汽车结构钢技术及发展趋势
前言
迄今为止，在各类汽车材料中，钢铁材料占有的比例最高。德国家庭用车的材料中，钢材占58%，雪铁龙富康轿车，钢材占全部材料用量的54%，美国中型轿车材料中，钢材占51%，可见钢材仍是汽车制造中的基本材料。而钢材中结构钢比例占36%。
结构钢以其资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样、价格低廉、使用方便和便于回收等特性成为重要的汽车材料。结构钢多用于动力、传动、承载等总成部位的关键和重要零部件，如发动机、变速器、车桥悬架等的齿轮、轴杆、弹簧类零件等，因此可以说结构钢是保证汽车运行性能的核心部件的制造材料。近年来，随着汽车工业技术的发展，新型合金结构钢不断涌现。进入21世纪后，随着节能、环保的法规要求和意识的提高，减轻汽车自身质量成为了降低汽车燃料消耗及减少有害气体排放的有效措施之一，减重、安全和节能以及汽车性能的提高都和合结钢的性能改进、提高密切相关。
汽车性能近年来，冶金技术的进步，如炉外精炼、钢包合金化、真空处理等使结构钢高纯净度化、合金成分严格控制、淬透性窄带控制等成为可能。而电磁搅拌的应用可使连铸坯的偏析明显下降，使之合金成份的均匀性提高，连铸连轧的技术进展，使钢材的生产成本下降，生产率提高，这些因素都使为汽车工业提供高性能、低成本的材料成为可能。
1非调质钢
1.1 国际汽车用非调质钢发展状况及趋势
汽车用微合金非调质钢是20世纪70年代伴随着第二次石油危机而开发的新钢种。微合金非调质钢的强化机理是在中碳钢的基础上添加微量合金元素钒、钛、铌等，通过控制轧制或锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中因弥散析出碳、氮的化合物而得到强化，使其在不需要后续热处理的情况下其性能指标达到调质钢的水平，从而节省了能源，减少了生产工序，降低了成本，经济效益显著。另
外由于省略了调质工序，减少了零件在热处理工序产生的淬火裂纹和变形等一系列的质量问题，对产品质量的提升也有一定的好处。
非调质钢首先美国得到应用，早在六十年代美国在SAE1140钢的基础上提高锰含量添加微合金元素锻造后不经过调质应用于轿车汽车发动机连杆的制造。七十年代初期，德国开发了49MnVS3，用于汽车曲轴等零件的。日本各钢铁公司和汽车制造厂家对非调质钢进行了大量的研究工作并开发了一系列钢种，应用于汽车曲轴、半轴、轮毂轴、发动机连杆、转向节臂等零部件的制造。美国、法国、意大利、英国均分别研究开发了具有自己特的微合金非调质钢系列。美国1994年公布了轧制状态应用的非调质钢标准（ASTMA920/A920M-93）和热轧后在锻造的非调质钢标准（ASTMA921/A921M-93），1992年国际标准化组织公布了非调质钢标准提案（ISO11692），其中也是分成轧制状态应用
的非调质钢和热轧后再锻造的非调质钢两类计10个牌号。
非调质钢按其强韧性可以分4类，如表1。
表1非调质钢强韧性分类
目前列入标准的的微合金非调质钢大多是800MPa以下强度级的，其金相组织是铁素体+珠光体。这类非调质钢的的韧性低、屈强比低，因此不能满足汽车保安件的要求。因此近年来国外根据零部件不同
的性能要求开发了高强度非调质钢、高韧性非调质钢和高强韧性非调质钢。
1.2 我国汽车用非调质钢发展状况及趋势
我国在八十年代初，机械工业部和冶金工业部分别把非调质钢列入科技攻关项目，钢铁企业和汽车企业合作对微合金非调质钢进行了广泛的研究，并取得极大的成果，开发出一系列的新钢种，包括直接切削用微合金非调质钢、热锻用微合金非调质钢、冷镦螺栓用微合金非调质钢等，并在汽车工业得以应用。1995年我国公布了非调质钢的国家标准GB/T15712-1995，其中包括2类9个牌号。
我国目前应用的非调质钢种类不多，用量也不大，从钢种上看还是以MnV 系为主，强度一般在800Mpa以下。主要是应用在一些轴杆类零件上，在重要的保安件没有应用非调质钢。据测算现在国内每年应用的非调质钢数量在3万吨左右。
1.3 国家政策应该优先支持发展的汽车非调质钢材料领域
1.3.1 高强度、高韧性及高强韧性非调质钢的开发
非调质钢的总体发展趋势是开发高强度、高韧性和高强韧性非调质钢，目前高强度和高韧性非调质钢在技术上基本得到解决，高强韧非调质钢的开发也取得一定的进展，技术上还有开发的空间。另外非调质钢的发展和汽车产品的需求分不开的，一方面从节能环保方面的要求，非调质钢作为节能的产品
有其强有力的竞争优势，另一方面从汽车产品的性能要求来看，非调质钢也有独到的优势。近年来汽车的载重量逐步向大吨位发展，零部件相应要加大，应用调质钢普遍存在淬透性不足的问题，由此一些原来应用碳钢或低合金钢的零件，不得不采用合金钢和高合金钢制造，带来了成本的大幅度提升。而非调质钢由于是靠微合金的弥散强化，不存在淬透性问题，特别适用于大截面的轴杆类零件。国外非调质钢广泛应用在1000MPa强度级别的产品上，我国下一步加大开发这一强度级别的非调质钢是当务之急。
