1非调质钢中国专用汽车网汉阳专用汽车研究所中国汽车技术研究中心.doc

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1、汽车结构钢技术及发展趋势前言迄今为止，在各类汽车材料中，钢铁材料占有的比例最高。德国家庭用车的材料中，钢材占58%，雪铁龙富康轿车，钢材占全部材料用量的54%，美国中型轿车材料中，钢材占51%，可见钢材仍是汽车制造中的基本材料。而钢材中结构钢比例占36%。结构钢以其资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样、价格低廉、使用方便和便于回收等特性成为重要的汽车材料。结构钢多用于动力、传动、承载等总成部位的关键和重要零部件，如发动机、变速器、车桥悬架等的齿轮、轴杆、弹簧类零件等，因此可以说结构钢是保证汽车运行性能的核心部件的制造材料。近年来，随着汽车工业技术的发展，新型合金结构钢不断涌现。进入21世纪

2、后，随着节能、环保的法规要求和意识的提高，减轻汽车自身质量成为了降低汽车燃料消耗及减少有害气体排放的有效措施之一，减重、安全和节能以及汽车性能的提高都和合结钢的性能改进、提高密切相关。近年来，冶金技术的进步，如炉外精炼、钢包合金化、真空处理等使结构钢高纯净度化、合金成分严格控制、淬透性窄带控制等成为可能。而电磁搅拌的应用可使连铸坯的偏析明显下降，使之合金成份的均匀性提高，连铸连轧的技术进展，使钢材的生产成本下降，生产率提高，这些因素都使为汽车工业提供高性能、低成本的材料成为可能。1非调质钢1.1 国际汽车用非调质钢发展状况及趋势汽车用微合金非调质钢是20世纪70年代伴随着第二次石油危机而开发的

3、新钢种。微合金非调质钢的强化机理是在中碳钢的基础上添加微量合金元素钒、钛、铌等，通过控制轧制或锻造过程的冷却速度，使其在基体组织中因弥散析出碳、氮的化合物而得到强化，使其在不需要后续热处理的情况下其性能指标达到调质钢的水平，从而节省了能源，减少了生产工序，降低了成本，经济效益显著。另外由于省略了调质工序，减少了零件在热处理工序产生的淬火裂纹和变形等一系列的质量问题，对产品质量的提升也有一定的好处。非调质钢首先美国得到应用，早在六十年代美国在SAE1140钢的基础上提高锰含量添加微合金元素锻造后不经过调质应用于轿车汽车发动机连杆的制造。七十年代初期，德国开发了49MnVS3，用于汽车曲轴等零件的

4、。日本各钢铁公司和汽车制造厂家对非调质钢进行了大量的研究工作并开发了一系列钢种，应用于汽车曲轴、半轴、轮毂轴、发动机连杆、转向节臂等零部件的制造。美国、法国、意大利、英国均分别研究开发了具有自己特色的微合金非调质钢系列。美国1994年公布了轧制状态应用的非调质钢标准（ASTMA920/A920M-93）和热轧后在锻造的非调质钢标准（ASTMA921/A921M-93），1992年国际标准化组织公布了非调质钢标准提案（ISO11692），其中也是分成轧制状态应用的非调质钢和热轧后再锻造的非调质钢两类计10个牌号。非调质钢按其强韧性可以分4类，如表1。表1非调质钢强韧性分类组织基本成分Rm/MPa

5、Akv适用部件基本型F+P中碳+V700-9000-50连杆、曲轴、轮毂轴、转向节臂等高韧性型F+P中碳+高Mn+V+Ti低碳+高Mn+V+S700-90050-100转向节臂、轮毂轴、高强度型F+B中碳+高Mn+V+Ti高碳+Mn+V+S900-10500-50连杆、轮毂轴高强度高韧性M低碳+高Mn+Cr+B+Ti，Nb900-105080-110转向节、前轴目前列入标准的的微合金非调质钢大多是800MPa以下强度级的，其金相组织是铁素体+珠光体。这类非调质钢的的韧性低、屈强比低，因此不能满足汽车保安件的要求。因此近年来国外根据零部件不同的性能要求开发了高强度非调质钢、高韧性非调质钢和高强韧

6、性非调质钢。1.2 我国汽车用非调质钢发展状况及趋势我国在八十年代初，机械工业部和冶金工业部分别把非调质钢列入科技攻关项目，钢铁企业和汽车企业合作对微合金非调质钢进行了广泛的研究，并取得极大的成果，开发出一系列的新钢种，包括直接切削用微合金非调质钢、热锻用微合金非调质钢、冷镦螺栓用微合金非调质钢等，并在汽车工业得以应用。1995年我国公布了非调质钢的国家标准GB/T15712-1995，其中包括2类9个牌号。我国目前应用的非调质钢种类不多，用量也不大，从钢种上看还是以MnV系为主，强度一般在800Mpa以下。主要是应用在一些轴杆类零件上，在重要的保安件没有应用非调质钢。据测算现在国内每年应用的

