特殊鋼中的碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于汽車產(chǎn)業(yè)，制造發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和底盤的零部件。近年來(lái)，汽車特殊鋼用量有減少的趨勢(shì)，但特殊鋼仍占汽車原料總量的11%-17%，其中碳素鋼和合金鋼等結(jié)構(gòu)鋼的比例是8%-10%，仍然是汽車的主要用材。由于汽車生產(chǎn)和使用環(huán)境發(fā)生了很大變化，為應(yīng)對(duì)這些變化，日本鋼鐵企業(yè)不斷提高生產(chǎn)技術(shù)并開(kāi)發(fā)新鋼種。本文以汽車結(jié)構(gòu)鋼的代表性鋼類滲碳鋼、非調(diào)質(zhì)鋼和易切削鋼為例，簡(jiǎn)要介紹近年來(lái)日本汽車結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)進(jìn)步。

　　1滲碳鋼

　　滲碳鋼用于制造汽車傳動(dòng)系統(tǒng)和差速器的齒輪和軸類部件。隨著汽車傳動(dòng)系統(tǒng)從手動(dòng)變速器（MT）發(fā)展到自動(dòng)變速器（AT），出現(xiàn)了多級(jí)AT和無(wú)級(jí)變速（CVT），同時(shí)要求部件小型化、輕量化和低成本化。為應(yīng)對(duì)這些要求，日本的鋼鐵企業(yè)推進(jìn)了滲碳鋼新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。按照滲碳鋼的主要特征，可將滲碳鋼分為高強(qiáng)度、低變形和經(jīng)濟(jì)型等3個(gè)類別。

　　1.1高強(qiáng)度滲碳鋼

　　汽車齒輪的強(qiáng)度分為齒根強(qiáng)度和齒面強(qiáng)度。圖1是不同的齒輪高強(qiáng)度化技術(shù)與齒面疲勞強(qiáng)度和齒根疲勞強(qiáng)度的關(guān)系。由于汽車輕量化和高功率化的要求，對(duì)高強(qiáng)度齒輪用鋼的需求不斷增長(zhǎng)，相應(yīng)地，日本各鋼廠加快了高強(qiáng)度齒輪用鋼的開(kāi)發(fā)。

　　使齒根疲勞強(qiáng)度下降的主要原因是異常滲碳層，因此提高齒根強(qiáng)度的方法是減少異常滲碳層。異常滲碳層出現(xiàn)的原因是晶界氧化物的形成，因此各鋼廠開(kāi)發(fā)出降低晶界氧化物形成元素Si、Mn、Cr含量，提高保證淬透性和韌性的Ni、Mo含量的高強(qiáng)度滲碳鋼。這些新鋼種通過(guò)噴丸處理可使疲勞強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

　　由于齒根疲勞強(qiáng)度的提高，使齒輪的損傷形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)辇X面的剝蝕。因此，從90年代開(kāi)始對(duì)抗剝蝕高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。齒面剝蝕的主要原因是承受反復(fù)面壓負(fù)荷和摩擦的齒面因溫度升高而發(fā)生軟化。因此，以抗齒面高溫軟化為目標(biāo)，開(kāi)發(fā)出高Si抗剝蝕鋼，并用于AT齒輪。

　　碳氮共滲和高濃度滲碳等特殊滲碳處理方法可以顯著提高抗熱軟化性，并且，高濃度滲碳使微細(xì)碳化物彌散析出，可以提高滲碳層的強(qiáng)度和耐磨性。因此開(kāi)發(fā)了碳氮共滲鋼和高濃度滲碳鋼。

　　1.2低變形滲碳鋼

　　齒輪變形會(huì)影響到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的靜音性和局部接觸造成的齒輪強(qiáng)度下降。因此，滲碳變形的定量化和少量化是非常重要的。鋼材方面減少工件滲碳變形的方法是嚴(yán)格控制鋼的淬透性。通過(guò)爐外精煉成分微調(diào)和淬透性預(yù)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)滲碳鋼的窄淬透性帶控制。

　　氮化和軟氮化處理是與滲碳處理不同的、不利用馬氏體轉(zhuǎn)變的熱處理方法。這種方法的熱處理變形小，但強(qiáng)度不及滲碳淬火，所以用于汽車齒輪受到限制。針對(duì)這種情況，開(kāi)發(fā)出添加Cr、Al、V等提高氮化硬度的高強(qiáng)度氮化鋼。

