世界金属导报/2013年/10月/8日/第B08版
专题研究
全荣
特殊钢线材、棒钢由于具有强度高、价格低的优点，被广泛用于汽车、机械、电器及土木建筑等产业领域。进入21世纪，所有领域都对特殊钢提出了更高的要求。特别是随着对环境问题关注度的日益提高，希望钢铁厂开发出可以将零部件小型化和轻量化的高强度钢，旨在减少CO2排放。进而，还希望开发能够减轻环境负荷的钢材和可以省略加工工序的钢材。 随着汽车产量的增加，特殊钢线材、棒钢产品的50%以上用于该领域。在汽车产业界许多技术课题中，改善燃油经济性来减排CO2和减轻环境负荷等研究课题非常重要。同时，还要求确保步行者的碰撞安全性和提高乘员舒适性，同时以提高发动机输出功率为代表的高功能化和低成本化用材日益迫切。
为了改善燃油经济性，开发了部件轻量化的高强钢线材、棒钢。线材、棒钢是经过拉丝、锻造、切削和热处理等多道工序加工成零部件，所以，要求开发改善冷锻造性和切削性等加工性和可以省略热处理等加工工序的新钢材。
在削减CO2排放量的措施中，汽车动力源的变化也很大。虽然汽油汽车仍是主流，但混合动力车(HV)和电动汽车(EV)增加。HV和EV可以大幅度减少线材、棒钢的单耗。在这种严酷的环境变化中，日本的线材、棒钢产业将继续开发高强度、高功能和省略工序等的钢材，同时在包括质量的总成本上胜过海外生产的钢材是其追求的目标。
1线材、棒钢的新产品开发
1.1螺栓用钢
1)高强钢
作为特殊钢线材用途，对代表性部件采用的高强度化措施。螺栓是用冷镦线材制造的部件代表，要求高强度化。表1是每个强度级别螺栓的加工工序和使用钢材的案例。根据用途，抗拉强度从420N/mmm2(强度级别4.8)到1200N/mm2(强度级别12.9)范围强度的产品被标准化。但是，如果抗拉强度超过1200N/mm2，产生高强钢特有的断裂现象-延迟断裂，因此，螺栓的使用强度受到限制。螺栓的延迟断裂是因为存在于钢中的微量氢，对此进行了各种研究开发。
研究结果表明，作为将侵入到钢中的微量扩散性氢的无害化方法，在调质马氏体中使微细的碳氮化物析出，作为氢陷阱运用，确立了采用为提高螺栓本身韧性的高温回火等对应技术，开发了调质型1300
N/mm2级和珠光体型1600N/mm2级高强度螺栓用钢，并已量产。图1是提高耐延迟断裂特性机理的示意图，表2是高强度螺栓用钢的化学成分。
对螺栓延迟断裂特性的评价技术也进行了多年的研发。最近，从延迟断裂促进试验和氢脆化度、极限扩散性氢浓度的观点，集中精力进行了高强度螺栓特性评价技术的开发。
2)工序省略钢
胎盘提取液为了降低螺栓制造成本，开发了许多可以省略制造工序中调质处理的非调质螺栓用线材，并实用化(见表3)，这些钢种可以省略冷镦前的软化退火。因为省略了软化退火，冷镦时的变形抗力和变形能比软化退火钢劣化。因此，根据图2所示的非调质螺栓用线材(图中KNCH，表3中的B、C和D)的螺栓头部形状等限定适用范围。但是，可以用于螺栓以外的冷锻造部件领域。
非调质螺栓用线材冷镦前的线强度比软化退火钢高，在冷镦工序中，担心变形抗力高，会降低模具寿命。对于这个问题，通过适当控制拉丝加工度(断面收缩率)可以抑制变形抗力的增大。冷镦前的拉丝断面收缩率在30%左右，冷镦时的变形抗力取极小值。认为该变形抗力抑制效果是
一种鲍辛格效应导致的结果。
在冷镦加工时，部件的温度要加热到300℃，该温度区域产生的动态应变时效导致变形抗力上升。因
此，通过将导致动态应变时效的固溶C和固溶N作为碳化物和氮化物固定，抑制冷镦时的变形抗力上升，开发了实现省略软化退火的钢种。添加氮化物形成元素Nb时，析出硬化导致的变形抗力上升，而添加B时在200-300℃温度范围内发现变形抗力被抑制。
1.2弹簧用钢
1)悬架弹簧用钢
与螺栓一样，由环境脆化而出现问题的部件有悬架弹簧。因为悬架弹簧在腐蚀环境中承受反复荷载，耐氢脆化和提高腐蚀疲劳特性很重要。悬架弹簧虽施以涂层，但在汽车走行中飞石等破坏涂层后，由该部位腐蚀坑生成、生长，进一步发展为腐蚀导致的减薄。然后，在开裂前端钢中的氢蓄积，裂纹扩展，直至悬架弹簧损坏。为解决这一问题，开发了比原来使用的SAE9254提高了耐蚀性和耐氢脆化的设计应力1200N/mm2以上的高强度悬架弹簧用钢，并量产化。表4是开发的高强度悬架弹簧用钢的化学成分示例。
