1 我國汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢

我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，正朝著高功率輸出、輕量化、高性能、長壽命、降低噪聲、運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠性、環(huán)保、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)低成本、易加工、多品種等方向發(fā)展（我國汽車生產(chǎn)量情況見圖1）。

2014-2017年，我國汽車產(chǎn)銷逐年增長；2018年我國汽車產(chǎn)銷開始出現(xiàn)下降的趨勢。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2019年我國汽車產(chǎn)業(yè)面臨的壓力進(jìn)一步加大，產(chǎn)銷量與行業(yè)主要經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)均呈現(xiàn)負(fù)增長。2019年，汽車產(chǎn)銷分別完成2572.1萬輛和2576.9萬輛，產(chǎn)銷量同比分別下降7.5%和8.2%，產(chǎn)銷量降幅比上年分別擴(kuò)大3.3和5.4個(gè)百分點(diǎn)。

圖1 2014-2019年我國汽車行業(yè)產(chǎn)量與銷量情況（單位：萬輛，%）

來源：中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)

2020年，截至6月最新數(shù)據(jù)顯示，我國汽車銷量已連續(xù)3個(gè)月同比增長，二季度消費(fèi)回暖趨勢明顯，其中，4月汽車銷量增幅為4.4%，5月增幅達(dá)14.5%，而6月增幅則為11.6%。上半年，汽車產(chǎn)銷分別完成1011.2萬輛和1025.7萬輛，彰顯出強(qiáng)勁的汽車消費(fèi)需求。

2 汽車零部件用鋼在汽車四大系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境

汽車零部件用鋼主要應(yīng)用在汽車四大系統(tǒng)：

◆發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)用鋼：發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力之源。其中典型零件有曲軸、連桿、凸輪等以非調(diào)質(zhì)鋼為主；燃油噴射系統(tǒng)以油泵油嘴用鋼為主；閥門用鋼以氣閥鋼為主。

◆變速及傳動(dòng)系統(tǒng)用鋼：包括齒輪圈、齒轂、齒輪、齒輪軸以齒輪鋼為主；傳動(dòng)系統(tǒng)更像是動(dòng)物的腰部和脊椎，包括傳動(dòng)軸，半軸、前軸等以傳動(dòng)軸用鋼為主。

◆懸掛及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用鋼：懸架系統(tǒng)就是汽車的腿，包括懸架簧、穩(wěn)定桿、扭力桿、減震器等，以彈簧鋼為主；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的行駛方向，包括萬向節(jié)、球頭、轉(zhuǎn)向機(jī)、輪轂、軸承等，其中輪轂、軸承以軸承鋼為主。萬向節(jié)、球頭、轉(zhuǎn)向機(jī)等以齒輪鋼為主。

◆標(biāo)準(zhǔn)件系統(tǒng)用鋼：以緊固件用冷鐓鋼為主。

3 汽車行業(yè)發(fā)展對零部件用鋼的要求

汽車零部件用鋼具有高強(qiáng)韌性、易切削化、高尺寸精度、低合金化、環(huán)境友好、省略熱處理等特征（見表1）。

   表1 汽車零部件用鋼材料共性技術(shù)發(fā)展趨勢

4 汽車零部件用六大類高品質(zhì)特殊鋼的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢

汽車零部件用高品質(zhì)特殊鋼的質(zhì)量發(fā)展方向是高強(qiáng)韌性、高純凈度、高均勻性、超細(xì)晶粒度、高表面質(zhì)量、長疲勞壽命。高品質(zhì)齒輪鋼、彈簧鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、緊固件用鋼、軸承鋼、氣閥鋼是汽車零部件用鋼中要求較高的關(guān)鍵材料之一。

4.1 高品質(zhì)齒輪鋼的發(fā)展趨勢

高品質(zhì)齒輪鋼在品種多樣化、易切削、環(huán)保、低合金化降低成本、低噪音、運(yùn)行平穩(wěn)、鋼材均勻性好、熱處理變形小等方面不斷發(fā)展。評價(jià)齒輪鋼的技術(shù)質(zhì)量特性值集中在淬透性、純凈度、晶粒度、帶狀組織等方面。

