微合金非调质钢在控制臂和曲轴生产中的应用

文／孙建，钟勇，李新平·南昌齿轮锻造厂

微合金非调质钢在控制臂和曲轴生产中的应用

文／孙建，钟勇，李新平·南昌齿轮锻造厂

控制臂用非调质钢的应用现状

控制臂用非调质钢

控制臂是汽车的重要安全件和功能件，作为汽车悬架系统的导向和传力元件，受拉伸应力、弯曲应力和扭转应力等作用，其性能特性对汽车悬架系统的综合性能有着至关重要的影响。因此，需要控制臂必须具有较高的强度和韧性。近年来，控制臂已逐渐广泛采用非调质钢，例如江铃汽车控制臂采用38MnVS铁素体-珠光体型非调质钢；日本爱知制钢开发了贝氏体非调质钢SVd15BX，丰田高级轿车“皇冠”控制臂采用此非调质钢，制造成本降低了5%～10%。

非调质钢控制臂的锻造工艺性

38MnVS非调质钢的冶炼方法采用电炉冶炼+炉外精炼或转炉冶炼+炉外精炼，化学成分如表1所示。

控制臂的锻造工艺流程具体为：下料→中频加热→辊锻→制坯→预锻→终锻→切边、校形→控冷→抛丸。

非调质钢控制臂的锻后控冷工艺

图1所示为38MnVS控制臂锻后控冷线。控制臂生产采用的是专门设计的配套控冷线，控制臂控冷线具体分为快冷区、等温区、缓冷区、对流区。

图1 控制臂控冷线

表1 38MnVS非调质钢的化学成分 （单位：%）

控制臂锻件切边后温度为850～900℃，控制臂冷却线快冷区控制的冷却速度为60～80℃/min。在快冷区进行快速冷却，冷却约3min，温度达到630～650℃，然后进入等温区，等温区设置的保温温度为600～630℃，等温时间约为40min。等组织完全转变成铁素体+珠光体后，再进入到缓冷区，该区域主要起到去应力作用，缓冷时间大约为30min。最后进入对流区，使锻件迅速冷却到室温，以便下料。

进入等温区温度在初始等温温度以上20～30℃。控制臂锻件从高温下快速冷却下来，忽然在某一温度停留，造成奥氏体稳定化，即热稳定化。由于奥氏体的热稳定化，将转变温度递减滞后一定范围。因此，将进入保温区时的瞬间温度预定在等温温度以上约20℃，相对来说降低了20℃，有利于过冷奥氏体直接转变。图2是38MnVS非调质钢控制臂的冷却曲线。

图2 38MnVS非调质钢控制臂冷却曲线

图3为某38MnVS非调质钢控制臂经锻造成形并控冷后的金相组织照片。由图3可以看出，锻件组织由铁素体和珠光体组成，组织分布较均匀，铁素体成块状和断续网状分布。通常，中碳钢锻件经过锻造变形后，冷却速度或者过冷度不大时，先共析铁素体在晶界析出充分，铁素体沿奥氏体晶界长大速度远大于向晶内长大速度，易于沿着奥氏体晶界呈网状析出。在一定范围内，随着过冷度增大，先共析铁素体晶粒变得细小，网状结构越明显。当冷速或者过冷度达到一定程度，先共析出铁素体，晶界、晶内均析出，组织比较均匀，晶粒度达到6～7级，没有出现粗晶、混晶等现象。说明控制臂锻件在此控冷工艺下比较合适，等温温度为600～630℃时，金相组织良好。如果等温温度过高，过冷度较小，容易生成大块状铁素体，并且有团簇状现象产生。由于较高温度转变时，先共析出铁素体在晶界处充分析出，铁素体含量较高。如果等温温度太低时，过冷度太大，先共析出铁素体变得很细小，铁素体数量太少，容易形成贝氏体组织。