7、非调质钢数量在3万吨左右。1.3 国家政策应该优先支持发展的汽车非调质钢材料领域1.3.1 高强度、高韧性及高强韧性非调质钢的开发非调质钢的总体发展趋势是开发高强度、高韧性和高强韧性非调质钢，目前高强度和高韧性非调质钢在技术上基本得到解决，高强韧非调质钢的开发也取得一定的进展，技术上还有开发的空间。另外非调质钢的发展和汽车产品的需求分不开的，一方面从节能环保方面的要求，非调质钢作为节能的产品有其强有力的竞争优势，另一方面从汽车产品的性能要求来看，非调质钢也有独到的优势。近年来汽车的载重量逐步向大吨位发展，零部件相应要加大，应用调质钢普遍存在淬透性不足的问题，由此一些原来应用碳钢或低合金钢的零件

8、，不得不采用合金钢和高合金钢制造，带来了成本的大幅度提升。而非调质钢由于是靠微合金的弥散强化，不存在淬透性问题，特别适用于大截面的轴杆类零件。国外非调质钢广泛应用在1000MPa强度级别的产品上，我国下一步加大开发这一强度级别的非调质钢是当务之急。1.3.2 高性能稳定性非调质钢的开发非调质钢由于省略了调质处理，零件的最终性能由锻造工艺和锻后的控冷来决定，因此对材料的要求是稳定性。国外对特殊要求的非调质钢为了保证材料的稳定，采用了不同的控制手段。如德国对非调质钢提出了淬透性要求，非调质钢不需要调质为什么还提淬透性要求，主要是根据淬透性控制和评价材料的控冷硬化性能和稳定性。而日本则对非调质钢提出

9、碳当量的要求。我国现行标准对非调质钢还没有这方面的要求，是需要解决的问题。2 渗碳钢2.1国外渗碳钢现状及发展趋势国际汽车制造技术的发展，带动着汽车用渗碳钢的进步与发展。在欧美、日本等汽车制造工业基础雄厚的国家，经过长期的技术发展和积累，从使用要求、资源条件、经济耐用的角度出发，形成了各自的渗碳钢材料体系，并制定了严格的质量检测标准，这些材料体系和检验标准都以国标或行业标准的形式被执行。在此基础上，规模较大的汽车企业还有自己一套更加严格、更贴近于自己企业实际生产情况的标准。相关资料表明，在美、日、德等汽车制造工业发达国家中，美国渗碳齿轮钢种约有30多个、日本16个、前苏联10个、德国传统的10

10、多个，各国已经形成自己的齿轮用钢系列，并对各渗碳钢种按淬透性能分成档次，每档次均有对应的钢种，即淬透性能档次齐全，重点(面大量广者)档次上还有多个钢种。目前，美国、德国、日本等发达国家，由于当代冶金技术的迅速发展，大部分都采取炉外精炼和真空脱气处理，使钢材氧含量普遍地低于20ppm，而且有的低于10ppm，从而显著地提高了齿轮的接触疲劳寿命。实现淬透性窄带控制可以减小齿轮热处理后的变形量，从而齿轮的修磨量小、啮合精度高。特定模数齿轮的疲劳寿命也与最佳淬透性值相关。淬透性确定后，淬透性芾宽的大小很大程度上影响渗碳淬火后齿轮的变形。淬透性和淬透性带宽的控制，主要决定于化学成分和化学成分的均匀性。因

11、此，近年来齿轮行业对冶金行业提出了窄淬透性带的要求。国外齿轮钢淬透性带宽度一般控制6HRC左右，特殊要求的控制在4HRC以内。钢的纯净度主要指钢中的氧含量，它反映了钢中的氧化夹杂物含量。氧化物夹杂对齿轮的疲劳性能特别是接触疲劳性能有明显的危害。在冶炼过程中应采取降低氧含量的工艺技术如真空处理等。炉外精炼的采用，使渗碳钢的纯净度更高，在成分控制上更加严格、精确。晶粒的粗细对齿轮钢的疲劳性能有较大的影响。粗晶粒使渗层碳浓度相对增高，导致脆性增加，使弯曲强度降低，齿面容易剥落。如果出现混晶，有可能使齿牙之间的热处理变形失去规则而无法配对。在生产和加工过程中应控制晶粒度，防止出现混晶，从而稳定齿轮性能

12、。虽然在齿轮钢方面美、欧、日汽车厂家早已形成自己的系列，但为了传动系统的紧凑和小型轻量化，还在开发强度更高的钢种和更有效的强化工艺。如开发高纯净度齿轮钢，其氧含量降低到9ppm以下，P浓度在90ppm以下，得到弯曲疲劳寿命提高17%、接触疲劳寿命提高25%的效果。采用不发生相变的氮化或软氮化技术处理后的齿轮具有变形小的优点，因而很早就在齿轮中得到应用。日本在开发适用于氮化齿轮的钢种（齿轮的强度特性超过通常的渗碳淬火齿轮），以减小齿轮的热处理变形，从而降低噪音。但是这种技术处理后的齿轮存在淬硬层深度较浅、疲劳强度较低的缺点，因而用作变速箱齿轮时受到一定的限制。对此，研究了V、Cr、A1等合金元素