（1）淬透性

淬透性的高低以及淬透性值的穩(wěn)定性是評價(jià)齒輪鋼質(zhì)量的重要指標(biāo)。淬透性帶控制的追求目標(biāo)：≤3HRC；

（2）純凈度

齒輪鋼的潔凈度對齒輪疲勞壽命的影響越來越受到關(guān)注。鋼中存在的氧化物和硫化物夾雜、有害元素如N、H、O、P、S等，降低鋼材的力學(xué)性能，惡化鋼材的工藝性能，從而影響汽車滲碳齒輪的使用壽命。

①齒輪鋼氧含量控制的追求目標(biāo)：[O]≤10ppm；②高品質(zhì)齒輪鋼中禁止加Ti，Ca，且規(guī)定鋼中Ti≤0.01%、鋼中Ca≤0.0005%；③非金屬夾雜物控制的追求目標(biāo)：A≤2級、B≤2級、C≤1級、D≤1級；

（3）晶粒度

晶粒大小是齒輪鋼的一項(xiàng)重要指標(biāo)。齒輪鋼中細(xì)小均勻的奧氏體晶粒，淬火后得到細(xì)馬氏體組織，明顯改善齒輪的疲勞性能，同時(shí)減少齒輪熱處理后的變形量。細(xì)小均勻的奧氏體晶粒度對零件的強(qiáng)度、韌性均有特殊貢獻(xiàn)。特別是對提高齒輪的斷裂韌性，增強(qiáng)齒輪的脆斷抗力具有重要意義。齒輪鋼晶粒度要求≥6級。目前國際上為獲得高溫（＞960℃）滲碳齒輪鋼，冶煉時(shí)添加或復(fù)合添加微合金元素Nb、V、Zr等，在鋼中形成合金碳氮化物，鋼的晶粒度≥8級。

（4）帶狀組織

帶狀組織是鋼的組織缺陷。對齒輪鋼而言，嚴(yán)重的帶狀組織將影響滲碳的均勻性，增加淬火變形程度，使?jié)B碳齒輪尺寸精度差。因此，齒輪鋼的帶狀組織控制的追求目標(biāo)是不大于2級。

4.2 高品質(zhì)非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展趨勢

非調(diào)質(zhì)鋼是同時(shí)滿足高性能和低成本要求的環(huán)境友好型鋼材。汽車曲軸、連桿、前軸、半軸、工字梁、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、凸輪軸等用鋼材料的選擇向以非調(diào)質(zhì)鋼逐漸代替調(diào)質(zhì)鋼的方向發(fā)展。連桿從減少加工工序，提高生產(chǎn)率出發(fā)，對連桿用鋼材料的選擇向以漲斷材料逐漸代替非漲斷材料的方向發(fā)展。

非調(diào)質(zhì)鋼的優(yōu)勢：尺寸效應(yīng)小，改善切削加工性，減少變形開裂等。可節(jié)約生產(chǎn)周期15%，由于省略熱處理工序從而減少了環(huán)境污染，同時(shí)可節(jié)約貴重金屬（Cr、Ni、Mo），符合我國資源優(yōu)勢及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，同時(shí)提高材料利用率5-10%。

評價(jià)非調(diào)質(zhì)鋼技術(shù)質(zhì)量特性值包括碳當(dāng)量、碳偏析、氧含量、晶粒度、脫碳層、力學(xué)性能、鐵素體含量、夾雜物水平等。

（1）碳當(dāng)量范圍值控制的追求目標(biāo)：≤0.02%：

（2） 鋼材全截面的碳偏析控制的追求目標(biāo)：≤0.03%；

（3） 非金屬夾雜物見表2。

   表2 非調(diào)質(zhì)鋼中非金屬架雜物目標(biāo)

（4）奧氏體晶粒度控制的追求目標(biāo)：不粗于8級；

（5）顯微組織：組織應(yīng)為珠光體+鐵素體；

（6）脫碳層：鋼材每邊脫碳深度（鐵素體+過度層）控制的追求目標(biāo)：≤鋼材直徑的0.5%；

（7）氧含量控制的追求目標(biāo)：[O]≤15ppm；

（8）帶狀組織控制的追求目標(biāo)：≤1.5級。

4.3 高品質(zhì)彈簧鋼的發(fā)展趨勢

影響彈簧設(shè)計(jì)應(yīng)力的兩個(gè)最主要因素是抗疲勞性能和抗彈減性能，因而這兩個(gè)因素成為當(dāng)今彈簧鋼研究和發(fā)展的主題。目前彈簧鋼鋼種的發(fā)展趨勢是向經(jīng)濟(jì)性和高性能化方向發(fā)展，圖2展示汽車用高品質(zhì)彈簧鋼的應(yīng)用領(lǐng)域。新一代超高強(qiáng)度彈簧鋼具有以下特征：

