非调质钢是通过微合金化（添加Nb、V、Ti、N、B等）、控轧（锻）控冷等强韧化方法，取消了调质热处理，达到或接近调质钢力学性能的一类优质或特殊质量结构钢，是非调质中碳微合金结构钢的简称，又称微合金化钢，其发展是在20世纪70年代因石油危机的推动发展起来的，主要是简化工艺取消调质热处理，降低能耗，并降低制造成本。
有鉴于此，本文的主要目的在于探讨一种Nb-V-Ti复合微合金化非调质钢45MnSiVSQ重型汽车半轴的制造工艺方法,以实现我国重型汽车半轴高性能热锻非调质钢的应用。
1.国内外应用现状
目前非调质钢已获得了广泛的应用，特别是在汽车制造业。德国蒂森公司开发的第一个非调质钢49MVS3，替代调质钢被用于大规模生产汽车曲轴，提高了曲轴锻件的成品率、切削加工性能、疲劳性能、生产效率、降低了制造成本。由于优异的性能和特点，欧美、日本等国家钢厂均研制了多种非调质钢并应用于汽车曲轴、连杆、半轴、转向节、转向臂等锻件。近年来日本研究微合金非调质钢最为活跃，处于世界先进水平，非调质钢广泛应用于汽车的底盘件和发动机的曲轴、连杆等锻件，并在我国申请了多项发明专利，同时对非调质钢的应用进行扩展，例如软氮化用非调质钢以及软氮化部件（CN201180056073.7），非调质钢以及非调质钢部件（CN201280024294.0），非调质钢棒材（CN201380003849.8），氮碳共渗的曲轴及其制造方法（CN201410178233.0）等。
我国的非调质钢的应用也有很大的成果，在90年代以来国外开发了强度级别更高的非调质钢，其强度级别达到950MPa以上，典型的牌号有蒂森公司的MnSiVS系列，C70系列，还有日本新日铁NQF系列、三菱制钢VMC系列、大同制钢UDK系列、神户制钢的KNF系列等广泛应用于汽车前轴、发动机连杆、转向节、转向臂，其中神户制钢KNF33MKM强度级别达到了1150MPa。
2.Nb-V-Ti复合微合金化非调质钢45MnSiVSQ重型汽车半轴的制造工艺
（1）半轴用非调质钢45MnSiVSQ冶炼和检验
新开发的45MnSiVSQ钢的工业化冶炼在西宁特钢进行试验研究并在北京沙钢集团淮钢特钢有限公司进行了工业冶炼应用。试验研究采用感应炉冶炼860kg钢锭一支锻制成φ45mm和φ60mm规格并进行检验，表1为试验材化学成分检验结果。
表1 试验材料的化学成分（质量分数） （%）
规格
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
Φ45
0.45
0.56
1.26
0.020
0.005
0.26
0.16
0.04
Φ60
0.46
0.56
1.26
0.019
0.004
0.26
0.16
0.04
规格
Al
V
Nb
Ti
N
H
O
Fe
Φ45
0.020
0.12
0.020
0.022
144ppm
1.06ppm
19ppm
Bak
Φ60
0.020
0.12
0.018
0.014
144ppm
1.06ppm
19ppm
Bak
表2为试验材料低倍组织检验结果按GB/T226进行检验并按GB/T1979进行评级，从腐蚀后的低倍组织来看，未发现缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮和白点等缺陷。
表2 试验材料的低倍组织（级）
规格
中心疏松
一般疏松
偏析
其他偏析
Φ45
1
1
1
无
Φ60
1
1
1
无
表3为试验材料非金属夹杂物检验结果按GB/T10561进行检验并评级。
表3 试验材料的非金属夹杂物（级）
规格
A粗
A细
B粗
B细
C粗
C细
D粗
D细
Φ45
0
0.5
1.0
0
0
0
0
0
Φ60
0
0.5
1.0
0
0
0
0
0
表4为试验材料力学性能检验结果按GB/T2975，GB/T228和GB/T229进行取样检测。
表4 试验材料的力学性能
规格
抗拉强度/MPa
屈服强度/MPa
伸长率（%）
断面收缩率（%）
硬度HBW
热处理工艺
取样位置
Φ45
1057
774
331
锻材
1/2R
935
628
20
46
266
920℃正火
1/2R
904
606
21
59
163
880℃正火
1/2R
Φ60
1063
746
10
14
283
1200℃正火
1/2R
表5为试验材料端淬检验结果按GB/T225进行检测，钢材经880℃正火，端淬温度850℃。
表5 试验材料的端淬试验
规格
距水冷端距离/mm
1.5
3
5
7
9
11
13
15
20
Φ45
硬度HRC
55
54
49.5
40
35
Φ60
硬度HRC
59
58
57
55
52.5
49
45
42.5
37.5
图1为试验材φ60规格经880℃×2.5h正火金相组织，组织组成物为铁素体（含量31%～34%）+珠光体，组织均匀分布，晶粒度8级，带状组织1级。
图2为试验材φ60mm规格经1200℃×0.5h正火金相组织，组织组成物为珠光体+铁素体，块状铁素体不均匀分布，晶粒度2级，晶粒明显粗化。
图3为试验材进行晶粒粗化试验，钢材经加热保温0.5h空冷后进行晶粒度检测，该钢加热至1100℃后，晶粒开始明显粗化，平均晶粒度在4级时加热温度约为1120℃，因此要保证该半轴锻压成型过程中未发生形变的过渡区晶粒在4级以上，其锻造温度不易超过1120℃。试验材不同温度平均晶粒直径曲线图如图4a所示，试验材不同温度平均晶粒度级别曲线图如图4b所示。
（2）工艺试验
