我国非调质钢的发展与应用

󰀁󰀂 !!∀#%∃ ·开发与应用)5·我国非调质钢的发展与应用李桂芬∋()∗(王琪黄瀚300/∗432∗,∃+,−.(/=:)(/,01(∃23∃.6󰀁∃56,−1∗4∋,3//,9(.(∃:∗∃((∋∗∃:;2((/∗∃4<∗∃3>178 !!∀=?≅Α+7ΑΒΧ=.5ΑΒ<7Α摘要本文综述了我国非调质钢的研究与应用情况内容包括显微组织参数化学成分和热加工参数等对性能的影响及非调质钢的断裂行为疲劳性能和可切削性文中比较了非调质钢与调质钢在上述性能方面的差异关键词非调质钢微合金元素7显微组织78性能≅Κ≅3Δ;2∋342Γ≅786=Ι≅Η=≅85Γ5ΦΙ5ΑΦ72Ε=ΦΓ5Μ≅ϑ66Γ≅8Φ>ΗΗ=ΑΒ=≅ΦΙΕ≅ϑ65ΓΗ≅ΑΙ7ΑϑΕΜΦ7≅7Ι5ΓΓ6==≅Α5??≅88=Ι≅ΙΕ7Ι≅5Λ≅ΑΒ=Α≅≅8ΦΙ≅≅6Φ=Α4Ε=Α7∗Ι ΝΟ8Φ58ΙΙ5ΗΓΕ7Φ=Π≅Κ78Η==7ΑϑΓ85≅≅ΦΦ≅≅8Ι≅Φ8Φ78≅ΙΕ≅Η5ΦΙ≅8=Ι=≅76?7≅Ι5≅≅7??≅≅Ι=ΑΒΓ≅8Ι≅ΦΙ8>≅Ι>8≅=7Θ6≅Φ77ΑϑΙΕ≅8≅ΘΜΙΕ≅Γ85Γ=5?ΙΕ≅>≅ΦΙ≅≅Φ617ΑΕ7Α=≅76Γ7≅85=5?ΙΕ≅ΦΙ≅≅Φ665ΑΒΙΕΟ=Α87≅Ι>8≅Θ≅Ε7Κ=5>Ο=ΙΕΙΕ5Φ≅?7Ι=ΒΕ≅ϑΓ85Γ≅8ΙΜϑΗΦ6Ε=Α7Θ=6=ΙΜ78≅Γ8≅Φ≅ΑΙ≅ϑ=Α≅5ΗΓ78=Φ55?Ρ>≅Α≅7ΑϑΙ≅ΗΓ≅8≅ϑΦΙ≅≅Σ(9Ι>8≅+,∋.;Η=≅8575Μ≅ϑ66≅ΑΒ=Α≅≅8=ΑΒΦΦΙ≅≅6Η=≅857665Μ=ΑΒ≅≅6Η≅ΑΙΗ=≅85ΦΙ8>≅0850≅8ΙΜ 引言调质钢用于生产机械零件过程中能耗大和生产工序繁多导致了生产效益低而钢中加入微合金元素钒妮或钦后并通过控轧󰀂锻#和控冷工艺获得的非调质钢则免去了上述生产过程中的不利因素其性能与调质钢相当因而许多机械零件可用轧󰀂锻#态的非调质钢来取代调质钢Τ昨调质钢的化学成分和显微组织非调质钢可分为切削用锻造用冷拔用和高强高韧四类表 和表ΥΤ分别列出了我国研制的 Ν种非调质钢的化学成分和力学性能。、〕其化学成分和工艺参数对力学性能的影响〔可用下列回归方程表达‘󰀂107#ς一Τ Ν ΝΩ %Ξ!;4ΨΩΤ󰀁 Ζ1ΑΨΩ 󰀁%[,)Ψ󰀂 #一%%ΞΤ!∃󰀂ΓΓΗ#Ω%Τ[[!2󰀂4#Ω ΤΤ!4∋󰀂54∴Φ#。󰀂107#ς一Τ∀ΤΖΝΩΝ[󰀁%󰀁4ΨΩΤ % %1ΑΨ十 󰀁󰀁 %)ΨΩ% 󰀁!∃󰀂ΓΓΗ#Ω% Ξ[2󰀂54#Ω !