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汽车工业中微合金钢零件的生产和应用性能研究 M. Baffigi, S. Cogso(Fiat Auto S.p.A., Turin, Italy) A. Giaccone, L. Infante(Dettasider S.p.A., Turin, Italy) 摘 要: 在机械制造部门现行的趋势是应用微合金化钢替代淬火－回火钢制造长材产品，其具有 有效的成本优势。除了在实验室试验证实微合金化钢的使用性能之外，还需要通过该钢制造的 零件在实际使用中的试验以确定该微合金化钢的最终用途。 本文中讨论的曲轴代表了菲亚特汽车公司首创的微合金化钢在零件制造中的应用试验，它 可以作为微合金化钢成功应用途径的最好实例。 微合金钢作为淬火－回火钢的替代品 高强度的机械零件通常由中碳钢或低合金钢经锻造后淬火－回火工艺生产。这些钢具有索 氏体化的微观组织（铁素体中的球化碳化物），强度达到800-1000MPa，在使用中表现出了最 佳的强度、抗疲劳和抗冲击载荷相配合的综合性能。但生产周期中的淬火－回火工序不仅直接 增加了热处理成本，而且间接地带来了淬火－回火变形后的矫直成本（有可能造成断裂），因 此较高的能源成本使这种生产工艺相当不经济。 在微合金钢开发之前，用户通常采用铸铁件，铸铁件不需锻造生产，并具有良好的机加工 性能。尽管铸铁件的内部较脆，但其在应用中的可靠性与淬火－回火钢相当，而其塑韧性不影 响其主要的使用性能。曲轴和凸轮轴是铸铁作为常规用途的例子。 锻态淬火－回火钢的塑性优于铸铁件的塑性，但其应用受到拉伸性能的限制。通过控制锻 造工艺来提高钢的拉伸性能有几种主要方法，即 ⑴ 锻后快速冷却（相变强化） ⑵ 某些成分钢的空冷（固溶强化） ⑶ 微合金化钢空冷（沉淀强化） 第三种方法是最可行的，因为合金元素的添加量较少，而且钢厂很容易掌握。由于机械零 件有规定的质量（断面），其强度的均匀性也相对容易实现。 在应用微合金化钢时，最重要的是考虑到冶金学方面的特性，首先，微合金化自身特性及 其效应；其次，热机械加工和冷却工艺对微观组织的影响。本文以下部分将讨论这些冶金学方 面的因素。 锻后冷却的微合金化和冶金学因素 微合金化添加元素的影响机理 微合金化是指少量的添加元素在奥氏体相的某一温度之上溶解在钢中并在冷却过程中沉淀 析出。添加的元素达到溶解极限后就会与钢中的其他元素结合，如果这些元素在基体中沉淀析 出，它们就会阻止位错移动，有助于提高钢的硬度。 通常钢中微合金化的元素是 V 和 Nb ，在冷却时，V 和 Nb 通常以碳化物、氮化物和碳氮化 物的形式沉淀析出，析出比例按照达到平衡时的钢中 C、N 、Al 、V 和 Nb 的含量变化（见图 1）。 图 1 一些氮化物和碳化物在奥氏体中的溶度积 图2 钢（％）（C=0.20，Mn=1.22 ，Si=0.34，P=0.016 ，S=0.017，N=0.009 ，Al=0.004 ，Nb=0.038 ， V=0.033 ）中的铌和钒碳氮化物在奥氏体中的沉淀析出 图 2 中的曲线给出了 0.20 ％C-1.20 ％Mn 钢中的 V 、Nb 沉淀物随温度的变化。从图中注意 到 Nb 大约在 1200℃时开始析出，V 直到大约 900℃以下一直处于溶解状态。 根据这一现象确定锻造温度范围大约在900-1200℃。很明显，V 析出物大多数在终锻时形 成，Nb 在锻造时甚至在加热过程中就开始沉淀。这一行为在这两种元素的普通用途中得到开 发，V 的主要作用是沉淀强化，Nb 的作用是抑制晶粒长大。Nb 的作用与铝氮化物的作用类似， 因为相对粗大的铁素体－珠光体组织是微合金化钢中决定冲击韧性的不利因素之一（沉淀强化 本身对韧性也同样具有不利影响），因此抑制晶粒长大的作用很重要。 为了获得强化效果，沉淀物应该具有有效的最大尺寸，计算的尺寸级别在50-100 Å 。为了 获得该类沉淀物，在1000-700℃间的冷却速率必须在最大冷速和最小冷速之间，如果当冷速超 过最大冷却速率时，对于沉淀物析出，冷速太快；而采用低于最小冷却速度时，析出物甚至会 在亚晶界结合，析出物粒子太大、数量少影响了强化效果。例如对于铌，计算的最大冷却速率 为80℃/min ，最小冷却速率为10℃/min 。 通常用于微合金化钢中的V和Nb 的含量分别为0.