13、对氮化层硬度和深度的影响，结合氮化处理前组织的最佳化而丌发出各种软氮化钢，并得到了实际应用。软氮化钢的热处理变形和齿形误差均在渗碳淬火钢的13以下，而其疲劳强度与渗碳淬火钢相同。在强化工艺方面，双级喷丸和极细微粒冲击强化都在逐步实用化。为进一步提高渗碳件产品表面质量，真空渗碳技术在国外得到了快速发展。为进一步提高渗碳生产效率，高温渗碳技术也在国外得到了大量应用，这两种技术发展，促进了高温下晶粒也不会异常长大的高温渗碳钢种的研发。降低渗碳层表面氧化倾向大的合金元素含量，添加氧化倾向小的合金元素；控制齿轮钢中的残余奥氏体量；减少晶界偏析元素的含量；开发和应用喷丸表面强化技术，增加表面的残余应力；研

14、究和开发的新型齿轮钢必须满足高强度、经济性、生产性等多种因素；随着机械加工线的自动化，为了不断提高劳动生产率，适应高速程控机床的需要，要求钢材具有易切削性能，为此不少国家已在开展易切削齿轮钢(加Pb、加S)的开发和应用。由于制造齿轮时需进行大量的切削加工，需要开发易切削齿轮钢。对于接触疲劳要求不太高的齿轮和环套类零件，含硫易切钢的应用和发展已经开展了工作。真空渗碳气淬齿轮钢适用于轿车用的中小齿轮，这是一种高温、高淬透性的新型材料和工艺，在欧洲的汽车厂已有应用，效果是节约能源、有利环境保护，减小变形，提高产品质量。欧洲的瑞典某钢厂正在试图开发中高碳的非渗碳齿轮钢，这将是带有技术革命性的方向。2.

15、2我国渗碳钢现状及发展趋势在国内，随着国民经济的发展，汽车产量的日益增多，对渗碳齿轮钢的品种、规格、数量和质量都提出了更高的要求。我国用作渗碳齿轮钢的钢号在合金钢手册中有30多个，但在实际生产中使用得好的却不多。总的看来，我国渗碳钢的基本状况是品种杂、使用单一、不成系列。20CrMnTi仍是我国齿轮钢的主体钢种，其原因主要有：建国初期钢铁标准主要套用前苏联的标准，该钢号是五十年代由前苏联推荐在汽车行业使用的，一直延续至今；受国情的限制，该钢用Ti细化晶粒，晶粒粗化温度高。机械加工行业用这种钢生产齿轮，渗碳之后可采用直接淬火工艺，节约能源，工序简单；锰是我国的富产元素，价格比较低廉，加之没有综合

16、经济技术指标与之相当的钢号取代，也是它常用不衰的重要原因。从二十世纪八十年代开始，随着国外先进车型和零部件总成的引进，多种渗碳钢种也随着引进进来，使我国渗碳钢种丰富起来，渗碳钢冶炼水平也上了一个新台阶。美国伊顿变速器进入中国，带来了SAE8600系列渗碳钢，满足中、小模数齿轮渗碳用钢。德国ZF变速器进入中国，带来了该厂特有的ZF系列渗碳钢。以上新的外来钢种，经过国内技术人员的努力工作，对锻造工艺、渗碳热处理工艺，热处理变形，齿轮渗碳层深度，心部硬度进行了系统研究。材料国产化工作基本完成。同时冶金工业技术改造，采用大量的先进设备和工艺，给汽车工业发展提供了有力支持。我国生产的渗碳钢实物质量与国际

17、水平比相差甚远，达到国际先进水平的不足总产量的10%，这在汽车用钢上充分体现出来。国内有实力的钢厂在渗碳钢生产上也采用了炉外精炼加真空脱气、连铸连轧等先进工艺，但在实际生产中，只有少数几家能过达到国外的标准要求，而且还存在较大的离散度。钢的纯净度不高，特别是B类夹杂和硅酸盐夹杂超标问题常有发生，严重影响加工质量和使用性能。在成分控制精度上与国外还有一定差距，使齿轮用渗碳钢淬透性不稳定，毛坯正火硬度不均匀，加工性能波动较大，热处理变形不稳定。因此，稳定实现窄带控制还需要深入研究。另外高钼钢的带状问题应从冶炼水平和制定标准两个方面来控制。汽车齿轮用钢主要是低碳合金钢。鉴于各国资源和生产工艺条件的差