ΤΤ4∋󰀂℃∴Φ#󰀂Τ#ΑΙ6∗5];Ι6∋≅Ε∗ΑΙ=ΙΙ11∗#作者单位冶金部钢铁研究总院󰀂4%%%Ξ #冶金部钢铁研究总院󰀁室作者联系人李桂芬高级工程师北京󰀂 !∀钢铁研究学报表27Θ6≅ 4Ε≅Η=≅764%%%%%%%%%% 5Φ我国研制的非调质钢化学成分Ψ≅5ΗΓ=Ι=5ΑΦ5?131Α≅ΑΒ=Α≅≅8=ΑΒΝΦΙ≅≅6Φϑ≅Κ≅56Γ≅ϑ=Α4Ε=Α7)%%󰀁一%Ψ2=钢Μ−[Ν);号;0[Τ_%[!∀%∀Ξ∀Ξ∀Ξ∀Ξ%%[%一%[%󰀁%%Ζ%一 %%%%∀%%%%%%%[Ν_%%[Ν_%%[Ν_%%[Ν一%%∀%%ΖΝ%ΖΝ%ΖΝ%ΖΝ%Ξ%镇%镇%提%%[Ν%[Ν%∀% Τ Τ9−[Ν1Α); [[_%∀Τ_%[Ζ∀%一%󰀁% %一 %%󰀁一%9−∀Ν);9−∀%1);9−∀Ν1Α);−∀Ν)−[Ν1Α)∃−∀%1Α)−∀%1Α)2=%%%%Τ%一%Τ%_%[%一% Ζ_%Τ%_% Ζ_%Τ%_%Ν%_% Ζ一%[%∀%∀%Ζ%一 Τ%_ %%%%Ν%∀%%%󰀁_% Τ Τ [__%% % % 镇%󰀂%∀%%∀%%[Ν%∀%%[Ν%∀%%[%%[%%[Ν%%%Ζ_%%Ξ󰀁%[Ζ∀%_ _%_%∀Τ_%[ΤΝ%一%Τ%!%Τ%∀%Ξ%Ν%簇%󰀂%%[Ν%∀%%[Ν%∀%%[%簇%镇%%%%%%󰀁_% %_% _%%Ξ一% Τ Ν 󰀁 Ν%%∗_%[!∀[∀[%%%%%%_ %% _%%Τ[Ζ_%[Ζ一%%󰀁[Ζ∀%一 Τ%簇%镇%󰀂%一 Ν%毛%镇%镇%簇%簇%% 一%%󰀁_%%∀% %Ν/− %;∗1Α2=一% ΤΞ%[Ζ_ Ζ%簇%簇%󰀂 Τ%Ξ%∀∗/− %1Α⎯2Δ/−Τ%1 Τ%%%%%∗%!_% [ΤΤ !%_Τ[Ν_ [Ν∀%%[%%%%%Ξ_%% 一%%∀ Τ%∀%%_% 󰀁_% Ν一%Τ!一%[Ζ一%一%󰀁%ΖΝ%%[Ν一%/− Ξ1Α⎯):−[Τ;刊Τ%[Ν∀Τ%%%[Ν_%[%_%∀%󰀁Ν󰀁%Ζ%⊥一 ΖΝ镇%提%%[%%[Ν%[%%[Ν%[Ν一%_%%Ζ%% 一%%∀1Α⎯) Ν%_ Ξ%簇%%%%Ζ Τ Ν%:−∀%;1Α);_% %%一 Ν%%%∀%一%%ΖΝ󰀂%%Ξ一%%%Ν一%%Τ%注∗切削用钢⊥锻造用钢⊥。占󰀂Ψ#ς∀Ξ∀Ν一Τ 高强高韧钢一冷拔用钢ΞΤ4Ψ一ΝΤΝ[1ΑΨ一[Ν份一󰀁∀)Ψ一Ψ一%%,∗,Ζ2?