日本机械结构用高功能特殊钢

1、    日本机械结构用高功能特殊钢         近年来，为实现零部件轻量化和减轻环境负荷，日本各钢铁公司加快了高功能特殊钢的开发，下面就最新开发的钢种进行详细介绍。1 非调质软氮化曲轴用钢近年来，由于地球环境保护的需要，不仅要求发动机主要部件曲轴进一步轻量化、高强度化以实现运转中CO2的减排，而且还要求简化曲轴制造工艺以实现制造过程中CO2的减排。曲轴通过活塞和连杆承受发动机的爆发压力，所以曲轴应具有的一个重要特性就是高疲劳强度。一般来说，为保证曲轴的疲劳强度常使用的方法

2、是，滚压加工、高频淬火、软氮化处理等表面硬化方法。其中软氮化处理是保证曲轴弯曲疲劳和扭转疲劳的有效的热处理方法。该方法是在550-600铁素体区对工件进行数小时的N、C扩散，不仅曲轴的弯曲部（圆角R），而且油孔都可以得到强化。但是，高功率发动机曲轴要求有更高的疲劳强度，这时就需要采用硬度高而且软氮化处理后表层硬度也高的钢材。这种情况下，在对软氮化引起的曲轴翘曲进行矫正加工时，抑制曲轴表面产生裂纹就是一个难点。为解决这个问题，在软氮化处理前要对工件进行正火处理使晶粒细化。对于普通强度钢，硬度降低与C含量减少是相应的，所以减少C含量可使粗大晶粒受到控制并使铁素体分量增加，因此，即使不进行正火也能达

3、到要求的矫正加工性，但疲劳强度比高强度钢低。本开发钢的目标是无须进行正火处理的具有高疲劳强度和良好矫正加工性的曲轴用钢（见图1）。其矫正加工性与普通强度钢相同，但具有更高的疲劳强度。本开发钢的特征是，C含量为0.37%，铁素体分量增加到约为50%，提高了翘曲矫正加工性；提高N含量并添加约0.01%的Ti，可抑制热锻时奥氏体晶粒的粗大化；添加约0.2%的Mo，强化铁素体。 用本开发钢替代传统的曲轴用高强度钢，可以省略曲轴制造中的正火工序，使总制造成本降低8%。曲轴制造过程中的CO2排放量最多可减少22%。2 高强度齿轮用钢AG20近年来.汽车驱动齿轮由于齿面点腐蚀导致断裂的现象有所增加

4、。特别是自动换挡系统（AT）的齿轮，常常出现点腐蚀导致强度下降的现象。因此，提高点腐蚀强度的要求非常迫切。爱知制钢开发出具有良好耐点腐蚀性的高强度齿轮用钢AG20。2.1 开发钢的目标和化学成分2.1.1 抗回火软化性AT齿轮在运行中齿面温度升高，齿面的渗碳层容易发生软化。通过提高钢材抗回火软化性来提高点腐蚀强度是防止齿面软化导致强度下降的有效方法。AG20钢提高Si含量，使抗回火软化性得到提高，在齿轮实验时，虽然齿面温度升高，但齿面的表面硬度降低很少，有效地提高了点腐蚀强度。2.1.2 异常渗碳层的形态控制渗碳层中的不完全淬火层是异常渗碳层。一般认为，异常渗碳层会成为疲劳断裂源，对疲劳强度是

5、有害的。但是软质的异常渗碳层可以缓解互相接触的两个齿面之间的冲击，发挥抑制产生初生裂纹的作用。所以，对提高点腐蚀强度有很好的作用。由于AG20钢中的Si、Mo成分的最佳化，异常渗碳层呈均匀薄层状态，使异常渗碳层既发挥出缓解齿面互相冲击的作用，又不使之成为裂纹源，从而提高了点腐蚀强度。2.1.3 保证高Si钢的渗碳性钢中Si含量增加会导致渗碳性下降。但是为了提高AG20钢的抗回火软化性，仍然增加了Si含量。由于同时在钢中添加了最佳含量的Cr，使AG20钢的渗碳性仍可达到传统钢的水平。2.2 AG20钢的特性渗碳状态下AG20钢的点腐蚀强度好于SCM420H钢，再经过喷丸处理，强度会进一步提高。此