18、异，每个国家和地区应用的齿轮钢合余系列不尽相同，例如：德国采用MnCr系列(16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、27MnCr5)：日本应用Cr系和CrMo系(SCM415H、SCM420H)：美国采用CrNiM。系(SAE8615、8620)：法国采用CrNi系(19CN5)和CrMo系(20CD4、27CD4、30CD4)钢。我国引进的汽车来自多个国家，所用齿轮钢种类较多，上述生产量较大的主要钢种已纳入新修订的国标中。就目前而言我国齿轮钢基本满足其使用要求和引进技术国产化要求，而需要解决的是在吸收和引进的基础上，开发了我国自主的渗碳钢体系。我们现在引进的渗碳钢材料技术几乎全部以供

19、货技术协议的方式在设计和生产中使用，不成体系、品种杂、数量少是必然的局面，因此带来了钢材产量形不成规模、使钢厂和齿轮加工行业都面临着成本的问题。在未来的几年内，冶金行业和汽车制造业的技术人员应该共同努力，从制造和需求两个角度出发，从国内的资源出发，发挥自己的技术优势，开发自己的渗碳钢材料，并逐渐完善自己的渗碳钢材料体系，应该是与国际材料技术接轨的标准体系，适应和推动汽车工业的发展。与国外相比，钢厂应具有材料处理工艺和疲劳性能的试验手段，提供材料的基础数据。2.3国家政策应该优先支持发展的汽车渗碳钢材料领域汽车齿轮用齿轮钢在保证具有足够淬透性的前提下，正向低成本方向发展，正处在由各国、各大企业的

20、经验型向科学化、国际化方向发展的过渡阶段，由各具特色的CrNi钢、CrNiMo钢、NiMo钢向低成本、通用的CrMo钢、CrMn钢过渡。今后汽车齿轮用钢将向充分利用废钢固有合金资源和共生矿多元铁合金的微合会化、以保证淬透性为主、不严格控制合金元素类型和含量的MnB钢和硼钢方向发展，针对目前的材料价格和降成本的要求，应考虑开发国内的少用和不用镍、钼的较高淬透性材料，以铬、锰为主体的齿轮钢。3铆螺3.1国外铆螺钢的应用状况及发展趋势紧固件是机械行业三大基础件之一，紧固件用的铆螺钢应具有良好的冷镦工艺性能、切削加工性和强度性能、疲劳性能以及高的抗延迟断裂性能。这些性能依赖于钢材良好的表面质量、高的尺

21、寸精度、窄范围的化学成分、以减少性能波动；低的偏析，细小均匀分布的非金属夹杂物，良好的球化组织以及热处理质量稳定性。同时由于应用量大而广，还要求钢材低成本和价格便宜。目前螺栓按其强度级别可分为4.812.9等若干个强度级别；6.8以下的级别的螺栓大都采用低碳钢线材制造，无需热处理；8.8级螺栓一般用ML35，亦可用低碳锰硼钢制造。近年来，亦用微合金非调质钢制造，可以省去冷拔前的球化处理。9.8、10.9、12.9等级别的高强度螺栓大都采用合结钢制造；经过调质处理。目前应用较多的高强度螺栓为10.9级，但高强度螺栓的用量正在逐步扩大。用低碳20MnVB系列可以代替40Cr作连杆螺栓，但前者的回火

22、温度较低，抗延迟断裂的能力低于调质中碳钢。随着汽车与发动的高性能化和材料许用应力的提高，零件尺寸减少，结构的轻量化，对螺栓提出了更高的设计应力和轻量化的要求，而最有效的措施是提高螺栓用钢的使用强度，因此世界各国相继研制、开发了高强韧性、高延迟断裂抗力的螺栓钢，如日本开发了抗拉强度为1372Mpa（14.9T级）高延迟断裂抗力用钢。日本神户制钢开发出主要用钛、铝改善抗延迟断裂性能的KNDS系列高强度螺栓钢，与常用的JISSCM440钢相比，其延迟断裂抗力有明显改善。KNDS2适用于1200Mpa级的凹头螺栓，已批量生产，KNDS3和KNDS4可用于13001500Mpa级的高强度汽车螺栓。3.2

23、我国铆螺钢的应用状况我国每年的铆螺钢总产量在200250万吨，多数为非汽车用。冷镦钢的年需求量约为100万吨，其中汽车工业需要约10万吨。但由于技术等原因，现在国产冷镦钢丝只有30万吨，每年要进口近70万吨。据有关部门统计，6.5以下需要15万吨，8需16万吨，9、14各需要8万吨，目前国内市场供不应求。目前汽车螺栓用钢基本上是国产材料，其中ML35占30%左右。铆螺钢在汽车上的应用数据见表18。表18 铆螺钢在汽车上的应用数据单车紧固件品种数单车上紧固件重量（kg）单车上紧固件总数紧固件成本比例（美国）紧固件成本比例（中国）高强度紧固件比例轿车5005040002.40%1.13%32%中重

