西宁特钢大马力汽车发动机非调质曲轴用C N钢产品开发市场开拓奖基本情况
一、基本情况
1、牌号及型号
围绕MC技术发动机的特点，本项目开发的发动机MC曲轴型号和棒材规格如表1所示。
表1 开发的MAN技术发动机曲轴的型号与棒材规格
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牌号 |
规格 |
型号 |
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C38+N |
φ160mm |
MC11/MC13发动机曲轴 |
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C38+N |
φ140mm |
MC05/MC07发动机曲轴 |
2、生产流程
钢材生产工艺流程：Consteel电炉冶炼→精炼(LF)+真空脱气(VD)→连铸410×530mm坯→步进炉加热→高压水除磷→1250轧机+8架HCS轧制(控轧控冷)→缓冷→精整、探伤→检验检查→包装上交。
曲轴毛坯生产流程：下料→感应加热→辊锻→预模锻→终模锻→热切边→热校正→控制冷却(专用悬挂线)→清理→检验。
曲轴成品生产流程：曲轴毛坯→粗加工→表面感应淬火加自回火→粗精磨主轴颈及连杆轴颈→抛光→磁粉探伤。
二、关键技术
通过产学研团队的组建，在项目实施过程中，形成一系列创新性关键技术。项目研究团队还实现了“钢铁企业不仅是向下游机械制造行业提供钢材，而是技术服务延伸”的合作目标。
1、非调质钢C38+N钢的低成本化学成分设计
2、高纯净化冶炼技术和和低氧含量控制技术
3、加硫的特殊冶炼技术及硫化物夹杂形态、尺寸与分布的控制技术
4、低成本的加氮方法及控氮技术
5、钢坯的凝固组织及偏析控制的优化技术
6、大规格轧材心部的高致密度、组织与性能均匀性的控制技术
7、曲轴二次成形与表面热处理缺陷及曲轴组织性能精确控制技术
三、棒材实物质量及与国外曲轴对比
1、低成本化学成分精确控制
图1 C38+N钢的化学成分工序能力情况
C38+N钢的主要成分设计为C、Si、Mn、S和N。如图1所示为2020年上半年生产216炉统计数据，化学成分一次合格率100%，工序能力指数Cpk均大于1.33。
2、纯净度控制
钢中氧含量控制在7-8ppm，氧化物B+C+D评级的平均之和≤2.0级(GB/T10561)(如图2)。
图2 C38+N钢的夹杂物工序能力情况
3、硫化物控制
采用企业特有渣系的专利技术控制钢中S含量，使硫化物分布均匀，如图3所示为工艺优化前后硫化物的分布情况，硫化物的改善大大提高了棒材的横向断面收缩率和切削性能；此外，结合如图4所示的曲轴毛坯磁痕缺陷分析，明确了产生磁痕的原因，并通过硫化物的改善，避免了磁痕的出现。
图3 C38+N钢中硫化物改善前后形貌
图4 磁痕缺陷以及附近组织和夹杂物形貌
工艺优化前，棒材横向断面收缩率7.3% 工艺优化后，棒材横向断面收缩率32%。
4、均匀性控制
通过钢材基本特性规律和控轧控冷工艺的研究，使钢材具有心部高致密度和组织性能均匀。如图5和6所示，直径160mm棒材心部疏松为0.5级，边部与心部晶粒度级别差由2.5级降低到1级以下。
图5 C38+N保温轧材横截面低倍形貌
图6 C38+N保温轧材横截面典型显微组织：(a)边部，(b)1/2半径，(c)心部
5、轧材纵向力学性能控制
如图7所示为2020年上半年生产轧材的432支样本数，力学性能一次合格率100%，工序能力指数Cpk均大于1.33。
图7 C38+N保温轧材力学性能控制
6、末端淬透性控制
如图8所示为2020年上半年生产轧材通过化学成分窄控、减轻钢材偏析等技术，使C38+N轧材淬透带稳定在4～5HRC以内。
图8 C38+N轧材末端淬透性控制
7、棒材横向力学性能对比
本项目开发的C38+N棒材的横向屈服强度、伸长率、断面收缩率指标，如表2所示，指标平均水平超过进口的印度巴拉特钢材。
表2 C38+N棒材横向力学性能对比
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厂家 |
规格 |
Rel，MPa |
均值 |
A，% |
均值 |
Z，% |
均值 |
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≥430 |
