源于1970年代初石油危机的微合金非调质钢在30年多年来发展迅速,其研究、生产和应用工作不断加强。其强韧性不断增加,从开始的替代热处理碳结钢,到后来的替代热处理合结钢;钢中的夹杂元素提高切削性能、提高韧性、促进析出强化等有利化运用工作;控制钢中的主要化学合金元素成分范围不断减小;基于控锻控冷的锻件组织控制技术发展迅速;热轧钢材的表面质量不断提高;在汽车锻件上的应用范围不断扩大,几乎可以扩大应用到所有的锻钢件。
1972年德国Thyssen公司开发了省略热处理工序的世界上第一个非调质钢49MnVS3,用于制造热锻汽车曲轴。1970年代末起,工业化国家先后开展了非调质钢的研究和开发。日本各钢厂研究和开发了一系列非调质钢,并应用于生产汽车曲轴、连杆、转向节、转向节臂、轮毂、机床轴类、螺栓等,如日本已有75%以上的连杆和60%以上的曲轴用非调质钢制造;德国汽车曲轴、连杆、前轴、半轴等锻件70%以上采用非调质钢制造。法国、意大利、英国均分别研发了具有特色的微合金非调质钢系列。
我国汽车和机器制造的发展,对非调质钢棒材的高品质需求不断增长,热加工性能、强度、韧性、抗疲劳性能和切削性能不断提高,要求成本不断降低。“七五”期间开始的非调质钢攻关研究奠定了我国非调质钢的技术基础,建立了我国非调质钢标准。通过“九五”和“十五”攻关,我国在非调质钢的研发方面取得了进展,非调质钢的冶金质量和性能水平得到提高,可以生产工业化国家品牌轿车用非调质钢棒材。由于汽车安全性和轻量化要求的提高,对非调质钢的品质要求不断增长,如胀断连杆用C70S6非调质钢、性能要求更高的前轴和半轴用非调质钢、高性能大功率发动机曲轴用非调质钢等要求更高的加工性能和使用性能。
非调质钢利用控制轧(锻)控冷来获得所需强韧性,化学成分波动和组织均匀性对性能影响大。高品质非调质钢生产采用炉外精炼控制成分、微量元素精确控制、夹杂元素有利化、控锻控冷、高表面质量等技术,保证钢材的冶金质量和性能稳定。非调质钢零件一般需要经过机加工工序,故需要良好的切削性能以保障高生产效率和高表面质量。非调质钢中的硫化物控制技术非常关键,除了影响切削性能之外,利用好可以提高热锻件的力学性能。我们现在化学成分的窄范围、硫化物、组织精细控制等方面还要开展工作。由于微合金元素的价格居高不下,所以我们还需要考虑少添加或不添加微合金元素的新型非调质钢。
一般非调质钢的抗拉强度在700—900MPa(0.2-0.5%C)范围内,与调质钢相当,高于热轧态碳结钢。如果我们在中碳钢的扩散相变中运用组织细化的思路(在新一代钢铁材料研发中成功实践的技术),是否可以提高碳结钢的强度达到微合金非调质钢的强度呢?就我们已有的研究工作,可以认为有可能做到这一点的。这样就可以碳素非调质钢替代微合金非调质钢,节约合金元素,进一步降低钢材成本。这项工作将在此次课题中深入开展。
为了促进非调质钢的生产和应用,本课题将开展四个方面的研发工作。
研发高品质非调质钢所需的窄成分精确控制、硫化物等第二相细化及均匀分布技术、铸坯成分偏析控制技术、控轧(锻)控冷技术、锻轧过程中组织、性能演变及其预报技术及非调质钢应用技术等关键技术。化学成分偏差控制使[C]绝对值差从0.08%提高到0.04%,[Mn]绝对值差从0.25%提高到0.15%,[V]绝对值差从0.03%提高到0.02%,[S]绝对值差从0.025%提高到0.015%。
开发出具有良好综合性能的非调质钢及其成套工业生产和应用技术(以胀断连杆用高碳钢,半轴、花键轴、叉等用中碳钢,前轴等用中低碳钢等非调质钢为典型代表),实现工业化应用。典型高品质非调质钢力学性能达到使用要求。胀断连杆用高碳钢C70S6的Rm=900~1050 MPa;半轴、花键轴、离合器分离叉用中碳钢的Rm=840~1100 MPa、;前轴用中低碳钢的Rm=900~1040 MPa。
在充分调研国内外近年来非调质钢生产和应用的基础上,对已实施了十多年的非调质钢国家标准进行修订,规范和引导非调质钢的生产与应用。