24、型卡车5508871002.60%1.39%35%根据表18估算的汽车螺栓钢的需求量见表19。其中2004年的各种类型汽车产量是依据转向机行业的产量估算来得。其中轻微型车的螺栓用量依据轿车估算（略高于轿车）。表19汽车螺栓钢的需求量单车上紧固件重量（kg）车产量（万辆）用钢（万吨）备注轿车5025012.5000中重型卡车88504.4000轻微型车6523014.9500估合计31.85汽车用紧固件的制造工艺主要包括冷拔、冷镦、滚丝（搓丝）、热处理等，冷镦工艺的特点是效率高、精度好、材料利用率高等。铆螺钢作为结构钢的一个分支，区别于其他结构钢而单独作为一个类型存在，国内执行的标准为GB647

25、8冷镦钢技术条件。由于特定的成形工艺所在，对于材料也有特殊的要求，如表面的质量、冷顶锻、脱碳层、含硅量略低、各种碳偏析的控制等。关于表面质量，要求钢坯的表面进行较严格的修磨或剥皮。近几年因冷镦的性能和设备投资等原因，国内的汽车用高强度螺栓应用热镦成形工艺的越来越多（主要是江浙一带规模较小的螺栓企业），因其大量采用螺栓表面剥皮的工艺，故材料广泛地采用普通的合结钢。目前的铆螺钢主要问题有：心部增碳，标准问题，表面质量问题，直条和盘圆的供货比例，材料利用率、质量稳定性、表面脱碳。3.3国家政策应该优先支持发展的汽车铆螺钢材料领域l 非调质螺栓钢为节约能源，今后对降低成本的要求越来越迫切，因此价格低廉

26、、能够省略和简化制造过程的微合金非调质钢和硼钢的使用量将会显著增加。在日本，8T非调质钢螺栓已大批量应用于生产，技术特性为：含20锰铌，控轧空冷工艺、强度、两次拔制、冷拔量。特点是节能、精度高，其化学成分见表20。表20 新日铁非调质钢螺栓化学成分（wt%）元素CSiMnPSCrNbAlNi含量0.250.241.080.0170.0040.040.010.0240.01l 抗延迟断裂螺栓钢汽车的高性能化和轻量化对制造各类紧固件使用的材料提出更高设计应力和轻量化要求，强度的提高相应就会带来延迟断裂的危险性，一般在强度超过1200Mpa时，延迟断裂就变得十分突出。因此，抗延迟断裂高强度螺栓钢的研

27、究开发就成为国内外研究的热点。4气阀钢4.1国际气阀钢的现状气阀钢按使用要求来分的话，主要有进气门用钢和排气门用钢两种，其中进气门钢主要以马氏体耐热不锈钢为主，含一部分合金结构钢，排气门用钢主要以奥氏体耐热不锈钢为主，含一部分高温合金。先进工业国的气门生产模式是，气门生产厂家设计气门、生产气门、进行运行试验。国内的生产模式是，主机厂设计气门、气门厂生产气门、主机厂进行运行试验。国外的气门生产模式能够保证产品的质量，国内的生产模式在一定程度上影响气门产品的质量。高质量气阀钢和高质量气门产品是，保证高质量汽车发动机的重要条件。4.2国内气阀钢及气门生产现状气门是汽车发动机的重要零部件。气门工作在高

28、温、腐蚀、磨损的恶劣工作环境，经常出现气门断裂、早期磨损等事故。气门断裂容易造成发动机报废，气门早期磨损会带来缸压降低、燃烧不充分、排气污染升高的问题。防止气门的早期事故要严格设计、提高产品质量，高质量的气门产品要求高质量的气阀钢。重庆特殊钢厂曾经是国内主要气阀钢生产厂，年生产量在2000吨以上。长城特殊钢厂、大冶钢厂、大连钢厂、上钢五厂也生产气阀钢，年生产量在1000吨以下。国内气阀钢生产量每年都存在部分缺口，缺口部分是从意大利、日本等国进口的。国内气阀钢生产设备和生产技术相对落后，难以保证气阀钢质量，主要质量问题是表面质量差和圆度不足。表面质量差时，容易造成气门生产废品、气门运行中的失效事

29、故。圆度不足时，无法进行正常气门生产。因上述质量问题，国内原有气阀钢生产厂的生产量开始走下坡路，如重庆特殊钢厂的2003年和2004年度的年生产量仅在500吨左右上徘徊。相比之下近几年发展起来的江苏申源特钢公司和大连汇金泰钢厂（均属民营企业）却有长足进步，他们的年生产量已达到30005000吨。这可能和成本低于国营企业，所以具备价格优势，容易得到用户认可有关。汽车行业不断降低汽车价格，降价的负面影响不断转嫁给气门厂，气门厂只好也转嫁给钢厂。这是民营企业利用价格优势取胜于国营企业的一个原因，另一方面不否认民营企业的机制相对灵活有关。各气阀钢厂的2003年、2004年度的气阀钢生产量示在表22中。