高强度悬架弹簧提高耐蚀性的开发理念是通过适量地添加合金元素，来自环境的C1不能侵入到基体界面。认为这是生成锈致密化的结果。作为耐氢脆化的措施，与高强度螺栓一样，运用微细析出物，实现侵入的氢无害化。在冷卷悬架弹簧用钢丝的制造工序中，主要通过气体加热进行淬火+回火，但本开发案例是采用高频感应加热。高频感应加热的特点是淬火+回火时可以快速、短时间加热。这样， 可以达到晶粒的微细化，且具有良好的耐延迟断裂特性。
2)阀簧用钢
阀簧用钢丝基本是将高碳钢线材拉丝加工的琴钢丝和拉丝的钢丝进行淬火+回火处理的油回火钢丝。目前油回火钢丝是主流，与琴钢丝相比，耐永久残余应变性优越，疲劳强度高，随着阀簧的高强度化要求，油回火钢丝的生产比率随之增加。
用于汽车发动机阀簧的高强度化要求增强。汽车发动机承受长时间一分钟数千次的反复载荷，要求良好的耐疲劳特性和永久残余应变特性。一个阀簧的重量是20-50g，采用轻量化可降低气门系的摩擦损耗，大幅度改善燃油经济性。此外，发生碰撞时为了保护步行者，应保证发动机室内碰撞吸收空间的要求，通过阀簧的高强度化来实现小型化很重要。在阀簧的进一步高强度化中，不仅要优化钢材合金元素的添加量，而且，为了应对由于高强度化导致的缺陷敏感性增大，非金属夹杂物的无害化成为更重要的技术。图3是阀簧用钢丝的抗拉强度与疲劳强度的关系。抗拉强度超过1900N/mm2后，发生内部夹杂物为起点的疲劳断裂，疲劳强度降低。因此，像阀簧用钢的硅镇静钢，为了降低引起弹簧使用时折损的氧化物系夹杂物，应优化精炼条件，将氧化物低熔点化，并进行组成控制。
另一方面，除了非金属夹杂物以外，阀簧原材料表面的脱碳和表面缺陷也成为疲劳断裂的原因。为了去除这些缺陷，开发了可以完全去除线材表面缺陷的表面削皮技术，以适应目前严格的表面质量要求。
不仅开发了以夹杂物控制为代表的制造技术，还进行了材料的高强度化技术开发，开发钢的化学成分示于表5。通过适量添加合金元素、氮化处理和喷丸技术等表面改质处理，以及硬化技术等弹簧加工技术的进步，开发了与标准钢SAE9254相比，疲劳强度可以从10%提高到50%的新钢种。
smartthreads1.3汽车用棒钢
可控硅焊机1)齿轮用钢
纳豆菌种在特殊钢用途中，有为传递汽车动力的重要机械零部件——齿轮。齿轮的损伤形态根据其形状、用途和使用环境有很大差异。大致可分为齿根损伤和齿面损伤，齿根损伤又分为应力循环作用下的弯曲疲劳断裂和冲击性应力导致的低周期疲劳断裂。齿面损伤也分为点蚀、划伤、烧结和磨损等。
表6是高强度齿轮用钢的化学成分。齿轮高强度化的措施是从提高齿根的弯曲疲劳强度开始。经过各种研究，开发了为降低渗碳齿轮的渗碳异常层的高强钢，采用为增加齿面残余压缩应力的喷丸处理，齿根的弯曲疲劳强度得到极大改善(表6中A-E)。通过添加Mo降低了渗碳异常层，并在渗碳后施以喷丸处理，大幅度提高了齿根弯曲疲劳强度。
由于齿根弯曲疲劳强度的改善，齿轮的使用环境更加严酷，开始重视齿面的损伤。对提高齿面疲劳强度进行了各种研究，开发了高强钢(表6中的F-G)。图4是开发的实现提高点蚀寿命的高强钢案例。齿轮
的点蚀损伤是由于齿面间的接触产生的现象，损伤起点部位温度上升所致。经过研究发现，点蚀寿命与钢材300℃回火时的硬度有关，通过调整添加元素来提高钢材回火软化抗力，开发出耐点蚀性优越的高强度齿轮用钢。
2)非调质棒钢
机械结构用部件，特别是热锻造后进行淬火+回火处理的部件，可以省略调质处理的非调质钢达到实用化。为了获得适合用途的特性，开发了各种非调质钢。一般是铁素体+珠光体组织，通过添加V，利用V碳化物析出强化确保强度。在各种高强度化和发动机部件的连杆中，还开发了可以适应断裂分离新加工法的非调质钢新钢种，并实用化。开发的断裂分离连杆用钢的化学成分示于表7，C70S6是在欧洲广泛使用的DIN标准钢。
热转印墨水配方在汽车用棒钢高强度化中，必须特别注意的是确保切削性。从降低环境负荷的观点出发，在限制添加对提高切削性非常有效的Pb的环境下，兼顾高强度和切削性，优化钢材材质和切削条件的研究及提案日益重要。
