48MnV非调质曲轴用钢工艺及性能分析

供稿|苏崇涛，田玉伟 / SU Chong-tao, TIAN Yu-wei

曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，其服役条件非常恶劣，工作中承受周期性的载荷——旋转惯性力和扭矩等共同作用，并在压力作用下以很大的相对速度与轴承发生滑动摩擦，产生较高的温度和磨损。长期以来曲轴用钢一般使用中碳调质钢来进行制造，如45钢、40Cr、42CrMo等。原材料先进行锻造处理、粗加工，然后对工件进行正火，淬火+高温回火的调质热处理工艺，最终形成以回火索氏体为基体的微观显微组织结构，这种显微组织可以使零件各部位力学性能较均匀，并且同时具有较好的强度、塑性和韧性，综合力学性能非常好。

48MnV为非调质曲轴用钢，近些年来非调制用钢得到了较大范围的应用，特别是在汽车发动机领域，非调质钢不需要采用传统的调质工艺，原材料在热轧态或者经过一定形变的加热锻造等简单加工或者热处理后，最终力学性能可以达到中碳调质钢的水平，可以如调质钢一样用于生产制造轴承钢，在一定程度上打破了调质钢在轴承生产中的主导地位，由于这类钢不需要调质处理工序，而淬火加高温回火的调质工序无论在人力和物力上消耗都非常大，因此降低了轴承的制造成本，轴承加工厂也不再需要进行大规模热处理设备的资金投入，简化了生产工艺，使生产周期减少，制造成本因此降低很大，所以非调质钢在曲轴方面的运用越来越受到客户的青睐，使用范围越来越广，为了对非调质曲轴用48MnV钢有清楚详细的了解，以下从生产工艺，力学性能及与调质钢力学性能等方面来进行比较。

非调质钢的微合金化理论

微合金化原理是在钢的冶炼过程中加入微合金元素如V、Nb、Ti等。一些合金元素与钢中的C、N等元素形成化合物，在组织转变过程中，能促进晶粒的形核，同时能限制晶粒的长大，使晶粒细化；并且合金化合物随着温度的降低析出并弥散分布，对材料基体又起到沉淀强化的作用，弥补了材料在强度、硬度方面的不足。

48MnV为珠光体类型的非调质钢，其强度受显微组织性能的局限性，影响其强度和冲击韧性的主要因素为奥氏体晶粒大小、铁素体、珠光体数量及珠光体片间距细化程度，在基体组织为珠光体和铁素体的钢中，抗拉强度主要取决于珠光体数量、片间距、奥氏体晶粒大小，在提高强度的角度上，增加珠光体量是有益的，但是珠光体没有阻碍裂纹扩展的能力，这点对材料的冲击韧性不利，研究表明铁素体相对量增加可明显改善钢的韧性、屈服强度[1]。为了在组织中得到较多量的铁素体降低碳含量是一个不错的选择方法，但是碳含量降低又会降低钢材的强度，为此需要在不降低碳含量的基础上通过增加锰、硅等来促进铁素体的形成，以达到增加铁素体数量的目的；铁素体量太多或者轧后铁素体沿原始奥氏体晶界析出，形成较严重的网状铁素体则又会恶化钢的强度、韧性和塑性，因此珠光体与铁素体两相数量的多少及显微组织形态分布都对非调质钢强度和韧性有很重要的影响。

48MnV钢中的V是微合金化元素中最常用而有效的强化元素，与铁元素相比，V对碳和氮有更强的亲和力，在非调质钢增氮后，形成更为稳定的碳氮化合物，随着V(C，N)在奥氏体晶界析出，起到防止晶粒长大、细化晶粒，对转变过程中生成细小的铁素体起到形核作用，并阻止铁素体晶粒长大，增加钢的韧性[2]。而且这种沉淀析出能强化非调质钢的力学性能，其强度随V含量的增加呈显著增长趋势，但当V含量超过0.15%，材料的韧性会降低很多，因此一般在钢中V的添加量控制在0.08%～0.13%[3]。