30、表22各气阀钢厂的2003年、2004年度的气阀钢生产量（吨）企业名称钢种重庆特殊钢厂长城特殊钢厂大冶钢厂大连钢厂上钢五厂申源特钢公司汇金泰钢厂2003年马氏体500不详不详20002202000奥氏体300020002004年马氏体500不详不详20004202500奥氏体45003000值得我们注意的是，在气阀钢生产中奥氏体气阀钢的生产难度远大于马氏体气阀钢，且奥氏体气阀钢的缺口远大于马氏体气阀钢。另外表22中统计的气阀钢生产量是供给全国各种发动机生产用钢，其中约有2/3的量是供给汽车发动机行业的。近几年来各气阀钢生产厂（尤其是国营大型钢厂）进行了大量的技术改造，为大批量生产优质气阀钢创造

31、了必要条件。作为气门工作面的锥面在高温、磨损、腐蚀的环境下，会产生早期磨损。为了解决早期磨损经常采用锥面堆焊工艺，国内外经常采用的锥面堆焊合金粉主要有STELLITE6粉和STELLITEF粉。综观国内气阀钢生产前景是可喜的，有望满足气门生产的需求。但还需进行严格的技术管理，才能生产出高质量气阀钢。我们现在还缺乏了解国外气阀钢生产先进的技术管理经验，有必要了解国外经验，学习先进的管理经验。另外国内生产的气阀钢品种比较单一，还不能满足发动机生产技术。这就要求我们不断开发新品种，学习国外相关生产技术和工艺。九十年代以前国内的气门生产设备和技术是很落后的，不能满足汽车发动机生产技术。八十年代中后期开

32、始国内很多发动机生产企业引进了国外先进技术，新技术发动机对气门生产提出盘杆焊接、锥面堆焊、杆端面仿形淬火、新材料应用等新工艺和新技术。当时国内各气门生产厂都不能满足这种要求。我们在“八五”和“九五”期间组织国内主要气门生产厂家进行了攻关，得到了长足进步，基本满足了新技术发动机生产的要求。九十年代开始引进技术发动机越来越多，按现有的气门生产设备和技术是无法满足引进技术的要求。为此国内汽车发动机气门骨干企业，如济南汽车配件厂、湖北三环气门有限公司、广东怀集汽车配件厂等企业相继引进了先进气门生产设备和技术，并通过不断的消化和吸收新技术，从九十年代后期开始基本满足了引进发动机技术的需求。湖北三环气门有

33、限公司、济南汽车配件厂和广东怀集汽车配件厂都引进了关键设备和技术，并进行了大量技术改造。表24国内气门生产厂的2003年、2004年度的气门生产量（万支）及气阀钢使用量（吨）企业名称济南汽车配件厂湖北三环气门有限公司广东怀集汽车配件厂合计2003年14801300180045802004年1500143020004930气阀钢使用量2003年22201950270068702004年2250214530007395汽车发动机的气门使用量约为10万支/万辆，气门生产用气阀钢使用量约为0.15Kg/支。今年国内的汽车生产量已达到500万辆，汽车发动机主机的气门需求量约为5000万支，气阀钢的需求量

34、约为7500吨。通常发动机主机气门使用量和维修用气门使用量比例约为1：1，所以总的气门需求量约为1亿支，总的气阀钢的需求量约为15000吨。上述三家气门厂主要为各主机厂生产配套气门，生产少量维修气门。全国至少还有7080家气门生产厂，他们生产少量配套气门，生产大部分维修气门。我们到目前为止还没有统计和调查相关情况，需要认真调查和研究，如维修气门中存在的各种质量问题等。4.3气阀钢的发展趋势精确的化学成分是保证气阀钢内在质量的重要因素。国外气阀钢的化学成分比较精确，目前国内现有的炼钢水平也能基本保证精确的化学成分，但部分气阀钢还不能保证精确的化学成分，应加以提高。良好的表面质量和精确的圆度是保证

35、气门生产质量的重要因素。国外气阀钢的表面质量和圆度良好，但国内气阀钢的表面质量和圆度还存在较大的问题，影响气门生产质量，急需提高钢材生产水平。目前一汽已制定相应标准，进行气阀钢质量技术管理。发动机气门工作在不同腐蚀介质中，所以要求气阀钢具有一定的耐腐蚀性能。通常用耐氧化铅和耐硫化物腐蚀性能衡量气阀钢耐腐蚀性能。国外汽车生产先进国都建立相应标准把握气阀钢质量，目前一汽已制定相应标准，进行气阀钢质量技术管理。相应的标准是保证气阀钢质量和气门生产质量的关键因素，各主机生产厂应及时建立标准，把握发动机的生产质量。在气门生产中保证热处理质量是保证气门使用性能的主要因素之一。通常奥氏体气阀钢采用固溶和时效