󰀂℃#%ΤΝ[2,󰀂[#沪󰀂Ψ#ς [ΤΖ一Ν Ζ54Ψ一ΨΩ![󰀁!1ΑΨ一 󰀁 Ψ一%∀)󰀂℃#%Ν󰀁∀2󰀂℃#󰀂∀#󰀂Ν#3Σ󰀂α#ςΤ 󰀁ΤΤ一 󰀁[ΤΤ4Ψ一[ ΤΞ∀Τ)Α%∀󰀁Τ∃󰀂ΓΓΗ#一%<∋4ς一![󰀁Ω∀ ∀∀4∀󰀁1Ψ十󰀁 )ΨΩ%,,∀,Ζ∃󰀂ΓΓΗ#Ω%,Ζ󰀁[4∋󰀂4∴Φ#󰀂󰀁#⊥式中—_之间的冷却速率—碳是最有效的强化元素但在强化的同时却对韧性损害很大4∋Ξ%%󰀁%%℃22分别为热轧󰀂锻#起始和终止温度钢中碳含量增加珠光体百分数增加结果强度升高而韧性下降二抓锰含量增加珠光体百分数增大片间距减小渗碳体片变薄在这种情况下锰有利于强度和韧性的提高性硅促进铁素体形成和均匀分布而提高韧在钢中加入&%%Ν[Ψ一%%%ΞΨ的硫可形成易切削的复合夹杂物提高可切削性闭微合金元素碳化物和氮化物的溶解度可由溶度积公式来计算于一般的轧󰀂锻#加热温度钒的碳化物或氮化物溶于奥氏体中 !一3一Δ∴2β1〕β4〕对在热加工后的冷却过程中在铁素体中析出碳化钒产生析出强化作用碳化钒的溶解度大大高于其它微合金化合物因此在非调质钢中钒是最常用的析出强化元素强度随钒含量的增加而直线增长过%如果钒含量超Ν Ψ韧性降低很多最佳的钒含量范围是∃。󰀁%⊥Ψ一% ΝΨ高温下钦与氮或氧生成2∗核核心⎯。或2=,微粒细化奥氏体晶粒并作为先共析铁素体的形钦是最活泼的微合金元素它与硫可生成2=4;⎯Υ和2∗;在热加工过程中它们比1Α;硬而不易变形降低了因夹杂物伸长而导致的各向异性并有利于冷拔性能&∀可作为晶内铁素体的核心提高钢的韧性ΥΝ钦的化合物%」在非调质钢中钦的含量在% %Ψ_∀%Ψ范󰀁󰀂 !!∀#%∃ 围内表27≅ΤΘ6Τ我国研制的非调质钢力学性能与应用Φ7Α1≅≅Ε7Α=≅76Γ85Γ≅8Ι=≅ϑ7ΓΓ6=≅7Ι=5ΑΦ5?13≅ΑΒ=Α≅≅8Α=ΒΦΙ≅≅6Φϑ≅Κ≅5Γ≅ϑ=Α4Ε=Α76力学钢9−[Ν);号叮Θ性能应必Ψ用10ΝΞΞ叮1Γ[!Τ7占Ψ3Σα9−[Ν1Α); 9−∀Ν);9−∀%1Α);9−∀Ν1Α);−∀Ν)−[Ν1Α)∃∗−∀%1Α)−∀%1Α)2=/− %;∗1/− %1&ΑΑ2=⎯2∗Δ⎯/−⎯51/− Ξ1ΑΑ⎯)—妻󰀁Ξ󰀁#󰀁Ξ󰀁ΖΞΝΖΞΝ##妻 Ξ#∀Ν########Ν!∀!连杆连杆曲轴轴类妻∀∀ #∀∀ ∀!%## Ζ》∀%#∀%∀%∀% Ζ∀!####》 Ν####[!轴类轴类曲轴连杆连杆》∀!%####∀∀ Ν Ζ Ν Ν[ ∀![![!󰀁Ξ󰀁####生。》ΖΞΝ#ΖΞΝ∀!%》∀%∀!%∀!%#####∀%∀%Ν%》ΖΞΝ ΝΤ%》[!轴类!ΝΝ%_ΖΝ%∀%%_Ν󰀁%###Ξ级螺栓1󰀁一Τ∀一ΞΤ%_!Ν%󰀁%%_ΖΤ%Ζ _ΞΝΝ Ν ∀∀Ν %Ξ!级螺栓1 %Τ∀#∀%%∀%%Ν%Ν%∀%∀%#!ΞΞ级螺栓级χ󰀁[%一Ζ[%#####ΤΤ Ν Ν###!