　　1.3經(jīng)濟(jì)型滲碳鋼

　　滲碳鋼低成本化的措施是降低Ni、Mo等稀有元素的含量、縮短滲碳時(shí)間、可以冷鍛節(jié)約能耗、近終形鍛造降低切削加工量等等。

　　過(guò)去大量使用的滲碳鋼是JISSCM420H等含Mo鋼，為降低成本和節(jié)約資源，進(jìn)行了省Mo化的研究開(kāi)發(fā)。新開(kāi)發(fā)鋼的C含量與現(xiàn)行鋼相同，對(duì)其他合金元素含量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，抑制鋼的正火硬度和回火硬度的降低、減少異常滲碳層以及保證滲碳層的淬透性。

　　滲碳處理需要很長(zhǎng)的時(shí)間，所以用戶非常希望縮短滲碳時(shí)間。日本鋼廠采取許多方法對(duì)短時(shí)滲碳鋼進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。提高滲碳溫度可以縮短滲碳時(shí)間，但存在晶粒粗大化的問(wèn)題。為此，開(kāi)發(fā)出利用Nb碳氮化物和Al氮化物微細(xì)析出抑制晶粒粗化的高溫滲碳用鋼。此外，還開(kāi)發(fā)出通過(guò)提高淬透性、增加C含量來(lái)提高滲碳層硬度，從而縮短滲碳時(shí)間的短時(shí)滲碳鋼。

　　2非調(diào)質(zhì)鋼

　　非調(diào)質(zhì)鋼是不進(jìn)行淬火-回火、通過(guò)熱鍛或熱軋后的控制冷卻獲得要求性能的鋼類。上世紀(jì)70年代中期歐洲開(kāi)發(fā)出非調(diào)質(zhì)鋼，日本于80年代初期將非調(diào)質(zhì)鋼用于汽車曲軸、連桿等發(fā)動(dòng)機(jī)部件和汽車底盤梁類部件的制造。此后，日本在長(zhǎng)達(dá)30年的時(shí)間里將非調(diào)質(zhì)鋼作為節(jié)能型代表性鋼材不斷進(jìn)行開(kāi)發(fā)和擴(kuò)大應(yīng)用。非調(diào)質(zhì)鋼可分為熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼、直接切削用非調(diào)質(zhì)鋼和冷鍛用非調(diào)質(zhì)鋼3大類別。下面對(duì)熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼的開(kāi)發(fā)情況進(jìn)行介紹。

　　2.1提高韌性

　　非調(diào)質(zhì)鋼的基本強(qiáng)化機(jī)制是在熱加工后的冷卻過(guò)程中，微細(xì)的V的碳氮化物在鐵素體組織中析出，產(chǎn)生析出強(qiáng)化效果。圖2是非調(diào)質(zhì)鋼開(kāi)發(fā)的進(jìn)程�；�本型的非調(diào)質(zhì)鋼是在C含量為0.4％-0.6%的碳素鋼中添加V，形成的鐵素體-珠光體組織鋼。由于熱鍛狀態(tài)鋼的組織粗大，所以基本型非調(diào)質(zhì)鋼的靜態(tài)強(qiáng)度與淬火-回火碳素鋼相同，但韌性和疲勞強(qiáng)度不好。因此，日本在80年代推進(jìn)了提高非調(diào)質(zhì)鋼韌性的研究，開(kāi)發(fā)出降C、提Mn的強(qiáng)度韌性良好的非調(diào)質(zhì)鋼和利用Ti、MnS細(xì)化組織進(jìn)一步提高韌性的非調(diào)質(zhì)鋼。

　　2.2高強(qiáng)度化

　　日本開(kāi)發(fā)出基本型非調(diào)質(zhì)鋼的高強(qiáng)度鋼，還開(kāi)發(fā)出用于淬火-回火制造零部件的合金鋼非調(diào)質(zhì)鋼。這些鋼的組織是鐵素體-珠光體，為提高鋼的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，降低鋼中的C、增加V含量、并對(duì)Mn、Cr含量進(jìn)行優(yōu)化。這些開(kāi)發(fā)鋼已經(jīng)用于汽車連桿和底盤部件的制造。