1.4高碳钢线材
1)钢帘线用线材
由高碳钢线材制造的钢帘线是线材产品中强度最高的材料。钢帘线用相当于含碳量0.7%-0.9%的琴钢线的线材，经冷拉丝加工制造。一般用线径5.5mm的线材，反复进行拉丝加工和铅浴淬火处理，在最终的湿式拉丝前镀黄铜。通过这种强加工，线径约0.2mmm就可以获得抗拉强度3000MPa以上的高强度超细线。通过近年来的研究，有抗拉强度超过4000MPa的高强钢帘线已实用化，进而，在材料方面和技术方面正在进行实现超过4500MPa的钢帘线的开发(见图5)，高强度钢帘线用线材的代表性化学成分示于表8。
如我们所知，从上世纪80年代以后使用碳含量0.80%的高碳钢，到90年代以后开发了碳含量超过0.90%的过共析钢。在使用过共析钢的钢帘线高强度化中，用称为铅浴淬火的热处理形成微细的珠光体组织，然后进行冷拉丝工序的加工硬化，实现规定的抗拉强度。根据相关研究，拉丝加工过共析钢高强度化的方法分为三种(如图6)。
(1船浴淬火材的高强度化:△σ1
过共析化的渗碳体面积率V。的增大(层状间隔微细化)和铅浴淬火温度优化的珠光体层状间隔微细化。
(2)拉丝加工时的加工硬化率增大:△σ2
过共析化的层状间隔微细化和由于加工引入的位错密度增加。
(3)拉丝加工极限提高:△σ3
抑制初析渗碳体析出和抑制上贝氏体生成。
铅浴淬火处理是所有高碳钢线材采用的技术，但将线材加热到950℃，奥氏体化之后，在550-600℃的温度区域急冷，保持，使其恒温相变处理。通过这种处理获得均匀的微细的珠光体组织具有高强度和高拉丝加工性。为了降低高碳钢钢丝的制造成本，开发了轧制线材直接铅浴淬火技术，适用于各种高碳钢线材。
硅凝胶贴膜
2)桥梁用钢丝、PC用钢丝
作为由高碳钢钢丝制造的产品，有吊桥的主缆绳使用的桥梁用镀锌钢丝。随着吊桥的长大化，捆束镀锌钢丝的缆绳自重增加。以主跨1991m的日本明石海峡大桥为例，使用原来采用的抗拉强
度1600N/mmm2级的镀锌钢丝时，需要单侧2根，共计4根主缆绳。但是，开发了1800N/mmm2级的高强度镀锌钢丝，并实用化后，只需要用2根主缆绳。
桥梁用镀锌钢丝使用线径10-13mmm的线材。经铅浴淬火处理、酸洗和润滑涂层处理后，拉丝到线径5-7mm。然后，为了增加耐蚀性进行热浸镀锌。在镀锌时加热到约450℃，由于拉丝加工硬化的钢丝产生软化和脆化。为了抑制该现象，高强度镀锌钢丝一般使用添加Si的高碳钢钢丝(见表9)。
其他的高碳钢钢丝用途有混凝土结构物使用的PC钢丝，该产品也要求高强度。长期以来，PC钢丝的主体是JISG3536规定的1860N/mm2级钢丝。但随着高强度混凝土的实用化，开发了2060N/mm2级和2300N/mm2级的高强度PC钢丝。与桥梁用镀锌钢丝一样，采用了添加Si、Cr 的高强度化技术(见表10)。
2今后的研发对策
目前，世界线材、棒钢的技术研究课题越来越高端化和多样化。未来将进一步向高强度化、减轻环境负荷、赋予材料新功能、工序省略化和高质量化方向发展。
2.1加强基础研究
考虑到技术课题高端化和多样化的发展趋势，为了获得满足目标特性的新材料，深入分析技术研究课题，需要大量基础性研究。科学地分析要改善的材料特性和功能，在基础性研究结果的基础上，出最佳的解决方法。
今后，应强化对钢材厂家的基础研究，对技术难度高，需要收集众多基础数据的案例，与大学等公共研究机构联合推进共同研究，提高研发效率。
2.2充实评价技术
如果钢材特性高端化，现有的标准性试验和指标就不能评价钢材优劣。为了正确评价所开发的高端钢材特性，必须确立新的钢材评价技术。
2.3利用技术的提出
最大限度地发挥新材料的特性，与新材料匹配的加工条件非常重要。充分运用为了预测拉丝性、冷锻性、切削性和热处理变形等特性的模拟技术，优化加工条件、工具形状等，为利用新材料的技术提案很重要。为了确立模拟技术，研究加工现象和数值模型化，努力积累分析所需的材料常数最为关键。
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