48MnV工艺及性能

在微合金化理论的指导下，当前本钢生产的48MnV工艺如下：铁水预处理—转炉—LF精炼—模注—轧制。开轧温度约在1100 ℃，终轧温度约950 ℃；钢材快冷至600 ℃保温，保温时间48 h。

大功率发动机曲轴用非调质钢要求材料在加热锻造控冷状态下组织为珠光体+铁素体，具有较高的强度和一定的塑韧性，热轧态的48MnV在曲轴加工工艺下，先需要进行锻造、空冷、加工，一般锻造工艺为加热温度至1200 ℃左右，终锻1000 ℃左右，某些产品需要经过表面高频淬火或氮化处理后零件表面具有较高的耐磨性，从而使曲轴整体具有较高的疲劳寿命要求。因此最终曲轴的力学性能取决于锻造空冷或者其他热处理后的力学性能，对锻造后产品截取试验进行力学性能及各项检测，

在光学显微镜下观察其显微组织形态见图1，表1为根据合金化处理后最终轧制成功的48MnV化学成分，表2为48MnV锻造后空冷的力学性能。

表1 研制成功的48MnV化学成分（质量分数）%

表248MnV锻造后力学性能

45、42CrMo调质钢性能

调制钢最终使用态下显微组织为回火索氏体，是淬火马氏体组织经过高温回火后，形成铁素体基体上均匀分布有细小颗粒状碳化物的复合组织。调质钢的强度主要取决于α相强度和碳化物的弥散强化，图2为42CrMo调质后的显微组织形态。

图148MnV锻后显微组织

图242CRMO调质显微组织

在GBGB/T699-1999及GB/T3077-1999中规定了对普通碳素钢及合金结构钢调质处理后所采用工艺及最终必须要的性能参数见表3。

表345、42CrMo调质后力学性能

分析讨论

（1）本钢研发的48MnV非调质钢经过微合金化处理后，最终产品满足了客户需求，通过与相对应调质钢性能之间的对比，48MnV锻造后其基本性能高于45钢调质处理后的力学性能，与42CrMo调质处理后的力学性能还有一定的差距。非调质钢48MnV可以完全替代45钢调质使用，在零部件受力许可范围内，可以替代部分42CrMo调质钢的运用。

（2）非调质钢由于不需要进行调质处理工艺，轴承制造厂家不需要购买热处理相关设备，也不用在热处理上投入大量的人力和物力，使非调质钢在经济上表现出巨大的优势，另外与调质钢工艺相比，工厂的能耗降低，减少了污染源，因此具有“绿色钢材”之称。

（3）避免了热处理过程中产生的废品。机械零件热处理过程中，产生废品的主要原因为淬火，淬火工艺不当引起试样尺寸变化、开裂、表面脱碳，硬度不均匀等等。采用非调质钢制作机械零件，不需要淬火处理，因此在产品外形质量及外形稳定性方面具有非常大的优势。

（4）对工厂来说时间就是效率，使用非调质钢不仅省去了生产周期较长的调质工序，还省去了与调质相关的工序，缩短了生产周期，增加了生产效率。

结论

（1）目前生产的48MnV钢锻造后力学性能介于调质处理后的45钢与42CrMo钢性能之间。

（2）在非调质钢能满足零部件的使用性能范围内，可以替代传统调质钢。

（3）通过微合金强化和控锻控冷工艺，可以使非调质钢的力学性能接近并超过调质钢，从而为材料使用厂家获得良好的收益，非调质钢省去了调质处理工序，减少了生产工序，节约了人力及资源，降低了成本，在日益竞争激烈的制造业市场，有很广阔的发展前景。因此在非调质钢的基础和应用研究上需要不断深入，继续研发新品种钢，使非调质钢应用越来越广。

[1] 周悠, 洪小玲. 非调质钢48MnV工艺质量分析. 金属世界, 2007,(2):40

[2] 陈德华, 王志明, 谢维立, 等.非调质钢推广应用中的强韧化工艺研究. 金属热处理, 2010, 35(6): 76

[3] 张爱文, 江来珠. 宝钢曲轴用非调质钢的生产与展望.宝钢技术,2003, (4): 42