◆超高強(qiáng)度- 韌塑性：抗拉強(qiáng)度≥2000MPa--斷面收縮率≥50%；

◆高的疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕疲勞性能：

◆優(yōu)良的耐彈減性能；

◆良好的經(jīng)濟(jì)性。

 圖2 高品質(zhì)彈簧鋼應(yīng)用領(lǐng)域

通過新型鋼種的研究開發(fā)。一方面通過優(yōu)化現(xiàn)有彈簧鋼的合金元素含量并添加微合金化元素；將碳含量降低并添加V和Nb等。通過新型熱加工和熱處理工藝的研究開發(fā)。在現(xiàn)有鋼種基本不變的情況下，通過形變熱處理、感應(yīng)熱處理及在線熱處理等工藝的研究開發(fā)，在充分保證經(jīng)濟(jì)性的前提下實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度化。目前國外形變熱處理和感應(yīng)熱處理工藝已廣泛用于實(shí)際生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)在線彈簧鋼絲經(jīng)過油淬-回火熱處理工藝。

高品質(zhì)懸架簧及氣門簧的彈簧鋼絲經(jīng)過的油淬-回火工藝是在瞬間（約20秒）完成的感應(yīng)調(diào)質(zhì)過程；而在彈簧卷簧成型過程是采用冷卷簧；因此對鋼材的內(nèi)在質(zhì)量特性提出極高的要求；如鋼中非金屬夾雜物的組成、分布、形狀、數(shù)量，殘余元素、五害元素、氣體含量，機(jī)械性能，脫碳層，顯微組織及其均勻性，晶粒度，表面質(zhì)量，尺寸精度、鋼材疲勞壽命等均有非常嚴(yán)格的要求產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)特性：

（1）強(qiáng)度-塑性控制的追求目標(biāo)：抗拉強(qiáng)度≥2200Mpa，斷面收縮率≥50%；

（2）非金屬夾雜物尺寸控制的追求目標(biāo)：夾雜物尺寸≤5um；

（3）氧含量控制的追求目標(biāo)：[T.O]≤8ppm；

（4）晶粒度控制的追求目標(biāo)：晶粒度細(xì)于10級；

（5）脫碳層控制的追求目標(biāo)：熱軋態(tài)脫碳層≤直徑0.4%mm。

4.4.高品質(zhì)冷鐓鋼的發(fā)展趨勢

隨著汽車對零部件用鋼愈加嚴(yán)格，對高純凈度、高性能、高質(zhì)量的冷鐓鋼需求也更為迫切。由于汽車需要更高強(qiáng)度和耐用的緊固件，在把緊固件轉(zhuǎn)變成多用途的高精密汽車零部件的過程中，技術(shù)進(jìn)步起到關(guān)鍵作用。

非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼通過采用微合金化、控軋控冷等強(qiáng)韌化方法，在加工緊固件過程中可省略冷拔前的球化退火和成形后的淬火回火處理，還可減少螺紋部分的脫碳傾向，提高成品率。冷鐓鋼發(fā)展方向?yàn)榉钦{(diào)質(zhì)鋼、硼鋼和超細(xì)晶粒鋼，而免熱處理的非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼備受關(guān)注。

   圖3 高品質(zhì)冷鐓鋼的發(fā)展趨勢

評價(jià)高品質(zhì)冷鐓鋼技術(shù)質(zhì)量特性值包括冷鐓性、脫碳層、表面質(zhì)量等。

（1）冷鐓性控制的追求目標(biāo)：1/5；

（2）脫碳層控制的追求目標(biāo)：熱軋態(tài)脫碳層≤直徑0.3%mm；

4.5 高品質(zhì)軸承鋼的發(fā)展趨勢

軸承鋼主要用于制造滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體和套圈。軸承應(yīng)具備長壽命、高精度、低發(fā)熱量、高速性、高剛性、低噪音、高耐磨性等特性，因此要求軸承鋼應(yīng)具備：高硬度、均勻硬度、高彈性極限、高接觸疲勞強(qiáng)度、必須的韌性、一定的淬透性、在大氣的潤滑劑中的耐腐蝕性能。為了達(dá)到上述性能要求，對軸承鋼的化學(xué)成分均勻性、非金屬夾雜物含量和類型、碳化物粒度和分布、脫碳等要求嚴(yán)格。軸承鋼總體上向高質(zhì)量、高性能和多品種方向發(fā)展。