36、的方法，提高高温强度和疲劳性能。马氏体气阀钢采用淬火和回火的方法，提高高温强度和疲劳性能。目前国内的气门生产厂都能采用这种技术，存在的问题是设备落后、工艺落后。国外先进汽车生产国通常采用电加热和气体保护工艺，国内大都采用盐浴炉进行气阀钢热处理。盐浴炉热处理存在的问题是，装炉量有限、只能油淬、造成污染等问题，需要尽快地得到解决。目前国内生产气门的类型基本能够满足汽车发动机主机厂的需求。国内现有的设备和技术难以生产中空钠冷式气门，这种气门国内还有一定的需求，如一汽大众的五气门发动机就要求采用这种气门。这种气门的需求量越来越多，需要认真对待。目前大部分靠引进维持生产，需要尽快完成国产化生产。综观国内

37、国内气门生产情况，无论在数量和质量、品种上都能基本满足国内各种汽车发动机生产的需求。但还需我们引起注意的是，气门和气门座的合理匹配的可靠性研究、气门的可靠性设计、气门失效原因分析和气门失效的预防等问题上应进行多方面深入的研究，才能保证产品的不断发展和质量。5 弹簧钢5.1国际汽车弹簧材料的现状与发展趋势汽车轻量化是世界汽车的总体发展趋势之一，减轻汽车弹簧质量的主要手段有：弹簧的高强化、改变弹簧的形状使应力分布均匀化、改变弹簧材料。以以悬挂螺旋弹簧为例，由于悬架弹簧的质量与设计应力的平方成反比，减轻弹簧质量最有效的方法是提高弹簧的设计应力。在弹簧性能不变的前提下，设计应力的提高，弹簧线径和有效圈

38、数减小，弹簧减轻质量可达4050%，见表25。表25弹簧设计应力与弹簧质量（以悬挂螺旋弹簧为例）钢种最大应力（MPa）材料直径(mm)有效圈数质量(kg)质量比(%)SUP690012.95.052.95100SUP7100012.54.452.5285.4SRS60110011.2.13.911.2.1572.9N120K120011.73.421.8362.0ND250S130011.43.081.6154.6目前，国外汽车弹簧钢的发展趋势是向经济性和高性能方向发展，具体有以下几个方面：l 超纯净弹簧钢：轿车用弹簧钢的使用硬度通常为430550HV。对于中低强度钢（400HV），一般随强度

39、或硬度的增加，光滑试样的疲劳强度线性增加。超过这一硬度值或在较高的强度水平下，表层下的夹杂物就往往成为疲劳源，这使得疲劳强度与HV或Rm之间不再呈线性关系，且分散度显著增加。基于高强度弹簧钢疲劳行为对夹杂物得敏感性的认识，日本在八十年代提出了超纯净弹簧钢概念，日本大同特殊钢公司关于纯净度对悬架弹簧SUP6、SUP7性能影响的研究证实，使用含氧量低于0.0015%的超低氧钢是实现悬架弹簧达到2000Mpa高应力的一种有效手段。l 耐腐蚀疲劳高强度弹簧钢：对在寒冷地区使用的悬架弹簧，日本十分重视弹簧的表面腐蚀问题，通常采用的主要预防方法是：抑制生成作为疲劳裂纹源的腐蚀坑，添架铜、镍、铬等元素和低碳

40、化，生成致密稳定的铁锈，抑制Cl-1的浸入，减小蚀坑的深度和使蚀坑光滑，降低蚀坑底部的应力集中；抑制腐蚀裂纹的扩展，添加钛、钒等元素细化晶粒并低碳化，提高基体的韧性，同时钛的微小析出物还可以捕获腐蚀时生成的促进裂纹扩展的氢。日本爱知制钢与中央发条公司共同研制出一种耐腐蚀疲劳性能十分优良的螺旋悬架弹簧用钢。该钢是以Si-Mn系弹簧钢为基础，通过添加Ni提高耐蚀性，降低含S量以减少作为腐蚀起点的MnS夹杂。此外，为了保证高硬度下的韧性要求，还降低了碳含量和添加V以细化晶粒。该钢的腐蚀疲劳强度较对比钢提高40%以上，作为设计应力1200N/mm2级的悬架弹簧已于1997年实用化。神户制钢的UHS20

41、00由于合金含量较高，成本较贵，仅局限用于高级轿车，UHS1900成本较低，1997年已批量生产，应用于多种车型上。大同特殊钢公司在已经实用化的ND250S的基础上，开发出1200N/mm2级弹簧钢ND120S。其成分特点是添加硼强化晶界、添加铌细化晶粒，以改善钢的延迟断裂抗力。实验室试样和实际弹簧的实验结果均表明，ND120S（53HRC）较SUP7（51HRC）具有良好的耐腐蚀疲劳性能和耐延迟断裂性能。l 高弹减抗力高强度弹簧钢：弹簧材料的弹减抗力是材料抵抗塑性变形或承载能力下降的能力。在弹簧设计中，决定许用应力的主要因素是弹减抗力，因此提高弹减抗力一直是高强度弹簧钢研究开发的重点。提高硬

