 钢种制造工艺性测评
针对本文所涉及的钢种，进行了成形性测评，为后续零部件产品制造工艺的确定提供指导依据。采用Gleeble热模拟试验机，模拟钢种在热锻造过程中奥氏体动态再结晶过程和力学性能。以37MnSiVS为例，结果表明：随着变形温度、变形量降低、冷却速率增加会导致铁素体减少、珠光体增加。V在钢热形变过程中能延迟奥氏体动态再结晶开始时间点，更容易促进热锻成形过程中获得细小的再结晶组织。基于Gleeble试验数据，构建了本文所涉及的非调质钢的高温热变形流变应力-应变关系模型。此外，还进行了钢种样品的单道次热压缩试验，考察不同压缩温度和压缩速率条件下的应力应变规律和组织特征。仍以37MnSiVS为例，结果表明，随着变形温度的升高和变形速率的降低，组织晶粒尺寸增大（图1），铁素体量增加，珠光体量减少，动态回复和再结晶更充分，降低了钢的变形抗力。
对项目所涉及的37MnSiVS、44MnSiVS6两种非调质钢，还进行了模拟锻造加热工艺，对不同加热温度900-1250℃和保温时间15-120min下的奥氏体晶粒长大规律进行了研究。采用金相定量法对加热后材料的奥氏体晶粒度进行测量，分析37MnSiVS、44MnSiVS6两种非调质钢在不同加热温度、保温时间条件下奥氏体晶粒度的变化，结果发现，在加热过程中基于V、Ti等微合金元素的复合碳氮化物析出相显著钉扎奥氏体晶界抑制其长大，使钢种有较好锻造工艺性。基于试验结果，本文所涉及的两个钢种的适宜锻造初始加热温度为1050-1250℃，初始加热保温时间不超过120min。
图2为基于TEM观测到的两种钢基体中沿不同部位析出的纳米级V和Ti的复合碳氮化物析出相，其数量较多、尺寸基本在数十纳米范围内，分布在铁素体及珠光体内，呈弥散状、点列状相间分布，起到了良好的析出强化和细晶强化作用，有利于提升材料的强韧性及其零件的耐久性能。
3 典型非调质钢零件试制及性能验证
3.1 推力杆球销
推力杆球销是商用车上常见的典型零部件。本文所涉及的相关商用车目标车型上的推力杆球销材质为40Cr，锻造后调质处理以达到设计强度要求。为达到降本目的，拟将球芯材质由40Cr换成非调质钢37MnSiVS。基于37MnSiVS非调质钢的推力杆球销制造工艺流程为：下料→加热→锻造→打磨毛刺、飞边→抛丸→机加工→橡胶硫化→检验→台架试验→装车验证。其中，基于钢种加工工艺性研究结果，设计锻造加热温度1000-1100℃、始锻温度950-1050℃、终锻温度820-950℃，锻后风冷至750℃后自然空冷（风冷时间3-5min）。锻造工艺执行首件检验制度合格后连续生产，检验以下项目：①毛坯化学成分；②毛坯表面硬度和金相组织检测（距离表面2mm附近）/硬度255-320HB（850-110MPa）。其次，当前任何零件的开发，均是设计、材料、工艺三者的匹配。为解决该零件之前存在的疲劳失效问题，在非调质钢应用基础上，还进行了相应的局部结构优化设计，针对全新设计推力杆球销件进行了服役性能模拟分析，结果表明均满足用户技术要求（图3）。针对非调质钢推力杆球销，进行了台架验证。前后共计完成了3轮台架试验，推力杆整体疲劳寿命均满足20万次不开裂这一技术要求，球销件也未出现任何失效现象。
针对非调质钢推力杆球销进行了装车验证。装车验证零件数量为100件。投放市场的验证时间从2021年12月开始，截止2023年6月未出现任何市场反馈的质量问题，满足批量应用要求。
3.2 半轴