Ξ型螺栓1 %一 󰀁:−[Τ;∗1Α⎯))∗妻Ξ[%Ν∀%%#Ν!转向节轴类:−∀5Φ=1Α);#∗ΞΞΤ》Ν∀》Ν!注高强高韧钢一冷拔用钢奥氏体应变诱发析出的碳化妮微粒可阻止奥氏体再结晶晶粒长大∗切削用钢⊥锻造用钢⊥⊥)∗细小的奥氏体晶粒导致细小的铁素体组织故妮有利于提高韧性元素加入更有益于改善性能每一种微合金元素在钢中的作用都有其特点复合加入可综合发挥各元素的作用比单一妮钒复合加入使铁素体晶粒和珠光体团细化渗碳体片变小并阻止相间析出从而在亚晶界和位错上析出在钒钢中加入钦可增加钢的韧性但降低强度在上述微合金元素中钒用于析出强化钦作为细化晶粒元素妮的作用介于两者之间并常用于阻止奥氏体再结晶化学成分是非调质钢性能的基础而合适的工艺参数则有益于进一步提高非调质钢的性能[工艺参数热变形工艺参数对非调质钢性能影响很大尤其是韧性工艺参数包括加热温度变形量变形速率终轧󰀂锻#温度和轧󰀂锻#后的冷却速率加热温度升高碳化物和氮化物按钒妮钦的顺序逐渐溶入奥氏体中奥氏体晶粒长大粗大的奥氏体晶粒导致相变后珠光体百分数珠光体团和渗碳体片厚增大铁素体晶粒减小大量溶解在奥氏体中的微合金碳化物和氮化物在冷却过程中析出由上述分析可知增加加热温度非调质钢的强度增大塑性和韧性降低延一脆转折温度升高变形量和变形速率增大引起了奥氏体晶粒碎化这样铁素体百分数增加铁素体晶粒尺寸钢铁研究学报和珠光体团尺寸减小细小的组织使强度和韧性同时上升终轧温度降低奥氏体再结晶不充分转变后组织为细小的铁素体晶粒和珠光体团强度和韧性提高而抗拉强度基本不变或略有降低屈服终轧温度应根据钢的化学成分来选定困热加工后冷却速率增大珠光体百分数增加同时铁素体晶粒尺寸珠光体片间距和渗碳体片厚降低川冷却速率增大的作用有点类似加热温度升高的作用但有一点需要指出的是冷却速率对析出强化的影响冷却速率增加析出物弥散程度增大但当冷却速率超过一定值后析出不充分反而降低析出强化作用综上所述降低加热温度和终轧󰀂锻#温度增大变形量和变形速率和较快的冷却速率均有利于同时提高强度和韧性∀∀非调质钢的特性 断裂行为在拉伸试验状态下非调质钢的断裂机制与相同碳含量的调质钢相似然而在冲击试验状态下非调质钢则表现出与调质钢不同的断裂机制应变速率对断裂机制影响很大在高应变速率下󰀂如冲击试验 %一[。约 护Φ一’#非调质钢为准解理断裂⊥而在低应变速率下󰀂如拉伸云约Ν一’#非调质钢为剪切韧窝断裂在冲击状态裂纹扩展能∴冲击吸收总能量δ。