評價(jià)軸承材料的質(zhì)量主要有兩個(gè)方面：材料的純凈度和均勻性。材料的純凈度是指材料中的夾雜物盡量少。材料的均勻性是指材料中的夾雜物和碳化物顆粒細(xì)小、彌散。

（1）向高潔凈度和性能多樣化兩個(gè)方向發(fā)展，因?yàn)樘岣咻S承鋼的潔凈度，特別是降低鋼中的氧含量，可以明顯延長軸承的壽命。

（2）采用LF爐外精煉--RH爐真空脫氣技術(shù)生產(chǎn)軸承鋼的冶金質(zhì)量，特別是降低鋼中氧含量和提高鋼的純凈度起到了決定性作用。

（3）軸承鋼連鑄技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用可以進(jìn)一步降低鋼中氧含量，提高接觸疲勞壽命；可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。為改善低倍質(zhì)量，國外軸承鋼連鑄坯的斷面尺寸普遍較大，如：連鑄坯的斷面尺寸380×490mm。

（4）軸承鋼的軋制向高速、連續(xù)、全自動(dòng)化、控軋、控冷方向發(fā)展。

（5）采用高頻超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)鋼中的大型宏觀夾雜物。

（6）真空精煉工藝部分替代電渣重熔工藝。

（7）軸承鋼氧含量控制的追求目標(biāo)：[O]≤5ppm。

（8）鋼中氧化物夾雜控制的追求目標(biāo)：夾雜物尺寸≤10μm。

（9）軸承鋼鈦含量控制的追求目標(biāo)：[Ti]≤5ppm。

（10）軸承鋼氮含量控制的追求目標(biāo)：[N]≤30ppm。

5 結(jié)論

（1） 汽車零部件用鋼以高品質(zhì)齒輪鋼、彈簧鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、軸承鋼、氣閥鋼、冷鐓鋼、油泵油嘴用鋼、傳動(dòng)軸用鋼等為代表的特殊鋼系列，其產(chǎn)品技術(shù)質(zhì)量發(fā)展方向是鋼材高的強(qiáng)韌性、高純凈度、高均勻性、超細(xì)晶粒度、高表面質(zhì)量、長疲勞壽命。

（2） 高品質(zhì)齒輪鋼的技術(shù)發(fā)展方向：淬透性帶≤3HRC；氧含量[O]≤10ppm；[Ti]≤0.0030%；[Ca]≤0.0005%;夾雜物A≤2級、B≤2級、C≤1級、D≤1級；晶粒度細(xì)于8級；帶狀組織≤2級。

（3）高品質(zhì)非調(diào)質(zhì)鋼的技術(shù)發(fā)展方向：碳當(dāng)量范圍值≤0.02%；鋼材全截面的碳偏析≤0.03%；非金屬夾雜物：B≤1、C≤0.5、D≤1；奧氏體晶粒度不粗于8級；脫碳層≤鋼材直徑的0.5%；帶狀組織控制的追求目標(biāo)：≤1.5級。

（4）高品質(zhì)彈簧鋼的技術(shù)發(fā)展方向：抗拉強(qiáng)度≥2200Mpa--斷面收縮率≥50%；非金屬夾雜物尺寸≤5um；氧含量[T.O]≤8ppm；晶粒度細(xì)于10級；熱軋態(tài)脫碳層≤直徑0.4%mm。

（5）高品質(zhì)冷鐓鋼的技術(shù)發(fā)展方向：冷鐓性：1/5；熱軋態(tài)脫碳層≤直徑0.3%mm；

（6）高品質(zhì)軸承鋼的技術(shù)發(fā)展方向：氧含量[O]≤5ppm；夾雜物尺寸≤10μm；鈦含量[Ti]≤5ppm；氮含量[N]≤30ppm。