6、外，由于异常渗碳层减薄，齿根的弯曲疲劳强度也得到提高。因此，AG20钢可使齿轮的齿面强度和齿根强度都得到提高。AG20钢已用于6速AT行星齿轮，对AT的发展起了一定的作用。 3 高强度小变形齿轮用钢为提高汽车的燃料效率，对汽车各个部件的轻量化进行了研究。汽车变速器、差速器齿轮的高强度轻量化就是其中的一项研究课题。齿轮制造中几乎都采用渗碳淬火回火或碳氮共渗淬火回火的表面硬化法。但是这些热处理方法会使齿轮产生变形，有时这种变形会导致噪音产生和部件耐久性下降。JFE条钢开发出热处理变形小的齿轮用钢。新开发钢在减小热处理变形提高齿轮耐久性的同时，提高了钢的强度和抗点腐蚀性。3.1 减小热处理

7、变形钢在渗碳（氮化）淬火时奥氏体转变为马氏体引起体积膨胀导致热处理变形的发生。减少马氏体相变对于提高硬度进行强化不利，但减少相变膨胀量，对于减轻热处理变形会起很大作用。JFE条钢通过优化钢的化学成分，开发出在常规的JIS渗碳钢渗碳淬火条件下，表面渗碳层为马氏体，内部非渗碳层为含有铁素体的马氏体组织的新型齿轮用钢。新钢种的特点是：1）通过对内部铁素体量的控制，热处理变形量比传统钢减少30%-50%2）弯曲疲劳强度和面疲劳强度等于或好于传统钢。3.2 高强度化在上述的小变形量钢的基础上，进一步调整钢的成分以提高钢的耐久性，使钢同时具有高强度和热处理变形小的特性。开发钢成分设计的要点是：1）增加抗回

8、火软化性元素以提高钢的耐点腐蚀性。2）强化内部组织中的铁素体以抑制疲劳裂纹的扩展。3）保证在两相组织中铁素体具有一定的量以减少热处理变形量。3.3 面压疲劳强度高在对上述新钢种进行开发的同时，还对齿轮制造工艺进行了调整，使新开发钢的面压疲劳强度比轿车用的常规齿轮钢约提高40%。如果不改变齿轮制造工艺，仅用新开发钢替代常规钢，也可使面压疲劳强度提高17%。4 冷锻性良好的高强度渗碳钢TMAX钢为实现轻量化和减轻环境负荷，将高强度钢作为汽车和其他产业机械传动部件用材，越来越受到人们的重视。在这方面，一般使用的是SCR420和SCM420为代表的渗碳钢，但为实现高强度化，则使用添加Ni、Mo的SNC

9、M420及其改进型开发钢。与SCR420和SCM420相比，采用这些高强度钢会使材料成本大大升高，并增加了部件制造工艺的负荷，所以不符合当前的经济形势。并且增加Ni、Mo用量与世界性资源枯竭的状况也不相称，而且还存在供货稳定性的问题。因此，迫切需要开发出新的资源节约型钢种。山阳特钢开发的TMAX钢是在非Ni、Mo型的SCR钢的基础上添加B和约0.15%Ti的新型齿轮钢。新型齿轮钢的关键技术在于钢中弥散分布的纳米级TiC。这是在成分设计的基础上，通过钢的精炼技术、Ti的加入技术和控制Ti固溶析出的轧制技术来实现的。低周疲劳特性是齿轮钢代表性的力学特性，TMAX钢具有良好的低周疲劳特性，例如，10

10、0次循环时TMAX钢的断裂负荷比SCM420约提高30%，具有等于或高于SNCM420的低周疲劳强度。与高周疲劳不同，低周疲劳是与高负荷产生的塑性变形有密切关系的疲劳现象。在塑性变形时，弥散的纳米级的TiC粒子将应力分散，形成均匀变形，改善延展性，使断裂强度提高。目前，由于传动部件小型轻量化，不可避免地出现负荷的相对增加，因此，传动齿轮轴、等速连轴节等部件都非常重视低周疲劳特性。这些部件都应采用TMAX钢制造。此外，从TMAX钢的成分特点可知，该钢具有良好的冷锻性。对于易发生晶粒粗大化的冷锻钢来说，在渗碳前需要进行退火处理以防止晶粒粗大化。TMAX钢在轧制状态下，其硬度和普通球化退火钢SCM4