≥6 |
≥12 |
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印度巴拉特 |
φ160mm |
448、448、482、446、462、457 |
457 |
7.0、7.8、9.5、10.6、9.5、9.8 |
9.0 |
26.9、30.6、22.4、30.1、22.5、28.7 |
26.9 |
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西宁特钢 |
φ160mm |
477、489、454、470、462、458 |
468 |
11.9、10.6、9.0、11.7、11.0、9.1 |
10.5 |
30.6、25.7、27.8、30.1、24.9、25.2 |
27.4 |
8、曲轴性能对比
表3 C38+N非调质钢曲轴性能对比情况
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厂家 |
扭转疲劳试验≥1 |
均值 |
弯曲疲劳试验≥1 |
均值 |
台架试验 |
道路试验 |
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印度巴拉特 |
1.635 |
1.59 |
1.29 |
1.28 |
- |
- |
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1.65 |
1.43 |
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1.49 |
1.13 |
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西宁特钢 |
1.539 |
1.52 |
1.329 |
1.25 |
1500h热冲击试验 2000h全速全负荷试验 3000h变工况试验 |
路试40万多公里 |
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1.62 |
1.115 |
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1.396 |
1.309 |
如表3所示为研制的C38+N非调质钢曲轴疲劳强度试验、发动机台架试验和道路试验情况，各项指标均与进口的印度巴拉特钢材水平相当，已批量装机应用45万多只曲轴。
四、经济效益和社会效益
本项目成功开发的大马力汽车发动机曲轴用钢，是国际与国内大力推行的非调质钢，他具有节能钢、绿色钢铁之称；其主要的特点是在曲轴工件热加工变形后通过控冷技术得到产品适合的力学性能，免去了传统的淬火回火热处理调质工艺，所以该项目环保贡献突出、节能潜力巨大。从国家钢铁产业发展政策看具有较大的发展空间，有良好的经济、社会、环境效益。另外，非调质C38+N曲轴钢具有显在与潜在的巨大市场，并对提升我国大马力柴油发动机的技术水平具有重大意义。项目实施后，截止2020年9月，累计完成大马力汽车发动机用非调质曲轴钢C38+N钢生产销售103771吨，实现稳定批量供货，产值达59850.67万元，实现利润15602.65万元，上缴税金8977.6万元。
五、产品开发和市场拓展
1、产品开发和市场拓展理念
借鉴“产学研用”的开发理念，由西宁特钢牵头，北京科技大学参与，中国重汽应用，在C38+N钢开发过程中，能够发挥各单位优势，在成分设计、冶炼工艺、材料基础特性、曲轴零件加工应用等各方面开展研究并得到验证，使得新产品开发顺利进行，并提供了保障
西宁特钢：主要承担项目的总体策划、组织和推进工作，技术上主要承担成分设计、冶炼技术及轧制技术的研究、开发和稳定生产。
北京科技大学：主要进行新材料的基础特性、棒材均质化及其强韧化机理、曲轴模锻二次成形组织均匀性、消除磁痕和机加工缺陷和曲轴表面热处理工艺优化等方面的研究工作。
中国重汽：主要进行新材料在发动机曲轴制造中的应用评估和锻造试制生产验证，以及后续的装机试验。
2、产品开发及市场开拓保障措施
生产经验：西宁特钢特殊钢生产历史达到50多年，汽车用钢年产量达40万吨，冶炼、纯净度控制具有成熟的生产经验；合作伙伴中国重汽具备完善的汽车整车生产体系，是我国最大的重型汽车生产基地。