针对某主机厂需求，开展基于44MnSiVS6的杆式、盘式商用车半轴试制及性能验证，应用于目标自卸车、牵引车上。首先，进行了目标自卸车双级桥用杆式半轴的试制，共试制了16支半轴。零件试制工艺流程及关键过程参量控制如下：①半轴毛坯经控锻控冷后进行中频整体表面感应淬火处理；②表面硬度要求54-60HRC，实际为55-58HRC，感应层深度要求为7-11mm，实际为10.2mm；③经表面感应淬火后，为兼顾抗扭和抗疲劳性能，还进行了低温回火处理（200℃+2h）。
开展了非调质钢半轴的服役性能台架试验验证（图4）。结果表明：8支半轴样件进行静扭强度验证，断裂扭矩为28949-31606N·m，远远大于要求的16000N·m；6支半轴样件进行了扭转疲劳验证，全部30万次未断，同样达到标准要求（≥20万次）。
进一步应用44MnSiVS6非调质钢于目标牵引车盘式半轴件。首先，基于产品开发需求，进行了相应的服役性能模拟分析，并与钢种性能关联验证了应用44MnSiVS6的安全性。进行了基于44MnSiVS6材质的盘式半轴件试制（图5）。相关制造工艺过程不再详述。对试制样件（10根）开展了相应的静扭台架试验。结果表明，采用44MnSiVS6的盘式半轴在静扭过程中的屈服扭矩均≥28000N·m（表3），均满足产品性能要求。
4 应用成效
截止目前，本文所涉及的37MnSiVS、44MnSiVS6两个非调质钢已在相关主机厂商用车推力杆球销、半轴等典型零件上通过了应用验证，均产生了显著的经济效益和节能减排社会效益。首先，以推力杆球销而言，按应用主机厂规划，年产量约300万件推力杆，单件装配非调质钢球销重量约5kg，考核材料利用率，对应单件推力杆用钢量约6kg，每年将消耗非调质钢约1.8万吨。其次，以半轴而言，按相关主机厂现有应用两款自卸车、牵引车年销量计，每款车年产销量约10万辆，每款车按双后桥、单桥配套2根半轴，单车配套4根半轴计，每年将配套80万根半轴。单根杆式半轴用钢量约为20kg，单根盘式半轴用钢量约为25kg，合计年度用钢量同样约为1.8万吨。上述非调质钢及其零件的产销直接带来了数亿元的经济效益。
间接及社会效益方面，基于非调质钢的应用，也给下游企业生产带来相应的节能降碳社会效益。以非调质钢推力杆球销为例，基于企业核算应用新材料后，由于取消了调质工序，提升球销生产效率约30%，单件球销成本降低了5%，为应用企业每年带来了数百万元的成本节约，实现了可观的间接经济效益。
5 总结
随着汽车、工程机械等产业的高速发展，特殊钢产品中用于制造重要的机械零部件的合金结构钢使用量越来越大，为使零部件具有优良的综合力学性能，该类钢材通常采用调质处理工序。而调质处理过程中会产生大量能耗、增加成本和材料的生产周期，同时降低了零部件的成材率，以及增加了材料内部残余应力致使其寿命缩短。正是由于调质处理工艺所出现的一系列问题，非调质钢研发力度得到大幅提高。本文面向国内多家商用车企相关重载车型的应用需求，以推力杆球销、半轴为研究对象，开展含V非调质钢的研发及推广应用关键技术研究，基于V微合金化设计、结合与之相匹配的冶金工艺、零件制造工艺优化，成功实现高品质非调质钢在典型商用车零部件上的应用，替代了42CrMo和40Cr等钢种。应用非调质钢，在满足零件使用性能条件下，切实起到了缩短工期、降低能耗成本的作用，为企业带来了可观的经济和社会效益。在非调质钢从材料生产到零件制造全链条过程中，V通过与N、Ti等元素之间的协同作用，基于淬透性提升、调控铁素体/珠光体系统各相占比并细化其尺寸、析出强化等多方面作用，是提升非调质钢及其零件强韧性、耐久性的关键因素。
（冯毅 尹修钢 刘增平 严超峰 肖超）
《世界金属导报》
2023年第31期 B04 B05
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