结构钢的发展动向

特殊钢中的碳素结构钢和合金结构钢主要用于汽车产业，制造发动机、传动系统和底盘的零部件。近年来，汽车特殊钢用量有减少的趋势，但特殊钢仍占汽车原料总量的11%-17%，其中碳素钢和合金钢等结构钢的比例是8%-10%，仍然是汽车的主要用材。由于汽车生产和使用环境发生了很大变化，为应对这些变化，日本钢铁企业不断提高生产技术并开发新钢种。本文以汽车结构钢的代表性钢类渗碳钢、非调质钢和易切削钢为例，简要介绍近年来日本汽车结构钢的技术进步。

1 渗碳钢

　　渗碳钢用于制造汽车传动系统和差速器的齿轮和轴类部件。随着汽车传动系统从手动变速器（MT）发展到自动变速器（AT），出现了多级AT和无级变速（CVT），同时要求部件小型化、轻量化和低成本化。为应对这些要求，日本的钢铁企业推进了渗碳钢新产品开发。按照渗碳钢的主要特征，可将渗碳钢分为高强度、低变形和经济型等3个类别。

1.1 高强度渗碳钢

　　汽车齿轮的强度分为齿根强度和齿面强度。由于汽车轻量化和高功率化的要求，对高强度齿轮用钢的需求不断增长，相应地，日本各钢厂加快了高强度齿轮用钢的开发。

　　使齿根疲劳强度下降的主要原因是异常渗碳层，因此提高齿根强度的方法是减少异常渗碳层。异常渗碳层出现的原因是晶界氧化物的形成，因此各钢厂开发出降低晶界氧化物形成元素Si、Mn、Cr含量，提高保证淬透性和韧性的Ni、Mo含量的高强度渗碳钢。这些新钢种通过喷丸处理可使疲劳强度进一步提高。

　　由于齿根疲劳强度的提高，使齿轮的损伤形态转变为齿面的剥蚀。因此，从90年代开始对抗剥蚀高强度钢进行了开发。齿面剥蚀的主要原因是承受反复面压负荷和摩擦的齿面因温度升高而发生软化。因此，以抗齿面高温软化为目标，开发出高Si抗剥蚀钢，并用于AT齿轮。

　　碳氮共渗和高浓度渗碳等特殊渗碳处理方法可以显著提高抗热软化性，并且，高浓度渗碳使微细碳化物弥散析出，可以提高渗碳层的强度和耐磨性。因此开发了碳氮共渗钢和高浓度渗碳钢。

1.2 低变形渗碳钢

　　齿轮变形会影响到驱动系统的静音性和局部接触造成的齿轮强度下降。因此，渗碳变形的定量化和少量化是非常重要的。钢材方面减少工件渗碳变形的方法是严格控制钢的淬透性。通过炉外精炼成分微调和淬透性预测技术可以实现渗碳钢的窄淬透性带控制。

　　氮化和软氮化处理是与渗碳处理不同的、不利用马氏体转变的热处理方法。这种方法的热处理变形小，但强度不及渗碳淬火，所以用于汽车齿轮受到限制。针对这种情况，开发出添加Cr、Al、V等提高氮化硬度的高强度氮化钢。

1.3 经济型渗碳钢

　　渗碳钢低成本化的措施是降低 Ni、Mo等稀有元素的含量、缩短渗碳时间、可以冷锻节约能耗、近终形锻造降低切削加工量等等。

　　过去大量使用的渗碳钢是JIS SCM420H等含Mo钢，为降低成本和节约资源，进行了省Mo化的研究开发。新开发钢的C含量与现行钢相同，对其他合金元素含量进行优化设计，抑制钢的正火硬度和回火硬度的降低、减少异常渗碳层以及保证渗碳层的淬透性。

　　渗碳处理需要很长的时间，所以用户非常希望缩短渗碳时间。日本钢厂采取许多方法对短时渗碳钢进行了开发。提高渗碳温度可以缩短渗碳时间，但存在晶粒粗大化的问题。为此，开发出利用Nb碳氮化物和Al氮化物微细析出抑制晶粒粗化的高温渗碳用钢。此外，还开发出通过提高淬透性、增加C含量来提高渗碳层硬度，从而缩短渗碳时间的短时渗碳钢。

2 非调质钢

　　非调质钢是不进行淬火-回火、通过热锻或热轧后的控制冷却获得要求性能的钢类。上世纪70年代中期欧洲开发出非调质钢，日本于80年代初期将非调质钢用于汽车曲轴、连杆等发动机部件和汽车底盘梁类部件的制造。此后，日本在长达30年的时间里将非调质钢作为节能型代表性钢材不断进行开发和扩大应用。非调质钢可分为热锻用非调质钢、直接切削用非调质钢和冷锻用非调质钢3大类别。下面对热锻用非调质钢的开发情况进行介绍。

