揭陽45號鋼管計算公式

1北京汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢

北京汽車行業(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、運行平穩(wěn)、安全可靠性、環(huán)保、節(jié)能性、經濟低成本、易加工、多品種等方向發(fā)展（北京汽車生產量情況見圖1）。預計2013年北京汽車市場需求2080萬輛左右，增長率7%，2015年汽車總量將達到2350萬輛，2020年汽車總量達到2500萬輛。

 

圖1  2007-2012年北京汽車產量及增長率

240cr圓鋼在汽車四大系統(tǒng)的應用環(huán)境

40cr圓鋼主要應用在汽車四大系統(tǒng)：

◆發(fā)動機系統(tǒng)用鋼：發(fā)動機是汽車的動力之源。其中典型零件有曲軸、連桿、凸輪等以非調質鋼為主；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；傳動系統(tǒng)更像是動物的腰部和脊椎,包括傳動軸，半軸、前軸等以傳動軸用鋼為主。

◆懸掛及轉向系統(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；轉向系統(tǒng)是汽車的行駛方向，包括萬向節(jié)、球頭、轉向機、輪轂、軸承等，其中輪轂、軸承以軸承鋼為主。萬向節(jié)、球頭、轉向機等以齒輪鋼為主。

◆標準件系統(tǒng)用鋼：以緊固件用冷鐓鋼為主。

3汽車行業(yè)發(fā)展對40cr圓鋼的要求

40cr圓鋼具有高強韌性、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  40cr圓鋼材料共性技術發(fā)展趨勢

共性技術發(fā)展趨勢

措施途徑

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研究高強韌化的手段

a）添加合金實現(xiàn)高強韌化；b）改變熱處理條件實現(xiàn)高強韌化；

c）加工熱處理實現(xiàn)高強韌化；d）表面硬化處理實現(xiàn)高強韌化；

研究阻礙高強韌化的主要因素

a) 非金屬夾雜物的影響；b) 脫碳的影響；

c) 腐蝕的影響；d）晶粒度的影響。

省略及優(yōu)化熱處理的材料與工藝研究

a) 省略調質熱處理的材料與工藝研究；b) 省略退火熱處理的材料與工藝研究；c) 省略回火熱處理的材料與工藝研究；d）高溫滲碳熱處理的材料與工藝研究。

研究評價疲勞壽命的影響因素

a）為定量評價疲勞極限,提出模型方案，area-2參數(shù)模型；

b）成為疲勞斷裂源點的非金屬夾雜物，夾雜物與缺陷的等價性；

c）夾雜物形狀的影響，由夾雜物預測疲勞強度的離散；

d）應用于鑄造缺陷及其他材料缺陷；缺陷形狀對疲勞壽命的影響；

f）通過夾雜物、缺陷尺寸的極值統(tǒng)計法評價材料；

g）晶粒直徑問題；h）載荷形式對疲勞限的影響；

i）氫對疲勞壽命的影響；k）超長疲勞壽命設計法。

 

4汽車零部件用六大類高品質特殊鋼的技術特點及發(fā)展趨勢

汽車零部件用高品質特殊鋼的質量發(fā)展方向是高強韌性、高純凈度、高均勻性、超細晶粒度、高表面質量、長疲勞壽命。高品質齒輪鋼、彈簧鋼、非調質鋼、緊固件用鋼、軸承鋼、氣閥鋼是40cr圓鋼中要求較高的關鍵材料之一。

4.1高品質齒輪鋼的發(fā)展趨勢

     高品質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。評價齒輪鋼的技術質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)定性是評價齒輪鋼質量的重要指標。淬透性帶控制的追求目標：≤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：[O]≤10ppm；②高品質齒輪鋼中禁止加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：A≤2級、B≤2級、C≤1級、D≤1級；

（3）晶粒度

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晶粒大小是齒輪鋼的一項重要指標。齒輪鋼中細小均勻的奧氏體晶粒，淬火后得到細馬氏體組織，明顯改善齒輪的疲勞性能，同時減少齒輪熱處理后的變形量。細小均勻的奧氏體晶粒度對零件的強度、韌性均有特殊貢獻。特別是對提高齒輪的斷裂韌性，增強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，冶煉時添加或復合添加微合金元素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是不大于2級。

4.2高品質非調質鋼的發(fā)展趨勢

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非調質鋼是同時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、轉向節(jié)、轉向節(jié)臂、凸輪軸等用鋼材料的選擇向以非調質鋼逐漸代替調質鋼的方向發(fā)展。連桿從減少加工工序，提高生產率出發(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。

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

    評價非調質鋼技術質量特性值包括碳當量、碳偏析、氧含量、晶粒度、脫碳層、力學性能、鐵素體含量、夾雜物水平等。

（1）碳當量范圍值控制的追求目標：≤0.02%：

（2） 鋼材全截面的碳偏析控制的追求目標：≤0.03%；

（3） 非金屬夾雜物見表2。

（4）奧氏體晶粒度控制的追求目標：不粗于8級；

（5）顯微組織：組織應為珠光體+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：≤鋼材直徑的0.5%；

