鍛造用材——非調(diào)質(zhì)鋼及其晶粒細(xì)化技術(shù)

非調(diào)質(zhì)鋼因節(jié)能、降成本、生產(chǎn)周期短和不存在調(diào)質(zhì)工藝缺陷等優(yōu)點(diǎn)，在汽車鍛件和工程機(jī)械上得到廣泛應(yīng)用。高強(qiáng)韌化一直是非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展趨勢。從第1代49Mn VS3牌號非調(diào)質(zhì)鋼開始，按照增加鐵素體含量和強(qiáng)化鐵素體的技術(shù)構(gòu)想，發(fā)展了低碳、高錳的40Mn VS、38Mn VS、30Mn VS以及高硅的更高強(qiáng)度的38Si Mn VS和30Si Mn VS等典型鋼種，稱為高強(qiáng)韌性“珠光體-鐵素體”非調(diào)質(zhì)鋼；低碳和中碳貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼以中溫轉(zhuǎn)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(diào)質(zhì)鋼具有更好的強(qiáng)韌性配合。

   相對于相同強(qiáng)度等級的調(diào)質(zhì)鋼零件，非調(diào)質(zhì)鋼零件、尤其是熱鍛非調(diào)質(zhì)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(tài)下的非調(diào)質(zhì)鋼及其制品，因?yàn)楸日{(diào)質(zhì)鋼制品少一次820 ~880 ℃的低溫奧氏體重結(jié)晶工藝，其晶粒比調(diào)質(zhì)鋼的粗大，是導(dǎo)致其韌性較低的另一重要原因。常用調(diào)質(zhì)鋼零件在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的原奧氏體晶粒度可以穩(wěn)定在5~10級，而非調(diào)質(zhì)鋼制品，尤其是鍛后控冷狀態(tài)的非調(diào)質(zhì)鋼熱鍛件的原奧氏體晶粒度則較少達(dá)到7級，大部分在5級以下，如果控鍛控冷工藝不當(dāng)，甚至粗至00級。

鍛造利用Ti、Nb、V、Al、N、B微合金化對傳統(tǒng)鍛造用鋼進(jìn)行適應(yīng)性改造，控制其不同溫度區(qū)間析出物的數(shù)量和大小，達(dá)到析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化或控制晶粒長大的作用，提高其力學(xué)性能和工藝性能。作為典型的微合金化非調(diào)質(zhì)鋼，鋁鎮(zhèn)靜鋼中Al N晶粒細(xì)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(jìn)展。

1、滲碳齒輪鋼的微合金化

   對傳統(tǒng)滲碳齒輪鋼進(jìn)行微合金化，優(yōu)化了高溫滲碳齒輪鋼、冷鍛齒輪鋼、細(xì)晶強(qiáng)化高強(qiáng)韌性齒輪鋼等先進(jìn)齒輪鋼品種。

2、高溫滲碳齒輪鋼

    常用滲碳齒輪鋼利用殘余的0.01%~0.05% Al，使其930 ℃奧氏體晶粒度細(xì)于5級，如果將Al含量穩(wěn)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(yīng)用提供材料支持。950 ℃氣體滲碳材料工藝技術(shù)均可在傳統(tǒng)的井式滲碳爐、多用滲碳爐和連續(xù)式無罐爐上實(shí)施，具有良好的應(yīng)用前景。為減小或防止內(nèi)氧化對齒輪滲層強(qiáng)韌性的影響，更高溫度的滲碳需要采用低壓真空滲碳技術(shù)，高溫低壓真空滲碳齒輪鋼的滲碳溫度高達(dá)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(fù)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(dá)到8.0級和6.5級。在其中添加0.02% Nb，其1 000 ℃晶粒度可達(dá)到9.0級。

3、冷鍛齒輪鋼

   冷鍛齒輪鋼同時融合了微合金化和熱機(jī)械軋制技術(shù)，添加Ti、Al、N或Ti、Nb、Al、N微合金化，以細(xì)化熱軋態(tài)晶粒，阻止冷鍛齒輪在后續(xù)加熱過程中的晶粒異常長大。熱機(jī)械軋制的目的在于細(xì)化熱軋交貨狀態(tài)晶粒度，通過應(yīng)變誘發(fā)鐵素體析出，增加鐵素體含量，降低交貨狀態(tài)硬度。以上兩種技術(shù)的復(fù)合，使冷鍛齒輪鋼的塑性增強(qiáng)，臨界壓縮率達(dá)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(jié)晶退火，直接進(jìn)行滲碳；滲碳后無需二次加熱淬火，就能達(dá)到晶粒度要求，達(dá)到節(jié)能降耗、簡化工藝、提高效率的目的。