11、20相同，并且由于纳米级TiC粒子具有防止渗碳时晶粒粗化的作用，因此可以省略渗碳前的退火处理。这样，TMAX钢即具有高强度又降低了部件的制造成本。5 具有良好冷锻性和疲劳特性的无Mo渗碳钢Cr-Mo渗碳钢通过渗碳淬火回火提高表面硬度，广泛用于要求高疲劳强度和高耐磨性的齿轮等汽车传动部件。为了应对近年来合金价格飞涨引起的成本增加，以及资源枯竭形势下实现原料长期稳定供应，在部件制造中节省资源的要求日益迫切。在这种背景下，JFE制钢开发出不添加Mo的、冷锻性和疲劳特性等于或好于Cr-M0渗碳钢的新型渗碳钢。5.1 无Mo渗碳钢的开发原理为了在不添加Mo的情况下仍保证良好的淬透性，在钢中增加了C、Mn

12、、Cr的含量。但是这样会使钢的韧性和加工性下降，并且由于渗碳表面晶界氧化层的增加，导致部件强度下降。JFE制钢开发的无Mo渗碳钢对合金元素含量进行了根本性的调整，进行了既保证淬透性又提高加工性以及减少晶界氧化层的设计。5.2 开发钢的特性不论是正火状态还是球化退火状态，开发钢的冷加工性都好于SCM420。通过观察气体渗碳处理后渗碳层的表层组织，可以看出开发钢的晶界氧化层比SCM420钢小，因此，开发钢的转动弯曲疲劳特性也好于SCM420。此外，渗碳部件要求的点腐蚀强度、冲击强度也都等于或好于SCM420。6 超洁净钢SP钢SP钢是山阳特钢的代表性产品，其开发理念是控制钢中最大非金属夹杂物的尺寸

13、，最大限度地发挥出钢材本来具有的特性。为了降低钢中特别有害的夹杂物氧化物夹杂量和减小夹杂物尺寸，山阳特钢进行了长期的技术研发。6.1 通过夹杂物控制提高疲劳强度断裂源的缺陷大小和硬度是决定淬火硬化钢疲劳强度的重要因素。也就是说，即使是同一个钢种，如把缺陷尺寸减小，也能够提高钢的疲劳强度。由于对夹杂物的大小进行了控制，SP钢具有很高的疲劳强度。6.2 钢的洁净度SP钢的洁净度可与飞机和新干线列车轴承用的特殊重熔钢（VAR材、ESR材）的洁净度相媲美。采用统计学极值统计理论对钢的重要洁净度指标非金属夹杂物大小进行定量评价。极值统计法与传统方法ASTM E5和JISG0555相比，评价面积大，是一种

14、可信度更高的方法。山阳特钢的SP钢已形成系列化产品，有高碳铬轴承钢SUJ2SP、中碳钢SCM435H SP、渗碳钢SCM420H等。SP钢适用于要求高弯曲疲劳强度、高面压疲劳强度和高转动疲劳强度的各种轴承、汽车发动机传动部件和工业机械部件。为适应当前的环保要求，各种部件向小型轻量化方向发展，部件的使用环境越来越苛刻（高接触应力）。山阳特钢将进一步开发可靠性更高的新型钢材，并继续研发高准确度的夹杂物评价技术。7 切削性良好的无铅切削钢在切削钢领域，从便于加工的角度出发，过去大量使用了含Pb切削钢。但当前环境保护的形势对开发无铅切削钢的要求日益迫切。切削钢可分为两类。一类是在要求切削性的同时还要求

15、冷锻性和高强度的机械结构用切削钢，另一类是以AISI12L14（JIS SUM24L）为代表的主要要求切削性的低碳切削钢。JFE条钢开发出可替代AISI1l2L14的无铅切削钢CCC切削钢。AISI12L14是含0.3%Pb、0.3%S的切削钢。而CCC钢中的氧含量多达150ppm，所以不能利用机械结构切削钢使用的Ca和B（无Pb化）来提高切削性。根据s切削钢中硫化物越大切削性越好的现象，对利用硫化物大型化提高切削性的问题进行了研究。在研究中运用计算方法求出状态图，预测硫化物大型化的成分系列。研究发现，硫化物结晶温度范围越大，硫化物也越大，CCC钢的硫化物结晶温度范围是AISI12L14的4倍多。为达到这种情况需要添加Cr和增加