非调质机械结构钢及金相分析(综述)

      非调质机械结构钢一般定义为：通过微合金化，控制轧制（锻制）和控制冷却等强韧化方法，取消了调质热处理，达到或接近调质结构钢力学性能的一类又追或特殊质量的结构钢。非调质机械结构钢是一种理想的节约能源、相对环保的新型材料，符合我国钢铁产业发展政策要求，用途十分广泛。凡制造过程中需要调质的钢（如45，40Cr等）均可用非调质钢替代，由于省略了调质工序，可省去占调质钢生产总成本6%的热处理（淬火+高温回火）费用。德国用49MnVS3非调质钢代替调质钢制造发动机连杆可节约总成本的38%；日本爱知公司分析，因采用微合金非调质钢省略调质这一工序，就可使热锻产品的成本降低18%。

      1、非调质机械结构钢的成分和工艺特点
非调质机械结构钢包括的钢号很多，性能，用途各异，有多种分类方法。按加工工艺可分为热锻非调质钢、直接切削非调质钢、冷作强化（冷加工）非调质钢。按组织特征，可分为铁素体-珠光体非调质钢、晶内铁素体非调质钢、低碳贝氏体非调质钢和低碳马氏体非调质钢。按产品形状，可分为棒材、板材、管材、和线材等。按性能特征，可分为高强度非调质钢、高韧性非调质钢、表面强化非调质钢。按切削性能，可分为易切削非调质钢、对切削性能无特殊要求的非调质钢。其中按组织特征分类是较常用的方法。
      GB/T 15712-2008《非调质机械结构钢》修改采用ISO11692：1994《热加工的析出强化铁素体-珠光体工程用钢》，列出了10个牌号，主要为铁素体-珠光体型非调质钢。牌号以F开始，S结尾，当硫含量只有上限要求时，则在尾部不加“S”。

      2、非调质钢的合金化特点
      非调质钢的化学成分是在C-Mn结构钢成分的基础上，再添加钒、铌、钛铝和硼等微合金化元素，有的还添加硅或加入适量的铬、镍、铜等其他合金元素。、
      非调质钢中均有一定量的锰元素，在铁素体-珠光体钢中，锰可使珠光体量增多，锰可降低珠光体的形成温度，细化珠光体的片间距，提高钢的强度；锰有促进VN和VC溶解、降低VC固溶温度的作用。因此在非调质钢中均含有≥0.60wt%的锰。当锰的含量超过1.50wt%-0.60wt%时，将促进贝氏体组织的形成，所以具有贝氏体组织的微合金非调质钢，其锰含量均较高。
      非调质钢中加入0.50wt%-0.70wt%的硅有利于改善钢的韧性，当硅＞0.7wt%时，则强度增加，韧性下降。一般认为，加硅后能增加钢中铁素体体积分数，并使晶粒变细，因而有利于提高韧性。硅能增加铁素体冷变形硬化率的作用很强，使钢的冷加工困难。钼和硼都对珠光体转变有哦显著的推迟作用，而对贝氏体转变的影响较小，因而在相当大的冷却速度范围内可获得全部是贝氏体的组织，钼或硼是具有贝氏体组织微合金非调质钢的基本添加元素。为了降低钢的生产成本，近些年开发出一些含硼但无钼的贝氏体钢。非调质钢中所用的微合金化元素有钒、钛、铌和硼，有时还有氮，通常钒的含量0.06wt%-0.13wt%。这些微量元素在非调质钢中以碳、氮化物形式析出，起到了重要的沉淀强化作用，同时还以质点形式通过钉扎晶界机制阻止晶粒长大，在锻造和轧制过程中可阻止再结晶和位错运动，以防止晶粒粗化。这类碳、氮化物还影响铁素体与珠光体相对量，改变铁素体分布和形态，固溶于奥氏体的钒和铌可降低转变温度，使珠光体片间距减小，从而影响钢的性能。
      为改善微合金非调质钢的切削加工性能，在不损害塑性和韧性的条件下，可加入适量硫、铅、钙等易切削元素。这些元素在钢中能形成夹杂物，从而改善钢的切削加工性能。硫除用于改善钢的切削加工性能外，在一定条件下，可提高微合金添加剂的收缩率，可以质点促进晶粒铁素体形成，因此保证钢中含有稳定和适量的硫，对控制非调质钢的性能十分重要，一般硫含量为0.035wt%-0.075wt%。

      3、非调质钢的工艺特点
      （1）控轧控冷强化工艺
      非调质钢的良好的力学性能要经控轧（锻制）控冷工艺才能达到。而控轧控冷工艺，包括加热温度、终轧温度、轧后冷却速度、形变程度以及形变速率等对非调质钢的强化作用有不同程度的作用。具体表现为：
      1）加热温度：随加热温度的升高，钢的强度、韧性和硬度降低。其原因在于：随着加热温度的升高，奥氏体晶粒也随着长大，在其他影响因素不变的前提下，粗大晶粒造成强度、韧性、硬度降低；
      2）终轧温度：随终轧温度的降低，组织细化，强度提高。但对韧性的影响可能出现不同的情况，温度过低，硬化的组织得不到回复，韧性会下降；
      3）冷却速度：随冷却速度增大，相变组织从铁素体-珠光体向贝氏体、马氏体过度。对于铁素体-珠光体型钢，冷速增加，细化铁素体和珠光体晶粒，韧性提高，强度增大；冷速过大，可能出现贝氏体和马氏体，降低塑性。对于贝氏体钢，冷速增加，强度和韧性都提高较多；冷速过大，生成马氏体，强度增加，伸长率下降；
      4）形变程度：在奥氏体未再结晶区进行形变时，形变程度越大，相变后晶粒就越细小，综合力学性能就越好；
      5）形变速率：在不同的形变速率下，钢的显微组织变化不很明显，对钢的力学性能的影响不大。
      （2）良好的切削加工性能
      在硬度相同的情况下，具有铁素体-珠光体组织的非调质钢，其切削加工性能比具有回火索氏体组织的调质机械结构钢好，对于需要深钻孔的零件来说，非调质钢的表层与心部的硬度大致一样，而调质机械结构钢的心部硬度较低，故就其深钻孔加工性而言，非调质钢比调质钢稍差。
      （3）良好的表面强化特性
非调质钢具有良好的高、中频感应加热淬火特性。与同等强度级别的调质钢相比，在同样渗氮和氮碳共渗（软氮化）工艺条件下，非调质钢的渗层可以得到更高的硬度、更深的渗层深度；渗氮处理后心部硬度也不降低。