汽车零部件用钢技术发展趋势分析
2014-3-21 15:59:34
2013年我国汽车市场需求在2080万辆左右,增长率为7%。预计2015年我国汽车总量将达到2350万辆,2020年将达到2500万辆。汽车的发展正朝着高功率输出、轻量化、高性能、长寿命、降低噪声、运行平稳、安全可靠、环保、节能、经济低成本、易加工、多品种等方向发展。汽车零部件用钢是汽车的关键零件,是保证汽车运行性能核心部件的制造材料。汽车的发展方向对汽车零部件用钢的发展提出了更高的要求。

    产品要求:高韧性、高精度、节能环保

    汽车零部件用钢应用在汽车内的四大系统中:

    发动机系统用钢:发动机是汽车的动力之源。其中典型零件有曲轴、连杆、凸轮等以非调质钢为主,燃油喷射系统以油泵油嘴用钢为主,阀门用钢以气阀钢为主。

    变速与传动系统用钢:变速与传动系统是一辆车的灵魂,其中齿轮圈、齿毂、齿轮、齿轮轴以齿轮钢为主。传动系统更像是动物的腰部和脊椎,包括传动轴、半轴、前轴等,以传动轴用钢为主。

    悬挂与转向系统用钢:悬架系统就是汽车的腿,包括悬架簧、稳定杆、扭力杆、减震器等,以弹簧钢为主。转向系统是汽车的行驶方向,包括万向节、球头、转向机、轮毂、轴承等,其中轮毂、轴承以轴承钢为主,万向节、球头、转向机等以齿轮钢为主。

    标准件系统用钢:以紧固件用冷镦钢为主。

    汽车行业应用系统要求:汽车零部件具有高性能、长寿命、易加工、低噪音、表面精度高、高强度的特性;实现汽车的轻量化与紧凑化,通过提高效率来减少CO2排放。

    汽车行业对材料的要求是:汽车零部件用钢具有高强韧性、易切削、高尺寸精度、低合金化、环境友好、省略热处理的特点。汽车零部件用钢材料发展共性技术发展趋势见附表。

    技术趋势:精确控制、均匀成分、微合金化

    汽车的科技进步带动了汽车零部件的科技发展,而零部件的科技发展又促进了汽车的科技进步和科技创新。

    高品质齿轮钢、高品质弹簧钢、高品质非调质钢、高品质紧固件用钢、高品质轴承钢、高品质气阀钢是汽车零部件用钢中使用特殊合金钢要求较高的关键材料代表。汽车零部件用高品质特钢朝着轻量化、高性能、长寿命、运行平稳、低噪音、安全性、节能、低成本、易加工、多品种等方向发展。汽车零部件用高品质特钢的技术质量发展方向是钢材高强韧性、高纯净度、高均匀性、超细晶粒度、高表面质量、长疲劳寿命。

    高品质齿轮钢的发展趋势。高品质齿轮钢在品种多样化、易切削、环保、低合金化降低成本、低噪声、运行平稳、钢材均匀性好、热处理变形小等方面不断发展。

    评价齿轮钢的技术质量特性值集中在淬透性、纯净度、晶粒度、带状组织等方面。

    淬透性的高低和淬透性值的稳定性是评价齿轮钢质量的重要指标。淬透性带控制的追求目标是3HRC。

    齿轮钢的洁净度对齿轮疲劳寿命的影响已越来越受到人们的关注。钢中存在的氧化物和硫化物夹杂,以及有害元素如N、H、O、P、S等,会降低钢材的力学性能,恶化钢材的工艺性能,从而影响汽车渗碳齿轮的使用寿命。齿轮钢氧含量控制的追求目标是[O]10ppm。高品质齿轮钢中禁止加Ti、Ca,且规定钢中Ti0.01%、Ca0.0005%。非金属夹杂物控制的追求目标是A2级、B2级、C1级、D1级。

    晶粒大小是齿轮钢的一项重要指标。齿轮钢中细小均匀的奥氏体晶粒淬火后得到细马氏体组织,明显改善齿轮的疲劳性能,同时减少齿轮热处理后的变形量。细小均匀的奥氏体晶粒度对零件的强度、韧性均有特殊贡献。特别是对提高齿轮的断裂韧性,增强齿轮的脆断抗力具有重要意义。齿轮钢晶粒度要求6级。目前国际上为获得高温(>

    960℃)渗碳齿轮钢,冶炼时添加或复合添加微合金元素Nb、V、Zr等,在钢中形成合金碳氮化物,钢的晶粒度8级。

    带状组织是钢的组织缺陷。对齿轮钢而言,严重的带状组织将影响渗碳的均匀性,增加淬火变形程度,使渗碳齿轮尺寸精度差。因此,齿轮钢的带状组织控制的追求目标是不大于2级。