因锻造加热温度会影响半轴毛坯的成型、晶粒度和弥散相的析出，所以对锻造加热温度进行控制1100～1150℃，试验材为北京沙钢集团淮钢特钢有限公司进行工业冶炼经转炉→LF精炼→RH真空脱气→连铸→控轧控冷，制成φ60mm规格200t，表6为试验材化学成分检验结果。
表6 试验材料的化学成分（质量分数）（%）
规格
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
Φ60
0.45
0.58
1.36
0.010
0.002
0.22
0.14
-
规格
Al
V
Nb
Ti
N
H
O
Fe
Φ60
0.021
0.13
0.025
0.020
157ppm
1.1ppm
13ppm
Bak
表7为试验材料低倍组织检验结果按GB/T226进行检验并按GB/T1979进行评级，从腐蚀后的低倍组织来看未发现缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮和白点等缺陷。
表7 试验材料的低倍组织（级）
规格
中心疏松
一般疏松
偏析
其他偏析
Φ60
1
1
1
无
表8为试验材料非金属夹杂物检验结果按GB/T10561进行检验并评级。
表8 试验材料的非金属夹杂物（级）
规格
A粗
A细
B粗
B细
C粗
C细
D粗
D细
Φ60
0.5
1.5
0.5
0.5
0
0
1.0
1.0
表9为试验材料力学性能检验结果按GB/T2975，GB/T228和GB/T229进行取样检测。
表9 试验材料的力学性能
规格
抗拉强度/MPa
屈服强度/MPa
伸长率（%）
断面收缩率（%）
硬度HBW
热处理工艺
取样位置
Φ60
1006
692
19
45
283
轧材
1/2R
931
614
18
41
272
880℃正火
1/2R
表10为试验材料端淬检验结果按GB/T225进行检测，钢材经880℃正火，端淬温度850℃。
表10 试验材料的端淬试验
距水冷端距离/mm
1.5
3
5
7
9
11
13
15
20
硬度HRC
57
51.5
44
图5为试验材规格φ60mm轧材金相组织，组织组成物为铁素体+珠光体，晶粒度8级，带状组织4级，存在严重的组织偏析现象，影响后续半轴产品疲劳寿命。
半轴毛坯经控锻控冷后进行中频整体表面感应淬火处理，表11为感应淬火工艺参数，半轴经感应淬火后杆部表面硬度59～61HRC，花键表面硬度55～57HRC，经200℃×2h回火后杆部表面硬度57～59HRC，花键表面硬度54～56HRC，有效硬化层深度10～13mm。
表11 半轴产品中频感应淬火工艺参数
规格
中频电压
/V
中频电流/A
中频功率/kW
中频频率/Hz
加热时间/s
冷却时间
/s
水溶性
淬火介质
Φ60
583
499
289
2692
71.5
70
型号ZY747
温度20～40℃
浓度10%～15%
585
548
316
2726
583
571
331
3051
580
507
293
3070
575
614
359
3002
表12为试验半轴经中频整体表面感应淬火、回火处理后，以两端面中心孔定位，用百分表检测不同部位圆周跳动变形数据。附图6为该试验半轴示意图，与常规42CrMo相比变形较小校直工序简单效率提升达50%，常规42CrMo经中频整体表面感应淬火、回火后杆部跳动3～6mm，校直难度较大，效率较低。
表12 试验半轴不同部位跳动变形情况（跳动，mm）
序号
法兰根部
杆部
花键根部
状态
要求
≤0.40
≤1.5mm
≤0.15mm
1
0.35
0.60
1.00
感应淬火、回火后
0.10
1.20
0.20
校直
2
0.50
1.00
1.10
感应淬火、回火后
0.40
1.00
0.15
校直
3
0.25
1.50
1.50
感应淬火、回火后
0.10
0.40
0.20
校直
4
0.30
1.60
1.20
感应淬火、回火后
0.30
1.00
0.10
校直
5
0.40
1.40
1.20
感应淬火、回火后
0.35
1.20
0.15
校直
6
0.20
1.50
0.10
感应淬火、回火后
0.20
1.50
0.10
免校直
平均
0.33
1.27
1.02
感应淬火、回火后
0.24
1.05
0.15
校直
表13为试验半轴产品进行静扭强度试验，试验按QC/T293，QC/T294标准执行，试验Mj=24000N.m，试验频率1.5Hz，静扭后备系数＞1.8，对静扭试验失效件2失效位置进行理化分析，表面马氏体按JB/T9204进行评级为6级，心部铁素体晶粒度按GB/T6394进行评级5～8级，断口部位表面硬度56.5HRC，心部硬度297HBW5/750，有效硬化层深度DS（450HV1）=12.4mm。
表13 试验半轴产品静扭试验数据
序号
角速度/°·min-1
破坏扭矩/N·m
扭转角（°）
后备系数/k
断裂失效位置
1
72
56117
192.3
2.34
花键与杆过渡部位
2
72
55609
180.2
2.32
花键与杆过渡部位
表14为试验半轴产品静扭试验断口部位有效硬化层内硬度梯度数据，符合产品技术要求表面硬度54～58HRC，心部硬度不低于28HRC。
表14 试验半轴产品静扭试验断裂部位有效硬化层硬度梯度数据
距离/mm
表面
4
6.3
8.5
10.2
10.5
12.8
14.1
硬度HRC
56.5
54.5
54
52
49.8
49.0
48.2
32.5
