低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼研究進(jìn)展和展望

■ 劉大琦

掃碼了解更多

非調(diào)質(zhì)鋼以其節(jié)約能源、簡(jiǎn)化工序、降低成本的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用。到目前為止，非調(diào)質(zhì)鋼已包括鐵素體-珠光體、貝氏體、低碳馬氏體三大類型。鐵素體-珠光體和貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，有了大量成熟鋼種，我國(guó)已制定了非調(diào)質(zhì)鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15712－1995。

鐵素體-珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼沖擊韌度較低，為進(jìn)一步提高非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌性，開(kāi)發(fā)了貝氏體型非調(diào)質(zhì)鋼，并已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如用于汽車前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、高強(qiáng)度螺栓、連桿和貨叉等。

為了達(dá)到更高的強(qiáng)度和韌塑性，開(kāi)發(fā)了低碳馬氏體型非調(diào)質(zhì)鋼，本文將重點(diǎn)介紹這類非調(diào)質(zhì)鋼的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

一、研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

1. 國(guó)外對(duì)低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼的研究

1988年，美國(guó)Writer的專利推出了被譽(yù)之為第三代的非調(diào)質(zhì)鋼，與以前的非調(diào)質(zhì)鋼不同的是他們從鍛造溫度直接淬火，獲得帶均勻分布碳化物的板條馬氏體。新一代非調(diào)質(zhì)鋼具有很好的性能，完全達(dá)到了4140調(diào)質(zhì)鋼的水平。控制化學(xué)成分，保證馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度在200℃以上。相對(duì)高的馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度使得快速水冷淬火中形成的板條馬氏體實(shí)現(xiàn)自回火，從而達(dá)到高強(qiáng)度和高韌性。這就是最初的低碳馬氏體型非調(diào)質(zhì)鋼。

此后，日本研究開(kāi)發(fā)了低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼，表1、表2分別為日本開(kāi)發(fā)的低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能。

從表1、表2可見(jiàn)，這類鋼的含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）均小于0.1%，但過(guò)低的含碳量也會(huì)使鋼的強(qiáng)度不足，為了得到980MPa級(jí)的高強(qiáng)度，認(rèn)為碳含量至少應(yīng)達(dá)到0.04%。

英國(guó)Dulieu發(fā)明的第三代非調(diào)質(zhì)鋼是針對(duì)不同截面尺寸、形狀的鍛件采取不同的化學(xué)成分，其中wC＝0.05%～0.09%、wMn＝1.0%～2.0%，根據(jù)冷速的變化可得到不同的強(qiáng)韌性配合。

日本神戶制鋼開(kāi)發(fā)的一種非調(diào)質(zhì)鋼，其化學(xué)成分如表3所示。該鋼鍛后水冷或空冷，其基體組織由馬氏體、貝氏體和殘留奧氏體組成，鍛件強(qiáng)度達(dá)980MPa以上，室溫V型缺口夏比沖擊韌度大于78J/cm2。水冷鋼的強(qiáng)度高于空冷鋼，而韌性基本相同。此鋼已用于制造汽車行走部分的零件。

表1 日本開(kāi)發(fā)的低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 日本開(kāi)發(fā)的低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能

2. 我國(guó)低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼的研究

文獻(xiàn)[7]報(bào)道研制了一種新型低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼，試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表4所示，用300kg中頻感應(yīng)爐熔煉，鍛成φ63mm的圓棒，經(jīng)950～910℃水淬后進(jìn)行拉伸、沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯鲈撲摼哂休^高的強(qiáng)度和韌塑性。端淬試樣距水冷端5mm處組織為板條馬氏體，中間有少量殘留奧氏體。經(jīng)理論估算Ms=425℃。

用φ63mm×107mm的試料，經(jīng)1100℃加熱40s，精鍛成桑塔納汽車前輪殼，于950～910℃淬入25℃的水中約20s。經(jīng)加工后取3件進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，3件疲勞壽命均超過(guò)20萬(wàn)次。

文獻(xiàn)[7]作者認(rèn)為，所試制的低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼能夠滿足用40Cr調(diào)質(zhì)鋼制作桑塔納轎車前輪殼的力學(xué)性能指標(biāo)：σb=780～930MPa，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命大于20萬(wàn)次。同時(shí)指出，如果將鋼的wMn控制在0.9%～1.3%，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)960～1100MPa，有利于減輕前輪殼的重量或可用于汽車其他零部件的制作。

文獻(xiàn)[8]報(bào)道了一種高強(qiáng)度低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼的試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表6所示。

該鋼在中頻感應(yīng)真空爐中熔煉，鑄錠在1200℃加熱，鍛造成φ25mm的棒材，取樣進(jìn)行組織分析和力學(xué)性能試驗(yàn)。鍛態(tài)樣品分別在1000℃進(jìn)行正火和淬火處理，淬火試樣的顯微組織為板條馬氏體。經(jīng)不同工藝處理的鋼的力學(xué)性能及顯微組織如表7所示。

對(duì)淬火試樣進(jìn)行回火試驗(yàn)表明，回火溫度低于400℃時(shí)鋼的力學(xué)性能穩(wěn)定，與淬火態(tài)相比沒(méi)有明顯差別，說(shuō)明淬火過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生了自回火。

