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汽车用高强度特殊钢棒线材的加工应用

时间: 2011-07-06 06:34 来源: 作者: 新日铁 点击:
新日铁产棒线材中有40%为加入铬、钼等合金元素以便通过热处理提高强度和加工性的特殊钢。它们主要供汽车厂和部件生产厂生产各种部件,并在使汽车轻型化的同时,保证汽车的基本性能,目前在每辆汽车上的用量已达200~300kg,主要用于凸轮轴、曲轴、传动轴、等速齿轮、悬架弹簧和阀弹簧等主要部件。由于涉及汽车行驶的安全,因此对强度等性能要求极为严格。一般采取热处理等措施,使其抗拉强度由原来的1500MPa提高到3000MPa的水平。

适于制造复杂形状部件的优良加工性

在达到最终产品的汽车各部件所要求的高强度的同时,还得保证优良的加工性,这成为所用特殊钢棒线材的最大特点。如汽车发动机通过对气缸内加入汽油后的爆发燃烧产生的反作用力推动活塞的上下运动转化为曲轴的回转运动,从而推动了汽车的行驶,在这一过程中便需要各种复杂形状的部件来支承。以曲轴为例,它是由钢铁厂生产的Φ80mm左右的特殊钢棒材所加工制造而成的。首先由二次加工工厂加热到1200℃下经热锻加工成型为轮廓形的半成品,由于还有很多多余的材料要在之后的机械加工中去掉,为了节约材料和减少机械加工量,最近已开发成功在冷锻和温锻间的精密锻造技术并在实用化中。其次,为了保证良好的回转性,需要用车床切削加工为最终的形状,由于曲轴的两端还起到轴承的作用,因此要求加工到无摩擦力的表面精度。加上作为回转体的复杂形状,还需要使用多种工具进行精密加工,还得加工上润滑剂的注入孔。具体加工顺序为:两端部加工、中间孔加工、标准座加工、两端外径部加工、轴颈加工、轴枢等处研磨,最终经检查合格后始作为成品验收。

如上所述,为了多种切削加工和开孔加工,钢材需要具有软的易加工性能,而成品的汽车部件则要求材质具有硬而强的性质,在加工过程中同时具有这两种相反的性质,这便是特殊钢棒线材的特点,也是开发的难点。通过加工为各种部件后,强度均保证为汽车车体所用高强度钢板的2倍以上。
在汽车部件的生产成本中,钢材所占的比例平均为20%左右,其中,仅通过热锻即制成的部件为30%左右,由此可看出加工成本特别是切削加工所占的比例较大。因此实现二次加工省力、高效加工工序所需材料的开发,成为汽车行业的重大课题,而今后钢铁厂的新材料技术将发挥重大作用。

使强度和加工性具佳的多种热处理

要实现特殊钢棒线材具备两种相反的特性,关键是机械加工前后实施的热处理工序。即在部件的加工过程中,为使加工前钢材软化和加工后钢材硬化,实施了多种热处理;还根据部件的要求进一步实施了表面硬化的同时提高内部韧性的特殊热处理,使部件兼具有强度和韧性使其不易破坏的强韧特性。以发动机用阀弹簧为例,轧后的弹簧钢线材的组织为铁素体加珠光体,经衬铅后拉丝减径至所需的钢丝后组织仍不变,然后经淬火、回火后变为回火马氏体,卷成环形弹簧后再进行表面渗氮处理,使之成为同时具有强韧性的部件。

当然,根据部件的种类不同,对所用钢材的特殊性能要求也不同,即使是同一部件,不同的二次加工工厂也采取不同的生产方法和工序以达到所追求个别特性的平衡。例如在提高部件强度的淬火控制处理方面,有仅对表面加热到1000℃的高频感应加热后,再经水冷淬火的高频表面淬火法;还有在600℃以下使氮分解后对钢材渗氮,使比铁硬度高5~6倍的氮化物微细分布于铁组织的间隙以提高强度的软氮化法,这两种方法都可提供各自适用的钢材。从所耗时间上对比,高频表面淬火法耗时短而加热温度高,软氮化法耗时比前者高10倍,但加热温度低,处于两者中间的还有表面渗碳淬火法。

另外,根据部件的大小不同,加工方法也不同。如曲轴等大型部件多采用1200℃加热后热锻成形,而等速连轴节(CVJ)组成部件的外轮等小型部件的加工方法则不同。因为等速连轴节对前轮驱动车和四轮驱动车等的转动起作用的同时,还具有使轮胎左右弯曲的功能。作为其重要部件并呈喇叭状的外轮,则是通过将棒材在1000℃以下温锻后,在室温下送入模具进行大压力冷锻成形。