工装设备：拥有先进的Consteel电炉、LF+VD炉外精炼设备、达涅利大方坯连铸机及西马克轧线，具备生产多钢种的冶炼浇铸能力及轧制能力，为高品质特殊钢关键产品生产与研发奠定了基础。
研发团队：以技术中心为依托，组建了炼钢、轧钢工艺室与及产品研发室，形成了50人左右的高层次研发团队，同时与北京科技大学多名教授、专家团队合作，极大提高了研发团队水平。
检测能力：实验室通过CNAS认可，拥有各类试验检测设备、仪器200多台(套)，具有钢铁产品化学分析、物理检测、力学测试、无损检测、失效分析等领域的检测能力；另外，北科大高校具备钢铁材料全面的基础特性试验能力。
3、产品开发及市场开拓实施步骤
(1)阶段一：项目准备与曲轴生产企业走访调研工作
(2)阶段二：生产线调研及轧材、曲轴解剖分析
(3)阶段三：实验室实验与现场试制
(4)阶段四：C38+N钢基础特性研究
(5)阶段五：轧材均质化控制的现场规模化生产试验与工艺固化
(6)阶段六：曲轴实物质量实验室分析与曲轴生产现场工艺控制
(7)阶段七：市场推广及产业化生产
4、产品开发及市场开拓取得效果
如表4为近三年C38+N系列钢材的销售量以及销售收入和利润情况，近三年合计销售71613.99吨，毛利收入7216.57万元。
表4 近三年C38+N系列非调质钢销售情况
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时间 |
销售量/吨 |
销售收入/万元 |
毛利/万元 |
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2018年 |
13,944.12 |
8,573.78 |
368.59 |
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2019年 |
21,923.74 |
12,352.76 |
2,938.36 |
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2020年(1-9月) |
35,746.13 |
18,386.42 |
3,909.62 |
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合计 |
71,613.99 |
39,312.96 |
7,216.57 |
5、产品开发及市场开拓取得荣誉
(1)获奖情况：2014年获得青海省科技成果；2016年获得青海省科技进步三等奖；2018年获得青海省专利奖银奖；2020中国重型汽车集团有限公司“优秀质量奖”。
(2)专利情况：获得国家发明专利4项，实用新型专利1项。
六、存在的问题
1、非调质钢对生产过程控制要求严格，且工艺窗口较窄，所以力学性能波动较大，对生产过程稳定控制要求严格。
2、大马力汽车发动机非调质曲轴的生产方式主要采用模锻，属于一种不均匀的变形，造成曲轴内部组织相对不均匀，需进一步研究模具的设计以及材料微合金化来实现曲轴内部组织更加均匀细小。
3、大马力汽车发动机非调质曲轴用钢目前国内多采用企业标准，标准及牌号较杂，行业内没有制定统一的标准。
七、未来三年前景预期
本项目实施以来，项目组不断优化生产工艺，提高产品质量，大马力汽车发动机用非调质曲轴钢C38+N及C38+N2钢材年产量稳步提高，国内重卡龙头企业(中国重汽、东风汽车等)实现稳定批量供货，2018-2020年累计生产76129.41吨，2020年1-11月份共生产C38+N及C38N2钢40261.55吨，其中中国重汽使用量达到35746.13吨。根据中国重汽集团公司对市场的预测，2021年重卡的产量将在今年的基础上增加15-20%，因此该钢的产量还会持续增长。
大马力汽车发动机用非调质曲轴钢C38+N成功开发以来，年产量逐年提高，西宁特钢以C38+N为基础，相继在2016年成功开发了供重庆大江杰信锻造有限公司重型汽车发动机曲轴用非调质钢C38N2；2017年成功开发供天润曲轴股份有限公司重型汽车发动机曲轴用非调质钢C38+N2BY、C38+NBY；2018年成功开发供辽宁五一八发动机曲轴用非调质钢C38mod，并形成了稳定长期合作及批量供货。目前该钢在各企业的应用基本稳定，下步的产能还会继续扩大。
来源：中国钢铁工业协会