（7）氧含量控制的追求目標：[O]≤15ppm；

（8）帶狀組織控制的追求目標：≤1.5級。

4.3高品質彈簧鋼的發(fā)展趨勢

影響彈簧設計應力的兩個最主要因素是抗疲勞性能和抗彈減性能，因而這兩個因素成為當今彈簧鋼研究和發(fā)展的主題。目前彈簧鋼鋼種的發(fā)展趨勢是向經濟性和高性能化方向發(fā)展，圖2展示汽車用高品質彈簧鋼的應用領域。新一代超高強度彈簧鋼具有以下特征：

◆超高強度- 韌塑性：抗拉強度≥2000MPa--斷面收縮率≥50%；

◆高的疲勞強度和耐腐蝕疲勞性能：

◆優(yōu)良的耐彈減性能；

◆良好的經濟性。

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、感應熱處理及在線熱處理等工藝的研究開發(fā)，在充分保證經濟性的前提下實現(xiàn)超高強度化。目前國外形變熱處理和感應熱處理工藝已廣泛用于實際生產，實現(xiàn)在線彈簧鋼絲經過油淬-回火熱處理工藝。

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高品質懸架簧及氣門簧的彈簧鋼絲經過的油淬-回火工藝是在瞬間（約20秒）完成的感應調質過程；而在彈簧卷簧成型過程是采用冷卷簧；因此對鋼材的內在質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，機械性能，脫碳層，顯微組織及其均勻性，晶粒度，表面質量，尺寸精度、鋼材疲勞壽命等均有非常嚴格的要求產品關鍵技術特性：

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

（2）非金屬夾雜物尺寸控制的追求目標：夾雜物尺寸≤5um；

（3）氧含量控制的追求目標：[T.O]≤8ppm；

（4）晶粒度控制的追求目標：晶粒度細于10級；

（5）脫碳層控制的追求目標：熱軋態(tài)脫碳層≤直徑0.4%mm。

4.4高品質冷鐓鋼的發(fā)展趨勢

隨著汽車對40cr圓鋼愈加嚴格，對高純凈度、高性能、高質量的冷鐓鋼需求也更為迫切。由于汽車需要更高強度和耐用的緊固件，在把緊固件轉變成多用途的高精密汽車零部件的過程中，技術進步起到關鍵作用。

非調質冷鐓鋼通過采用微合金化、控軋控冷等強韌化方法，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)展方向為非調質鋼、硼鋼和超細晶粒鋼，而免熱處理的非調質冷鐓鋼備受關注。

 

圖4 高品質冷鐓鋼的發(fā)展趨勢

   評價高品質冷鐓鋼技術質量特性值包括冷鐓性、脫碳層、表面質量等。

（1）冷鐓性控制的追求目標：1/5；

（2）脫碳層控制的追求目標：熱軋態(tài)脫碳層≤直徑0.3%mm；

4.5高品質軸承鋼的發(fā)展趨勢

     軸承鋼主要用于制造滾動軸承的滾動體和套圈。軸承應具備長壽命、高精度、低發(fā)熱量、高速性、高剛性、低噪音、高耐磨性等特性，因此要求軸承鋼應具備：高硬度、均勻硬度、高彈性極限、高接觸疲勞強度、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。為了達到上述性能要求，對軸承鋼的化學成分均勻性、非金屬夾雜物含量和類型、碳化物粒度和分布、脫碳等要求嚴格。軸承鋼總體上向高質量、高性能和多品種方向發(fā)展。

評價軸承材料的質量主要有兩個方面：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小、彌散。

（1）向高潔凈度和性能多樣化兩個方向發(fā)展，因為提高軸承鋼的潔凈度，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爐真空脫氣技術生產軸承鋼的冶金質量，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。

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（3）軸承鋼連鑄技術的開發(fā)和應用可以進一步降低鋼中氧含量，提高接觸疲勞壽命；可以提高勞動生產率和降低生產成本。為改善低倍質量，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：[O]≤5ppm。

（8）鋼中氧化物夾雜控制的追求目標：夾雜物尺寸≤10μm。

（9）軸承鋼鈦含量控制的追求目標：[Ti]≤5ppm。

（10）軸承鋼氮含量控制的追求目標：[N]≤30ppm。

5結論

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（1） 40cr圓鋼以高品質齒輪鋼、彈簧鋼、非調質鋼、軸承鋼、氣閥鋼、冷鐓鋼、油泵油嘴用鋼、傳動軸用鋼等為代表的特殊鋼系列，其產品技術質量發(fā)展方向是鋼材高的強韌性、高純凈度、高均勻性、超細晶粒度、高表面質量、長疲勞壽命。

（2） 高品質齒輪鋼的技術發(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；晶粒度細于8級；帶狀組織≤2級。

（4）高品質非調質鋼的技術發(fā)展方向：碳當量范圍值≤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：≤1.5級。

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

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

（7）高品質軸承鋼的技術發(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。

 

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