热锻由于加热造成钢材表面产生氧化铁皮,因此锻后需要进行处理;另外由于加热造成的膨胀和收缩,仅靠锻造难以保证部件的高精度加工,因此锻后仍需精密的机械加工;而冷锻则仅靠加压使部件通过轻微逐步变形而达到所需的尺寸精度,从而可省去加热和机械加工而有利于节能。现在从这一点出发,冷锻部件的比例呈增大的趋势。

领导汽车小型轻量化的日本特殊钢技术

目前,发展中的冷锻部件在材料开发方面遇到了技术性障碍,因为在常温硬状态下加大力使之变形时,由于对钢材的负荷加大,易产生裂纹。为防止开裂,需供应钢材内部和表面均无缺陷的钢材。在世界上能生产此类条件钢材的企业,只有以新日铁为首的少数日本钢铁企业,为此,在汽车生产体制的公开竞争中,日本海外现地供应的棒线材多以热锻用钢材为主。

另外,供应热锻用棒材要逐根进行表面检查,发现表面有缺陷时,需全部车削去除缺陷,但对于供应的直径较小的卷材(Φ5.5~20mm),则难以对表面进行全面检查。据此,新日铁通过对炼钢时化学成分的调整及轧钢时压下力和冷却速度的控制以保证材质,从而可生产出不需表面检查的可供冷锻用的卷材。特别是对于那些用于每个可生产10-20万个部件的模具的品质稳定的钢材,是海外钢铁厂难以生产的。

现在每辆汽车约用25kg的螺栓,均为冷锻生产的,新日铁开发成功并提供了加工量小的节材型螺栓用高强度钢,得到了社会好评。螺栓的高强度、小型化,也对减轻车重以达到节油的目的作出了应有的贡献。此外,新日铁还提供变速箱和机架用的小型、高强度化的各种高强度钢材。

难以得到日本般高强度钢材供应的海外汽车生产厂,为确保汽车的强度特性,只好生产尺寸较大的部件,其结果使汽车大而重。当有些汽车生产厂拟实施车体轻量化时,为弥补特殊钢重量的过重采取了以高价铝合金等轻型材料代用的方式,但带来的是成本的上升。总之,“重量”和“性能”(发动机转距)、“价格”平衡最好的日本汽车,依靠高强度化实现了车体小型化,所有这些是以特殊钢棒线材的先进技术为支撑的。

近年随着车体轻量化的进展,汽车所用钢铁部件的重量比在下降,但支承重要部件的特殊钢棒线材的比例却在上升,今后从安全性出发,其用量比估计将进一步上升。历年汽车用料比的对照如下表。(单位:%)


汽车发动机用阀弹簧的高强度化

阀弹簧是调整发动机吸气、排气用的精密弹簧,由于要求的耐火性强,多用高等级的高强度线材制造。一般商用车每分钟转动数千次,竞赛用车则每分钟转动2万次左右。

过去的阀弹簧用钢,为保持强度多采取增加弹簧圈数和加大丝径的方式,经高强度化后圈数减少、切丝径变细从而实现了小型、轻量化,其结果使发动机也得以小型化。同时由于阀弹簧的高强度化,它动作时对发动机内部产生的摩擦也相应的减少。由此使发动机高效化和轻量化,可为节油和环保作出贡献。进一步通过发动机的小型化,还可确保汽车与行人发生冲撞时发动机上部拥有足够的冲撞空间。

新日铁开发成功“阀弹簧用高强度钢”后,马上提供给苛刻条件下使用的国内外竞赛用车试用,以验证其性能。现已成为阀弹簧不可缺少的钢材,为众多竞赛车生产厂所采用,并已成为各汽车生产厂高度依赖的产品。

另外,柴油发动机为适应环保的要求,也配备上称为“皮轨”的新部件,过去配合发动机回转速度而控制喷射压力的柴油发动机,在启动时易产生不完全燃烧而排放的烟尘。为防止黑烟和促进发动机节油而采取的“皮轨”,可将燃料在1800atm下贮存,并可不靠发动机转数的影响而提供可完全燃烧的压力,从而解决了发动机启动时产生黑烟的老问题。但生产这一部件时需提供能耐高压的钢材,现众多的柴油发动机已配备了这一新型部件。

利用生产“日本刀”的技术生产齿轮

适应汽车速度和发动机回转数而变换变速比的变速机和近年呈上升趋势的无极变速机CVT均为特殊钢制品,其构件中众多的齿轮、滑轮和轴等均由代表性特殊钢的渗碳钢制成。

所谓渗碳,即经在950℃下使炭素从表面扩散的淬火后,使表面层0.5~1mm的组织变为非常硬的马氏体的热处理。其表面抗拉强度可达2500Mpa的极高强度,而内部强度仅为其1/2以下的柔软状态。即表面硬有利于齿轮在咬合下耐磨,而内部具有受冲击也不坏的粘性,这和日本刀通过把芯部软的铁表面变为一层硬铁属同一原理。

