锻件用材——非调质钢锻件及其晶粒细化技术

  非调质钢因节能、降成本、生产周期短和不存在调质工艺缺陷等优点，在汽车锻件和工程机械上得到广泛应用。高强韧化一直是非调质钢的发展趋势。从第1代49Mn VS3牌号非调质钢开始，按照增加铁素体含量和强化铁素体的技术构想，发展了低碳、高锰的40Mn VS、38Mn VS、30Mn VS以及高硅的更高强度的38Si Mn VS和30Si Mn VS等典型钢种，称为高强韧性“珠光体-铁素体”非调质钢；低碳和中碳贝氏体非调质钢以中温转变的粒状贝氏体和粒状组织为基体组织，相对 “珠光体-铁素体”非调质钢锻件具有更好的强韧性配合。

  相对于相同强度等级的调质钢锻件件，非调质钢锻件、尤其是热锻非调质钢锻件的塑韧性较低。除上述组织因素影响外，热锻（热轧）控冷工艺状态下的非调质钢锻件及其制品，因为比调质钢制品少一次820 ~880 ℃的低温奥氏体重结晶工艺，其晶粒比调质钢的粗大，是导致其韧性较低的另一重要原因。常用调质钢零件在调质状态下的原奥氏体晶粒度可以稳定在5~10级，而非调质钢锻件制品，尤其是锻后控冷状态的非调质钢热锻件的原奥氏体晶粒度则较少达到7级，大部分在5级以下，如果控锻控冷工艺不当，甚至粗至00级。

  锻件利用Ti、Nb、V、Al、N、B微合金化对传统锻造用钢锻件进行适应性改造，控制其不同温度区间析出物的数量和大小，达到析出强化、细晶强化或控制晶粒长大的作用，提高其力学性能和工艺性能。作为典型的微合金化非调质钢，铝镇静钢中Al N晶粒细化的作用为众人熟知。此外，齿轮钢、弹簧钢、冷镦钢等常用钢种的微合金化改造又有新的进展。

    1、渗碳齿轮钢锻件的微合金化

  对传统渗碳齿轮钢进行微合金化，优化了高温渗碳齿轮钢、冷锻齿轮钢、细晶强化高强韧性齿轮钢等先进齿轮钢品种。

    2、高温渗碳齿轮钢锻件

  常用渗碳齿轮钢锻件利用残余的0.01%~0.05% Al，使其930 ℃奥氏体晶粒度细于5级，如果将Al含量稳定在0.02%~0.05%，提高N含量至0.010%~0.020%，控制Al/N比，则可以将Al N的溶解温度即渗碳钢的奥氏体晶粒粗化温度提高至950 ℃，从而为高温气体渗碳工艺的应用提供材料支持。950 ℃气体渗碳材料工艺技术均可在传统的井式渗碳炉、多用渗碳炉和连续式无罐炉上实施，具有良好的应用前景。为减小或防止内氧化对齿轮渗层强韧性的影响，更高温度的渗碳需要采用低压真空渗碳技术，高温低压真空渗碳齿轮钢的渗碳温度高达970~1 050 ℃，此时单纯利用Al、N的微合金化不能阻止奥氏体晶粒粗化，需要添加固溶温度更高的氮化物如Ti、Nb等元素。Ti、Al、N复合微合金化齿轮钢20Cr Mn Ti H在保温时间为6 h情况下，其970 ℃和1 050 ℃加热奥氏体晶粒度可分别达到8.0级和6.5级。在其中添加0.02% Nb，其1 000 ℃晶粒度可达到9.0级。

    3、冷锻齿轮钢锻件

  冷锻齿轮钢锻件同时融合了微合金化和热机械轧制技术，添加Ti、Al、N或Ti、Nb、Al、N微合金化，以细化热轧态晶粒，阻止冷锻齿轮在后续加热过程中的晶粒异常长大。热机械轧制的目的在于细化热轧交货状态晶粒度，通过应变诱发铁素体析出，增加铁素体含量，降低交货状态硬度。以上两种技术的复合，使冷锻齿轮钢的塑性增强，临界压缩率达到80%，无需球化退火就能满足冷锻工艺要求；冷锻成型后，可以省略再结晶退火，直接进行渗碳；渗碳后无需二次加热淬火，就能达到晶粒度要求，达到节能降耗、简化工艺、提高效率的目的。