1.3.2 高性能稳定性非调质钢的开发
非调质钢由于省略了调质处理，零件的最终性能由锻造工艺和锻后的控冷来决定，因此对材料的要求是稳定性。国外对特殊要求的非调质钢为了保证材料的稳定，采用了不同的控制手段。如德国对非调质钢提出了淬透性要求，非调质钢
不需要调质为什么还提淬透性要求，主要是根据淬透性控制和评价材料的控冷硬化性能和稳定性。而日本则对非调质钢提出碳当量的要求。我国现行标准对非调质钢还没有这方面的要求，是需要解决的问题。
2 渗碳钢
2.1国外渗碳钢现状及发展趋势
国际汽车制造技术的发展，带动着汽车用渗碳钢的进步与发展。在欧美、日本等汽车制造工业基础雄厚的国家，经过长期的技术发展和积累，从使用要求、资源条件、经济耐用的角度出发，形成了各自的渗碳钢材料体系，并制定了严格的质量检测标准，这些材料体系和检验标准都以国标或行业标准的形式被执行。在此基础上，规模较大的汽车企业还有自己一套更加严格、更贴近于自己企业实际生产情况的标准。
相关资料表明，在美、日、德等汽车制造工业发达国家中，美国渗碳齿轮钢种约有30多个、日本16个、前苏联10个、德国传统的10多个，各国已经形成自己的齿轮用钢系列，并对各渗碳钢种按淬透性能分成档次，每档次均有对应的钢种，即淬透性能档次齐全，重点(面大量广者)档次上还有多个钢种。
目前，美国、德国、日本等发达国家，由于当代冶金技术的迅速发展，大部分都采取炉外精炼和真空脱气处理，使钢材氧含量普遍地低于20ppm，而且有的低于10ppm，从而显著地提高了齿轮的接触疲劳寿命。
实现淬透性窄带控制可以减小齿轮热处理后的变形量，从而齿轮的修磨量小、啮合精度高。特定模数齿轮的疲劳寿命也与最佳淬透性值相关。淬透性确定后，淬透性芾宽的大小很大程度上影响渗碳淬火后齿轮的变形。淬透性和淬透性带宽的控制，主要决定于化学成分和化学成分的均匀性。因此，近年来齿轮行业对冶金行业提出了窄淬透性带的要求。国外齿轮钢淬透性带宽度一般控制6HRC 左右，特殊要求的控制在4HRC以内。
钢的纯净度主要指钢中的氧含量，它反映了钢中的氧化夹杂物含量。氧化物夹杂对齿轮的疲劳性能特别是接触疲劳性能有明显的危害。在冶炼过程中应采取降低氧含量的工艺技术如真空处理等。炉外精炼的采用，使渗碳钢的纯净度更高，在成分控制上更加严格、精确。
晶粒的粗细对齿轮钢的疲劳性能有较大的影响。粗晶粒使渗层碳浓度相对增高，导致脆性增加，使弯曲强度降低，齿面容易剥落。如果出现混晶，有可能使齿牙之间的热处理变形失去规则而无法配对。在生产和加工过程中应控制晶粒度，防止出现混晶，从而稳定齿轮性能。
虽然在齿轮钢方面美、欧、日汽车厂家早已形成自己的系列，但为了传动系统的紧凑和小型轻量化，还在开发强度更高的钢种和更有效的强化工艺。如开发高纯净度齿轮钢，其氧含量降低到9ppm以下，P浓度在90ppm以下，得到弯曲疲劳寿命提高17%、接触疲劳寿命提高25%的效果。采用不发生相变的氮化或软氮化技术处理后的齿轮具有变形小的优点，因而很早就在齿轮中得到应用。日本在开发适用于氮化齿轮的钢种（齿轮的强度特性超过通常的渗碳淬火齿轮），以减小齿轮的热处理变形，从而降低噪音。但是这种技术处理后的齿轮存在淬硬层深度较浅、疲劳强度较低的缺点，因而用作变速箱齿轮时受到一定的限制。对此，研究了V、Cr、A1等合金元素对氮化层硬度和深度的影响，结合氮化处理前组织的最佳化而丌发出各种软氮化钢，并得到了实际应用。软氮化钢的热处理变形和齿形误差均在渗碳淬火钢的1／3以下，而其疲劳强度与渗碳淬火钢相同。
在强化工艺方面，双级喷丸和极细微粒冲击强化都在逐步实用化。为进一步提高渗碳件产品表面质量，真空渗碳技术在国外得到了快速发展。为进一步提高渗碳生产效率，高温渗碳技术也在国外得到了大量应用，这两种技术发展，促进了高温下晶粒也不会异常长大的高温渗碳钢种的研发。降低渗碳层表面氧化倾向大的合金元素含量，添加氧化倾向小的合金元素；控制齿轮钢中的残余奥氏体量；减少晶界偏析元素的含量；开发和应用喷丸表面强化技术，增加表面的残余应力；研究和开发的新型齿轮钢必须满足高强度、经济性、生产性等多种因素；随着机械加工线的自动化，为了不断提高劳动生产率，适应高速程控机床的需要，要求钢材具有易切削性能，为此不少国家已在开展易切削齿轮钢(加Pb、加S)的开发和应用。由于制造齿轮时需进行大量的切削加工，需要开发易切削齿轮钢。对于接触疲劳要求不太高的齿轮和环套类零件，含硫易切钢的应用和发展已经开展了工作。
真空渗碳气淬齿轮钢适用于轿车用的中小齿轮，这是一种高温、高淬透性的新型材料和工艺，在欧洲的汽车厂已有应用，效果是节约能源、有利环境保护，减小变形，提高产品质量。