42、度是提高弹减抗力最简便的办法，且在高应力下，硬度的影响更加明显，但须同时保证钢的韧性。众多研究者的研究结果表明，在化学成分因素中，硅是提高弹减抗力最有效的元素。因此早期弹减抗力优良的弹簧钢（设计应力10001100N/mm2级）一般硅含量均较高，如SUP7、SUP12。但是象SUP7、SAE9260这类钢的含硅量已达到最高值，要开发弹减抗力更好，综合性能优良的新材料，必须寻找新的途径。其中一个重要途径就是利用析出强化和晶粒细化强化技术，如加入微合金元素钒和铌。上世纪八十年代初，日本爱知制钢公司开发了以SUP7为基础，添加钒和铌析出强化的新钢种（SUP7-V-Nb）。这种钢除了弹减抗力优于SUP

43、7外，淬透性和疲劳性能与SUP7相当，设计应力提高了100N/mm2，可减轻悬架弹簧质量15%，从1982年起，陆续在一些新车型上使用。神户制钢采用Si-Cr-V系做为基础元素开发出弹减抗力优于SUP7的新型弹簧钢SRS60。该钢的设计应力可达1100N/mm2级，已于1983年开始批量生产。九十年代初，美国Rockwell公司开发出了微合金元素钒处理的改进型SAE9259和SAE9254弹簧钢。这两种钢具有良好的弹减抗力和疲劳性能，设计应力也达到1100N/mm2级，可使悬架弹簧减轻质量15%，已在美国普遍使用。同时美国Inland钢铁公司也开发出钒、镍处理的悬架弹簧钢92V45和92V54

44、。为了进一步使弹簧钢的弹减抗力能够满足1300N/mm2级设计应力的要求，20世纪九十年代初，日本大同特殊钢公司在常用的4343型超高强度钢基础上，开发出了一种新型弹簧钢RK360(ND250S)。该钢的弹减抗力、断裂韧度、疲劳和腐蚀疲劳寿命、耐腐蚀性及抗延迟断裂性能均优于常用弹簧钢SUP7，可制造设计应力为1300N/mm2级的悬架弹簧，并已在轿车上试用。九十年代中期，韩国浦项钢铁公司基于SAE9254，把硅含量提高到2.5%，添加0.2%的钒产生析出硬化，并添加2%的镍补偿因强度提高而造成的韧性损失，开发出一种具有良好弹减抗力和疲劳性能的Si-Cr-Ni-V系新钢种，其设计应力亦可达130

45、0N/mm2级。表27为几种弹减抗力高的典型高强度弹簧钢。表27高弹减抗力的高强度悬架弹簧钢生产厂家年份钢种典型化学成分（%）设计应力（抗拉强度）CSiMnCrNiMoV其他美国钢公司1977Si-Mn-Cr0.601.000.900.55-1000日本爱知1982SUP7-V-Nb0.561.900.800.10-0.200.15Nb1100日本神户1983SRS600.601.500.500.50-0.20-1100美国Rockwell1991SAE9259-V0.590.900.800.50-0.110.014N1100美国Inland199692V450.491.251.250.50-

46、0.150.02Nb，0.01N(1950)92V540.541.450.550.60-0.150.002N-日本大同1991RK360/DN250S0.402.500.800.852.000.400.20-1300韩国浦项1996Si-Cr-Ni-V0.572.500.500.502.00-0.20-130055Si2CrV0.551.500.700.70-0.15-1000中国五钢1998SUP70.602.000.85-10005.2我国汽车弹簧材料的现状与发展趋势5.2.1主要汽车弹簧材料汽车用的重要弹簧有气门弹簧，钢板弹簧、悬架螺旋弹簧和扭杆弹簧。弹簧用钢材分为热轧弹簧钢和冷拔弹簧钢，前者主要用于生产钢板弹簧和扭杆弹簧，后者主要用于生产悬架螺旋弹簧和气门弹簧。热轧钢板弹簧的碳含量通常在0.55-0.65%之间，钢种有SiMn、CrMnCrMnB、SiMnB、SiMnVB、MnCrMo等，冷拔弹簧钢主要有油淬火的优质碳素弹簧钢丝和CrV、CrSi、SiMn合金弹簧钢丝。按结构、负荷、工艺条件，弹簧材料可分为六大类：螺旋弹簧材料、钢板弹簧材料、变截面钢板弹簧材料、扭杆弹簧材料、气门弹簧材料和其它弹簧材料，主要用途、用量等详见表28。表28各类弹簧材料的主要用途和数量弹簧类型主