图3 38MnVS非调质钢控制臂控冷后的金相组织

38MnVS非调质钢控制臂锻件经过锻造后，均通过以上控冷线对控制臂进行冷却，锻件金相组织、硬度和机械性能都能达到技术要求，能完全满足顾客的要求。

曲轴用非调质钢现状

曲轴用非调质钢

曲轴是汽车发动机的重要零部件，曲轴是在不断周期变化的载荷以及往复和旋转惯性力和扭、弯力矩共同作用下做功的，主要受拉应力、扭转应力、弯曲循环周期应力作用。各轴颈在很高的比压下，在轴承中高速滑动摩擦而产生较高的温度和磨损。据统计，曲轴主要失效形式是弯曲疲劳断裂失效和轴颈磨损失效。因此，曲轴材料必须有较高抗拉强度、疲劳强度，较高的硬度及耐磨性，且心部有一定的韧性。

表2 49MnVS3非调质钢的化学成分 （单位：%）

曲轴是最早应用“铁素体+珠光体”型非调质钢的零部件，目前国内常用的曲轴用“铁素体+珠光体”型调质钢包括49MnVS3、48MnV、38MnVS、38MnVSi以及国外牌号C38、N2等，分别可应用于摩托车曲轴、轿车曲轴及卡车曲轴等。如东风汽车采用48MnV制造康明斯发动机曲轴，江铃汽车采用49MnVS3非调质钢制造曲轴，德国大众采用49MnVS3制造桑塔纳汽车发动机曲轴等。

非调质钢曲轴的锻造工艺性

49MnVS3非调质钢曲轴用钢供货状态为轧制空冷态。锻造工艺流程为：下料→中频加热→辊锻→预锻→终锻→切边→校形→控冷→抛丸。

非调质钢曲轴的生产工艺及改进

技术性能要求：表面硬度225～277HBW，同一根硬度差≤15HBW；心部硬度225～277HBW，同一根硬度差≤20HBW；金相组织为“铁素体+珠光体”，晶粒度3～7级，脱碳层≤0.5mm。

最初生产曲轴过程中出现很多问题，如晶粒粗大，硬度过高，小头与大头硬度散差大，超过技术要求规定的散差值，伸长率只有8%～9%，达不到技术要求。分析产生的原因及解决方法如下。

⑴晶粒粗大的原因。中频炉加热温度过快，在中频炉内停留时间过长，炉膛内高温停留造成晶粒度过大；曲轴毛坯进控冷线温度偏高，在传送带上高温长时间停留，促使了晶粒的长大。

改进方法为中频加热炉时间由3min改为1.5min，中频加热温度由1250℃降为1200℃，进控冷线的温度控制在850℃左右。经采取上述措施，晶粒度由1～2级变为3～5级。

⑵硬度过高，大小头散差大的原因主要是加热温度高，保温时间长，晶粒粗大，合金元素充分溶解，冷却过程充分弥散析出；而且冷却时间过长，铁素体含量少，珠光体含量多造成硬度偏高；两头散差大主要是大小头直径相差大，冷却速度不一致所致。

改进方法为降低加热温度和保温时间，细化晶粒，进控冷线后前期快速冷却到660℃左右，缩短冷却时间；考虑到大小头直径相差大，进控冷线前在小头上套上一个保温管，以使大小头冷却速度基本一致，减小硬度散差值。经验证，改进后的产品硬度保持在250～270HBW之间，大小头硬度散差小于15HBW。

⑶伸长率偏小的原因。晶粒粗大、珠光体量的增多及其片层间距减小，析出强化程度高，都降低了材料的韧性。而且铁素体呈网状析出，铁素体含量少也降低韧性，抗拉强度增加，屈服强度下降。

改进方法为降低加热温度，控制控冷过程，细化晶粒，增加晶粒度有效面积。

结束语

控制臂、曲轴分别采用非调质钢38MnVS、49MnVS3生产。在最初生产过程中，出现了许多技术问题，如产生异常组织、晶粒粗大、强硬度高、韧性低、硬度不均匀等问题。针对这些出现的问题，不断摸索和开发新工艺，例如锻造过程加热温度、保温时间的合理控制，控冷线的结构设计及冷速、保温合理化等。通过对生产线工艺流程的严格控制和反复试验，得出了控制臂和曲轴等非调质钢汽车零部件的工艺参数和生产规律。