    高品质非调质钢的发展趋势。非调质钢是在中、低碳钢或中、低碳锰钢中添加微合金元素(V、Ti、Nb、Al、B或N),通过控轧(锻)控冷工艺,充分发挥沉淀强化、细晶强化和相变强化等作用,使钢材在热轧(锻)后无须调质处理,其强度和硬度可达到调质钢水平,同时具有一定塑性、韧性的高效节能钢。非调质钢是同时满足高性能和低成本要求的环境友好型钢材。

    汽车曲轴、连杆、前轴、半轴、工字梁、转向节、转向节臂、凸轮轴等用钢材料的选择,呈现以非调质钢逐渐代替调质钢的趋势。其中,从减少加工工序、提高生产率出发,对连杆用钢材料的选择正呈现以涨断材料逐渐代替非涨断材料的趋势。

    评价非调质钢技术质量的特性值包括碳当量、碳偏析、氧含量、晶粒度、脱碳层、力学性能、铁素体含量、夹杂物水平等。例如,碳当量范围值控制的追求目标是0.02%。钢材全截面的碳偏析控制的追求目标为0.03%。奥氏体晶粒度控制的追求目标为不粗于8级。显微组织应为珠光体+铁素体。脱碳层要求钢材每边脱碳深度(铁素体+过渡层)控制的追求目标是钢材直径的0.5%。氧含量控制的追求目标为15ppm。带状组织控制的追求目标是1.5级。

    高品质弹簧钢的发展趋势。影响弹簧设计应力的两个最主要因素是抗疲劳性能和抗弹减性能,成为当今弹簧钢研究和发展的主题。目前弹簧钢钢种向经济性和高性能化方向发展,新一代超高强度弹簧钢具有以下特征:超高强度—韧塑性,即抗拉强度2000MPa,断面收缩率50%;高的疲劳强度和耐腐蚀疲劳性能;优良的耐弹减性能。

    另外,高品质弹簧钢要求具有良好的经济性。其新型钢种的研究开发,一方面是通过优化现有弹簧钢的合金元素含量并添加微合金化元素,将碳含量降低并添加V和Nb等;另一方面是在现有钢种基本不变的情况下,通过形变热处理、感应热处理和在线热处理等工艺,在充分保证经济性的前提下实现超高强度化。目前国外形变热处理和感应热处理工艺已广泛用于实际生产,使在线弹簧钢丝经过油淬—回火热处理工艺。

    高品质冷镦钢的发展趋势。汽车行业对高精度、高强度紧固件,钢结构连接副和非标异型件的需求日益高涨,因此对高纯净度、高性能、高质量的冷镦钢需求也更为迫切。在把紧固件转变成多用途的高精密汽车零部件的过程中,技术进步起到关键作用。

    冷镦钢的发展方向是非调质钢、硼钢和超细晶粒钢,而免热处理的非调质冷镦钢备受关注。非调质冷镦钢通过采用微合金化、控轧控冷等强韧化方法,在加工紧固件过程中可省略冷拔前的球化退火和成形后的淬火回火处理,还可减少螺纹部分的脱碳倾向,提高成品率。

评价高品质冷镦钢技术质量的特性值包括冷镦性、脱碳层、表面质量等。冷镦性控制的追求目标是1/5,脱碳层控制的追求目标是热轧态脱碳层直径0.3%D。

    高品质轴承钢的发展趋势。轴承钢主要用于制造滚动轴承的滚动体和套圈。轴承应具备长寿命、高精度、低发热量、高速性、高刚性、低噪音、高耐磨性等特性,因此要求轴承钢应具备高硬度、均匀硬度、高弹性极限、高接触疲劳强度、必需的韧性、一定的淬透性、在大气的润滑剂中的耐腐蚀性能。为了达到上述性能要求,轴承钢的化学成分均匀性、非金属夹杂物含量和类型、碳化物粒度和分布、脱碳等要求严格。轴承钢总体上向高质量、高性能和多品种方向发展。

    评价轴承材料的质量主要看材料的纯净度和均匀性。材料的纯净度是指材料中的夹杂物尽量少。材料的均匀性是指材料中的夹杂物和碳化物颗粒细小、弥散。具体而言,轴承钢主要向高洁净度和性能多样化两个方向发展。提高轴承钢的洁净度,特别是降低钢中的氧含量,可以明显延长轴承的寿命。轴承钢氧含量控制的追求目标为5ppm,钢中氧化物夹杂控制的追求目标为夹杂物尺寸10m,钛含量控制的追求目标为5ppm,氮含量控制的追求目标为30ppm。

 
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