[临界裂纹一旦形成后很容易扩展而导致断裂在拉伸状态裂纹扩展能∴拉伸吸收总能量ε%Ξ裂纹扩展所受阻力较大不易发生突然断裂ΞΤΝ仁丑因此非调质钢适合应用于承受冲击载荷较小的场口−[Ν1Α)∃钢的冲击试验结果表明解理小平面与奥氏体晶粒尺寸相当奥氏体晶粒的细化导致细小的解理小平面从而阻止裂纹扩展改善韧性到Τ%拜Η当断裂小平面尺寸由 [ ΥΓ拌Η降低󰀂Ζ#冲击韧性值由3Σ󰀁;α增大到󰀁∀;α−∀Ν)Α钢的多元回归结果如下 󰀂α#ς[󰀁∀Ν一 [%⊥Ν∀4ΨΩ[󰀁1ΨΩ一⎯ΞΝφ %ϑ一’ΩΤΤ%[.式中—珠光体的退化参数—试验结果与计算结果符合得很好.ϑΓ珠光体团平均尺寸空冷的−[Ν1Α)∃钢随加热温度由Ν %%℃增大到 [%%℃其断裂韧性Σ4Ζ由󰀁∀10降到∀Ν7Η告107Η告在相同的加热温度下当风冷空冷和堆冷时Σ,。分别为∀Ν,。Ν󰀁∀Ν和ΝΞΤ107Η告铁素体的平均自由程越小则Σ。值越大Ν钢的Σ与调质∀一󰀁Τ。107Η告相比非调质钢的断裂韧性值略低∀Τ疲劳性能−∀51ΑΚ2=钢的旋转弯曲疲劳强度为∀Τ%一∀Ζ%107高出调质∀Ν钢∀Ν_!Ν1079Α∀51−Κ󰀁107与相同硬度的调质钢的疲劳强度差不多图钢的拉压疲劳强度为[Α尽管9−%∀1)钢的冲击韧性低于调质钢但小能量多冲试验表明9−∀%1Α)钢的小能量多冲性能优于调质∀Ν钢因此用可行的Ν钢∀Ξ9−∀%1Α)钢取代调质∀Ν钢制造承受小能量多冲零件是曲轴的弯曲疲劳结果表明Ψ9−∀Ν)∀钢相同并高于正火钢曲轴的弯曲疲劳强度与调质Ν9−∀51Α)调质∀%和调质Ν%钢的拉压疲劳抗力相等均为[!γ6少∃而调质󰀁󰀂 !!∀#%∃ 548钢的拉压疲劳抗力为∀Ν∀∀只% ‘∃当施加载荷超过疲劳抗力时9−∀51Α)钢连杆的疲考性能大大优于调质和调质Ν钢8在高载荷下优于调质∀%4钢这表明9−∀51Α)钢的亢超荷能力很好川吞[可切削性车削试验表明9−∀Ν)钢的可切削性比调质∀Ν钢好低速切削时9−∀Ν)钢的可切削性9−∀ΝΚ钢时刀具磨损较小在钻孔试验中蘸麟燕狠翻羚熊嚣调质∀%钢相同而优于正火∀%钢&∀∀其它性能感应淬硬性对于非调质钢的应用很重要在相同处理条件下非调质钢的表面硬度与相同碳含量的调质钢相等如钢相等9−∀Ν1Α)钢9−∀%1Α)钢表面淬火硬度分别与调质∀Ν钢和∀%48但是非调质钢的表面淬火层深度较小需指出的是非调质钢中往往会出现网状屈氏体而且过渡区间宽调质∀%刚以48和∀Ν钢的组织较细小并过渡区窄感应加热淬火参数应严加控∀Ν漏竺笼巍碳责翌气袋器罩巍钢的化合物层致密硬度些卿华严烹瞥,畔色&0介和蓬漳认赢艳煌置扩氰疑扮黑裂镌凳于钢由于在优调这是氮化层中存在分散的碳氮化合η%扁廊几锅雨蒜拭蔽物在高载荷下这种优点就更为明显薄并时与调质和∀η%8钢相比,Ν∀8‘。