由表7可見(jiàn)，按鍛后空冷、正火、淬火的順序鋼的強(qiáng)度逐漸提高，而伸長(zhǎng)率逐漸降低，鍛造空冷狀態(tài)盡管強(qiáng)度稍低一點(diǎn)，但綜合力學(xué)性能也是很好的，雖然其組織是以粒狀貝氏體為主，仍具有高強(qiáng)度和高韌塑性，減少了水冷淬火工序，具有非常重要的意義。

文獻(xiàn)[8]所報(bào)道的鋼種中，未加入V、Ti、Nb等產(chǎn)生沉淀硬化相的元素，看來(lái)作者的意圖是通過(guò)調(diào)整C、Mn、Si、Cr的含量形成板條馬氏體或粒狀貝氏體組織實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，而不依靠沉淀強(qiáng)化。這是試驗(yàn)鋼強(qiáng)化機(jī)理方面的一個(gè)重要特點(diǎn)。

我國(guó)還有一些工作者探索了通過(guò)調(diào)整碳含量與適當(dāng)?shù)腗n、Si、Cr配合可以實(shí)現(xiàn)鍛后空冷得到板條馬氏體組織，表明了人們?cè)谙蜻@一方向努力探索。

表3 日本神戶制鋼開(kāi)發(fā)的非調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表4 國(guó)內(nèi)某非調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 國(guó)內(nèi)某非調(diào)質(zhì)鋼鋼的力學(xué)性能

表6 高強(qiáng)度低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表7 試驗(yàn)鋼經(jīng)不同工藝處理后的力學(xué)性能和顯微組織

二、展望

大量的研究工作已經(jīng)證明，低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼，通過(guò)獲得板條馬氏體組織達(dá)到高強(qiáng)度和高韌性。低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼在國(guó)外已有一些實(shí)際應(yīng)用，在我國(guó)也已經(jīng)有用低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼試制了汽車前輪殼，并通過(guò)了彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，可以看到低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼在汽車行業(yè)的應(yīng)用前景。盡管目前低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼實(shí)際應(yīng)用還不多，但已經(jīng)表現(xiàn)出十分優(yōu)良的力學(xué)性能，必將得到人們的普遍認(rèn)可而廣泛應(yīng)用，從而將非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展推向更高水平的新階段。

到目前為止，國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)的低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼絕大多數(shù)需要水冷淬火才能得到板條馬氏體組織，很顯然這是影響其實(shí)際應(yīng)用的重要原因，人們也在為解決這一問(wèn)題而努力。日本神戶制鋼開(kāi)發(fā)的低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼，不需水冷淬火，鍛后空冷即可達(dá)到高強(qiáng)度和高韌塑性。我國(guó)學(xué)者研制的低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼也可以在鍛后空冷的情況下達(dá)到高強(qiáng)度和高韌塑性。因此，低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼可以通過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分設(shè)計(jì)，保證在鍛后空冷的情況下達(dá)到高強(qiáng)度和高韌塑性。至于其顯微組織，可以是板條馬氏體、也可以是板條馬氏體和粒狀貝氏體的混合組織，甚至也可以是以粒狀貝氏體為主的組織，只要鋼的性能優(yōu)良就是成功的鋼種。

采用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分設(shè)計(jì)，保證鋼在鍛后空冷即可達(dá)到高強(qiáng)度和高韌塑性，這是低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展中向前邁進(jìn)的一大步。按著這樣的思路，一定會(huì)有更多高強(qiáng)度、高韌塑性的新鋼種研究開(kāi)發(fā)出來(lái)，并一定能在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。很明顯，低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼必須徹底擺脫水冷淬火，才能得到更廣泛的應(yīng)用。

在非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展過(guò)程中，按著從鐵素體-珠光體型、貝氏體型、低碳馬氏體型非調(diào)質(zhì)鋼的順序，碳含量逐漸降低，而強(qiáng)度和韌塑性逐漸提高?，F(xiàn)在發(fā)展到低碳馬氏體型非調(diào)質(zhì)鋼階段，鋼中的碳含量已經(jīng)很低，但卻可以在鍛后空冷的條件下達(dá)到高強(qiáng)度、高韌塑性，已經(jīng)擺脫了初期非調(diào)質(zhì)鋼韌性低的困擾，使非調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展到了高強(qiáng)度、高韌性的新階段。

三、結(jié)語(yǔ)

（1） 通過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分設(shè)計(jì)和工藝過(guò)程控制可以使鍛件獲得板條馬氏體組織，這種板條馬氏體由于轉(zhuǎn)變終了溫度較高，可以實(shí)現(xiàn)自回火，無(wú)需再進(jìn)行回火處理即可以達(dá)到高強(qiáng)度和高韌塑性，可以作為非調(diào)質(zhì)鋼使用。

（2）當(dāng)鋼中碳含量很低時(shí)，鍛后需經(jīng)水冷淬火方能得到板條馬氏體組織；適當(dāng)調(diào)整碳和合金元素含量，可以使低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼鍛后空冷即得到板條馬氏體組織，達(dá)到高強(qiáng)度和高韌塑性。

（3）低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼的出現(xiàn)表明非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展達(dá)到了高強(qiáng)度高韌塑性的新階段，非調(diào)質(zhì)鋼將不僅是降低成本，而必將以其優(yōu)異的性能而得到廣泛的應(yīng)用。