　　2.3高強(qiáng)度高韌性化

　　日本開(kāi)發(fā)出淬火-回火制造高強(qiáng)度和高沖擊值零部件的合金鋼非調(diào)質(zhì)鋼。這類鋼是低C貝氏體組織或低C馬氏體組織鋼，鋼的抗拉強(qiáng)度為900N/mm2，是具有高強(qiáng)度和高韌性的非調(diào)質(zhì)鋼，已經(jīng)用于汽車下梁等底盤部件。

　　2.4其他特性的非調(diào)質(zhì)鋼

　　為使非調(diào)質(zhì)鋼具有穩(wěn)定的強(qiáng)度，熱鍛工藝條件的控制十分重要。針對(duì)這種情況，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼，這種鋼通過(guò)調(diào)整鋼中鐵素體和貝氏體的硬度，在鍛造加熱溫度和鍛后冷卻條件發(fā)生波動(dòng)的情況下，強(qiáng)度也很少變化。

　　過(guò)去非調(diào)質(zhì)鋼的開(kāi)發(fā)是基于保證和提高鋼的強(qiáng)韌性進(jìn)行的，近年來(lái)在汽車連桿制造工藝方面，開(kāi)發(fā)出連桿體和連桿蓋一體化鍛造并對(duì)連桿大頭破斷分解的裂解加工工藝技術(shù)。為使破斷分解后的部件尺寸變化小，開(kāi)發(fā)出降低沖擊值的裂解法連桿用非調(diào)質(zhì)鋼。

　　3易切削鋼

　　易切削鋼是在鋼中添加S、Pb、Ca等元素提高切削性的鋼。汽車部件等大量生產(chǎn)的部件采用易切削鋼對(duì)于提高生產(chǎn)效率十分有效。

　　日本易切削鋼標(biāo)準(zhǔn)是JISG4804，在該標(biāo)準(zhǔn)中有含S易切削鋼和復(fù)合添加S的易切削鋼。此外，在日本汽車技術(shù)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)JASOM106（汽車結(jié)構(gòu)用鋼）中規(guī)定了含S易切削鋼（S0-S2）、含Pb易切削鋼（L1、L2）、含Ca易切削鋼（U）。在上世紀(jì)80年代中期易切削鋼的基本技術(shù)已經(jīng)形成。此后，日本鋼鐵廠的主要工作是開(kāi)發(fā)硫化物形態(tài)控制易切削鋼、復(fù)合元素易切削鋼和無(wú)Pb易切削鋼。

　　3.1硫化物形態(tài)控制易切削鋼、復(fù)合元素易切削鋼

　　硫化物形態(tài)控制易切削鋼是克服了強(qiáng)度各向異性強(qiáng)和疲勞強(qiáng)度低等含S易切削鋼的缺點(diǎn)，并提高切削性的鋼。鋼中添加Ca、Mg、Zr、Ti、Te等元素，對(duì)MnS的形態(tài)進(jìn)行控制。與普通的含S易切削鋼相比，硫化物形態(tài)控制易切削鋼的MnS長(zhǎng)寬比小，強(qiáng)度各向異性程度減弱。此外，日本還開(kāi)發(fā)出S-Pb、S-Ca、S-Ca-Pb等添加復(fù)合元素的易切削鋼。S-Ca-Pb易切削鋼用于加工費(fèi)用很大的曲軸，取得了加工費(fèi)用降低的效果。

　　3.2無(wú)Pb易切削鋼

　　Pb易切削鋼由于具有良好的切屑斷裂性而得到廣泛應(yīng)用。由于歐洲環(huán)境法令等對(duì)環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)使用限制的積極執(zhí)行，提高了對(duì)無(wú)Pb易切削鋼的需求。90年代后期日本各鋼廠推進(jìn)了無(wú)Pb易切削鋼的開(kāi)發(fā)，采取各種方法替代鋼中的Pb，代表性的無(wú)Pb易切削鋼有以下幾種。

　　◆Mg-Ca-S易切削鋼：添加Mg、Ca對(duì)硫化物形態(tài)進(jìn)行控制并保證足夠的疲勞強(qiáng)度，切削性與Pb-Ca-S易切削鋼同等。

　　◆Bi易切削鋼：Bi是與Pb相同的低熔點(diǎn)物質(zhì)，利用Bi的熔融脆化作用提高鋼的切削性。

　　◆BN易切削鋼：利用B的氮化物（BN）提高鋼在高速切削條件下的切削性。

　　◆Ti硫化物易切削鋼：利用Ti硫化物對(duì)刀刃的保護(hù)作用，提高切削工具的使用壽命。