齿轮咬合时为平稳的传递动力,形状和精度极为重要。但是在提高表面强度的渗碳处理中,钢的组织由于变化产生形变,形变大时将使齿轮咬合时产生振动等故障。为此,对尺寸精度要求严格的齿轮,在热处理后为保持原定形状而进行研磨;另外,化学成分波幅大也容易造成形变大,因此新日铁正在开发可抑制形变从而不需研磨的齿轮用优质钢。

还有,CVT为通过金属带和滑轮的摩擦以连续调整变速比的动力传递部件,它由2个可变换直径的滑轮组成,以改变驱动力的传递比,因此与通过齿轮传递的变速机不同,CVT可实现无极变速。但是,由于依靠金属带和滑轮的摩擦传递动力,圆锥形滑轮需具有极高的耐磨耗性,因此需采取比齿轮表面硬化层更厚的超过1000℃的渗碳处理。新日铁已开发出此项优质的高温渗碳钢并供应用户生产CVT。

熟悉加工工序的材料设计妙技

特殊钢棒线材生产部件的强度水平和轮胎子午线钢丝均属各种钢材中的超群产品。轧钢强度应确保加工需求的1000MPa左右,通过二次加工后的最终产品将达2000~3000Mpa。JIS规定的产品在日本海外也大量生产,但为实现这些极高级产品的钢材特性,必须熟悉二次加工企业的切削、热处理等加工条件,并实施为达最终目标的关键措施。在此基础上,从广泛的化学成分中,对热和材质的关系进行计算和控制,进一步从工业上采取成本低、环境影响小的生产工艺,以产出部件所需强度的钢材。在这称之为“材料设计”的领域,新日铁的优势在于以技术力为基础,生产供大量部件用的品质稳定的钢材。

例如,传递汽车动力的重要部件齿轮,通常在热锻后进行正火处理,切削加工后再通过表面渗碳以提高表面硬度。而阀弹簧却是一开始就通过淬火、回火以提高强度后,在较硬状态下卷成弹簧,因此是一种难度极大的加工。

通常对部件加力过大时,部件易发生破坏,但对齿轮和阀弹簧等要求耐火性高的部件,常用硬的小铁丸对表面高速喷射以后,交付残留压缩应力的喷丸处理,可使其耐火性大幅提高。如等速机齿轮和发动机用阀弹簧经喷丸处理后,在强力下也不易破坏,因此已在生产上应用。

在上述复杂的加工工序中钢材在热处理时,对其材料状态特别是夹杂物、铁的组织和析出物在热处理过程中的变化需正确理解和把握,要达到最终产品所要求的特性,必须在加工工序中对热变化过程和变形统一进行细致的安排,也就是所谓的“材料设计”。

高强度下仍可卷为环形的粘性

以下兹对“材料设计”的重要性距离介绍如下。对于提供的盘条状线材,需先经过冷拔减小直径的拉丝加工。为便于拉丝加工,钢铁厂提供给二次加工工厂的线材的组织应力为铁素体和渗碳体的层状组织。若生产汽车轮胎子午线用钢丝,则需经冷拔加工才能成为强度超常提高的最终产品。但阀弹簧则不同,它在拉丝后光经淬火、回火成为含碳0.55%的硬的马氏体组织,再经喷丸处理和抑制“累垮”(即弹簧在使用中产生向负荷方向的塑性变形而失效)的处理,即为了提高屈服强度而进行硬化处理等多道工序。全部加工工序依次如下:线材->中间热处理->拉丝->油淬火、回火->盘卷成簧->磁探伤->喷丸处理(附加表层残留应力)->硬化(防止向固定转位的累垮)->表面涂装->出售。

“材料组织”控制技术的关键是“氧化物合理分布”

保证上述“材料设计”品质的技术为“组织、材质控制技术”。汽车部件用特殊钢首先由电炉钢厂生产,它们的“材料设计”中,从含夹杂物多的废钢为原料出发,为通过热处理等措施以达到特殊的功能,充分发挥了多元素的作用。而以铁矿为原料的高炉厂的“材料设计”,则以洁净钢为基础尽量少加其它元素,以此来控制钢材的性能。目前,通过洁净钢的技术开发,实用化后受到用户的好评。新日铁特殊钢的“组织、材质控制”的关键为“氧化物合理分布”,即对过去认为有害的氧化物夹杂从组成、形状和分布状态进行高度控制,使之成为对控制钢材多功能特性的有利的关键技术。(end)

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