2.1 提高韧性

　　非调质钢的基本强化机制是在热加工后的冷却过程中，微细的V的碳氮化物在铁素体组织中析出，产生析出强化效果。基本型的非调质钢是在C含量为0.4％-0.6%的碳素钢中添加V，形成的铁素体-珠光体组织钢。由于热锻状态钢的组织粗大，所以基本型非调质钢的静态强度与淬火-回火碳素钢相同，但韧性和疲劳强度不好。因此，日本在80年代推进了提高非调质钢韧性的研究，开发出降C、提Mn的强度韧性良好的非调质钢和利用Ti、MnS细化组织进一步提高韧性的非调质钢。

2.2 高强度化

　　日本开发出基本型非调质钢的高强度钢，还开发出用于淬火-回火制造零部件的合金钢非调质钢。这些钢的组织是铁素体-珠光体，为提高钢的屈服强度和疲劳强度，降低钢中的C、增加V含量、并对Mn、Cr含量进行优化。这些开发钢已经用于汽车连杆和底盘部件的制造。

2.3 高强度高韧性化

　　日本开发出淬火-回火制造高强度和高冲击值零部件的合金钢非调质钢。这类钢是低C贝氏体组织或低C马氏体组织钢，钢的抗拉强度为900N/mm2，是具有高强度和高韧性的非调质钢，已经用于汽车下梁等底盘部件。

2.4 其他特性的非调质钢

　　为使非调质钢具有稳定的强度，热锻工艺条件的控制十分重要。针对这种情况，目前已经开发出贝氏体非调质钢，这种钢通过调整钢中铁素体和贝氏体的硬度，在锻造加热温度和锻后冷却条件发生波动的情况下，强度也很少变化。

　　过去非调质钢的开发是基于保证和提高钢的强韧性进行的，近年来在汽车连杆制造工艺方面，开发出连杆体和连杆盖一体化锻造并对连杆大头破断分解的裂解加工工艺技术。为使破断分解后的部件尺寸变化小，开发出降低冲击值的裂解法连杆用非调质钢。

3 易切削钢

　　易切削钢是在钢中添加S、Pb、Ca等元素提高切削性的钢。汽车部件等大量生产的部件采用易切削钢对于提高生产效率十分有效。

　　日本易切削钢标准是JIS G 4804，在该标准中有含S易切削钢和复合添加S的易切削钢。此外，在日本汽车技术协会标准JASO M106（汽车结构用钢）中规定了含S易切削钢（S0-S2）、含Pb易切削钢（L1、L2）、含Ca易切削钢（U）。在上世纪80年代中期易切削钢的基本技术已经形成。此后，日本钢铁厂的主要工作是开发硫化物形态控制易切削钢、复合元素易切削钢和无Pb易切削钢。

3.1 硫化物形态控制易切削钢、复合元素易切削钢

　　硫化物形态控制易切削钢是克服了强度各向异性强和疲劳强度低等含S易切削钢的缺点，并提高切削性的钢。钢中添加Ca、Mg、Zr、Ti、Te等元素，对MnS的形态进行控制。与普通的含S易切削钢相比，硫化物形态控制易切削钢的MnS长宽比小，强度各向异性程度减弱。此外，日本还开发出S-Pb、S-Ca、S-Ca-Pb等添加复合元素的易切削钢。S-Ca-Pb易切削钢用于加工费用很大的曲轴，取得了加工费用降低的效果。

3.2 无Pb易切削钢

Pb易切削钢由于具有良好的切屑断裂性而得到广泛应用。由于欧洲环境法令等对环境负荷物质使用限制的积极执行，提高了对无Pb易切削钢的需求。90年代后期日本各钢厂推进了无Pb易切削钢的开发，采取各种方法替代钢中的Pb，代表性的无Pb易切削钢有以下几种。

　　◆ Mg-Ca-S易切削钢：添加Mg、Ca对硫化物形态进行控制并保证足够的疲劳强度，切削性与Pb-Ca-S易切削钢同等。

　　◆ Bi易切削钢：Bi是与Pb相同的低熔点物质，利用Bi的熔融脆化作用提高钢的切削性。

　　◆ BN易切削钢：利用B的氮化物（BN）提高钢在高速切削条件下的切削性。

　　◆ Ti硫化物易切削钢：利用Ti硫化物对刀刃的保护作用，提高切削工具的使用寿命。