二二Ν应用目前我国生产的非调质钢主要是棒材制品其直径由 ΞΗΗ到 %ΝΗΗ加硫的切削用非调质钢用于轧后需大切削加工量的零件锻造用非调质钢适合于小切削加工量的锻造零件这两类非调质钢可用于生产曲轴连杆转向节差动轴齿轮和活塞杆切削用非调质钢还大量用于车床的各种轴类零件生产冷拔用非调质钢应用于高强度螺栓尤其是长杆螺栓用非调质钢生产螺栓可降低脱碳倾向提高尺寸精度〔中的花键轴汽车上的前轴等󰀁‘’〕高强高韧非调质钢用于生产保安件如磨床结语夸竺回夸是塑里赞奎盛里垫域钦录高加处石桂篓#鲤燮竺箭甭茬毙靠摘益艾宇憨黔‘竺誊登径第三代非调质前平舌兹磷舒竺叁畔气梦烈鹭皇⊥葡贾谁歇茄添兹叠复以预不久适多场合可计在的将来非调质钢将大量取笼函Ε爵诗,筱乱喜扬裂赢巍#的保安件上可通过添我国的钢铁和机械行业对非调质钢的开发应用兴趣很大存代调质钢来生产机械零件钢铁研究学报参 Τ[∀Ν󰀁考文献李雪魂张本生钢铁钒钦钢铁钒钦 !ΝΖΦ󰀂Τ# 一 % !ΞΖΞ󰀂Τ#[Ζ一∀[李桂芬等殷匠等钢铁 !!%ΤΝ󰀂Ξ#∀Τ一∀Ζ第二届材料学会年会论文武汉钢铁研究学报 !!。年Α月董瀚等 !Ξ!%年增刊Ν一∀Ν雍启龙等李桂芬等董瀚等徐善义微合金钢Ζ—钢铁钒钦物理和力学冶金北京机械工业出版社 !Ξ![Ν% !ΝΖΞ󰀂Τ#󰀁[一󰀁ΞΞ!Τ% 机械工程学报钢铁钒钦Τ!!%Τ󰀁󰀂∀#Τ%一Τ∀ !ΞΖΞ󰀂Τ#[Τ一[󰀁9−∀Ν1ΑΚ钢鉴定资料北京 !ΞΝ王学诚钢铁 !Ξ!Τ∀󰀂[#[Ν一[Ξ简讯·消除轧机传动件共振的控制器4,∃2∋,//(∋−,∋(/∗1∗∃32∗∃:∗∃2∋3∃;1∗;;∗,∃Ν4,1(4<3∃∗43/∋(;,∃3∃4(10∃(∃2;∗∃3∋,//∗∃:1∗//摘自󰀂;Ι≅≅62=Η7≅Φ》 !![)56ΤΤ ∃5󰀁Τ󰀁[瑞典−>Α=ϑ钢公司为消除轧机传动件󰀂如联轴节齿轮箱#的机械共振现象安装了驱动装置软件控制器进行了现场试验并已取得成功称∋−(#∋−(Φ该软件控制器称为共振频率消除器󰀂∋≅57ΑΑ≅≅−8ηΡ>≅ηΑΜ6=Η=7(5ΑΙ8[简可提高轧机的生产率降低维修成本在轧机受到坯料冲击驱动装置减速后可使轧机平稳地恢复速度并使合成冲击速度下降Τ∴Τ∋−(可降低轧机的噪音还使驱动装置的转速高达原来的∋−(倍还使产品质量提高另外因其平稳的速度控制减少了齿轮箱和其它部件的机械磨损驱动装置采用∋−(控制后消除了因传动件磨损引起的轧机震动因而不必更换联轴节和齿轮箱 !! 年秋季−>Α=ϑ7公司安装了世界首套∋−(装置由于它的成功使该公司决定在其它生产线上也安装该装置有效性 !!Τ年英国的两架轧机也安装了此装置并成功地消除了驱动装置噪音进一步证实了∋−(的󰀂陆岩