由于涉及汽車行駛的安全，因此對強度等性能要求極為嚴格。新日鐵產(chǎn)棒線材中有40％為加入鉻、鉬等合金元素以便通過熱處理提高強度和加工性的特殊鋼。它們主要供汽車廠和部件生產(chǎn)廠生產(chǎn)各種部件，并在使汽車輕型化的同時，保證汽車的基本性能，目前在每輛汽車上的用量已達200～300kg，主要用于凸輪軸、曲軸、傳動軸、等速齒輪、懸架彈簧和閥彈簧等主要部件。一般采取熱處理等措施，使其抗拉強度由原來的1500MPa提高到3000MPa的水平。
適于制造復雜形狀部件的優(yōu)良加工性
在達到最終產(chǎn)品的汽車各部件所要求的高強度的同時，還得保證優(yōu)良的加工性，這成為所用特殊鋼棒線材的最大特點。如汽車發(fā)動機通過對氣缸內(nèi)加入汽油后的爆發(fā)燃燒產(chǎn)生的反作用力推動活塞的上下運動轉化為曲軸的回轉運動，從而推動了汽車的行駛，在這一過程中便需要各種復雜形狀的部件來支承。以曲軸為例，它是由鋼鐵廠生產(chǎn)的Φ80mm左右的特殊鋼棒材所加工制造而成的。首先由二次加工工廠加熱到1200℃下經(jīng)熱鍛加工成型為輪廓形的半成品，由于還有很多多余的材料要在之后的機械加工中去掉，為了節(jié)約材料和減少機械加工量，最近已開發(fā)成功在冷鍛和溫鍛間的精密鍛造技術并在實用化中。其次，為了保證良好的回轉性，需要用車床切削加工為最終的形狀，由于曲軸的兩端還起到軸承的作用，因此要求加工到無摩擦力的表面精度。加上作為回轉體的復雜形狀，還需要使用多種工具進行精密加工，還得加工上潤滑劑的注入孔。具體加工順序為：兩端部加工、中間孔加工、標準座加工、兩端外徑部加工、軸頸加工、軸樞等處研磨，最終經(jīng)檢查合格后始作為成品驗收。
如上所述，為了多種切削加工和開孔加工，鋼材需要具有軟的易加工性能，而成品的汽車部件則要求材質具有硬而強的性質，在加工過程中同時具有這兩種相反的性質，這便是特殊鋼棒線材的特點，也是開發(fā)的難點。通過加工為各種部件后，強度均保證為汽車車體所用高強度鋼板的2倍以上。
在汽車部件的生產(chǎn)成本中，鋼材所占的比例平均為20％左右，其中，僅通過熱鍛即制成的部件為30％左右，由此可看出加工成本特別是切削加工所占的比例較大。因此實現(xiàn)二次加工省力、高效加工工序所需材料的開發(fā)，成為汽車行業(yè)的重大課題，而今后鋼鐵廠的新材料技術將發(fā)揮重大作用。
使強度和加工性具佳的多種熱處理
要實現(xiàn)特殊鋼棒線材具備兩種相反的特性，關鍵是機械加工前后實施的熱處理工序。即在部件的加工過程中，為使加工前鋼材軟化和加工后鋼材硬化，實施了多種熱處理；還根據(jù)部件的要求進一步實施了表面硬化的同時提高內(nèi)部韌性的特殊熱處理，使部件兼具有強度和韌性使其不易破壞的強韌特性。以發(fā)動機用閥彈簧為例，軋后的彈簧鋼線材的組織為鐵素體加珠光體，經(jīng)襯鉛后拉絲減徑至所需的鋼絲后組織仍不變，然后經(jīng)淬火、回火后變?yōu)榛鼗瘃R氏體，卷成環(huán)形彈簧后再進行表面滲氮處理，使之成為同時具有強韌性的部件。
當然，根據(jù)部件的種類不同，對所用鋼材的特殊性能要求也不同，即使是同一部件，不同的二次加工工廠也采取不同的生產(chǎn)方法和工序以達到所追求個別特性的平衡。例如在提高部件強度的淬火控制處理方面，有僅對表面加熱到1000℃的高頻感應加熱后，再經(jīng)水冷淬火的高頻表面淬火法；還有在600℃以下使氮分解后對鋼材滲氮，使比鐵硬度高5～6倍的氮化物微細分布于鐵組織的間隙以提高強度的軟氮化法，這兩種方法都可提供各自適用的鋼材。從所耗時間上對比，高頻表面淬火法耗時短而加熱溫度高，軟氮化法耗時比前者高10倍，但加熱溫度低，處于兩者中間的還有表面滲碳淬火法。
另外，根據(jù)部件的大小不同，加工方法也不同。如曲軸等大型部件多采用1200℃加熱后熱鍛成形，而等速連軸節(jié)（CVJ）組成部件的外輪等小型部件的加工方法則不同。因為等速連軸節(jié)對前輪驅動車和四輪驅動車等的輪胎轉動起作用的同時，還具有使輪胎左右彎曲的功能。作為其重要部件并呈喇叭狀的外輪，則是通過將棒材在1000℃以下溫鍛后，在室溫下送入模具進行大壓力冷鍛成形。
熱鍛由于加熱造成鋼材表面產(chǎn)生氧化鐵皮，因此鍛后需要進行處理；另外由于加熱造成的膨脹和收縮，僅靠鍛造難以保證部件的高精度加工，因此鍛后仍需精密的機械加工；而冷鍛則僅靠加壓使部件通過輕微逐步變形而達到所需的尺寸精度，從而可省去加熱和機械加工而有利于節(jié)能?，F(xiàn)在從這一點出發(fā)，冷鍛部件的比例呈增大的趨勢。
領導汽車小型輕量化的日本特殊鋼技術
目前，發(fā)展中的冷鍛部件在材料開發(fā)方面遇到了技術性障礙，因為在常溫硬狀態(tài)下加大力使之變形時，由于對鋼材的負荷加大，易產(chǎn)生裂紋。為防止開裂，需供應鋼材內(nèi)部和表面均無缺陷的鋼材。在世界上能生產(chǎn)此類條件鋼材的企業(yè)，只有以新日鐵為首的少數(shù)日本鋼鐵企業(yè)，為此，在汽車生產(chǎn)體制的公開競爭中，日本海外現(xiàn)地供應的棒線材多以熱鍛用鋼材為主。
另外，供應熱鍛用棒材要逐根進行表面檢查，發(fā)現(xiàn)表面有缺陷時，需全部車削去除缺陷，但對于供應的直徑較小的卷材（Φ5.5~20mm），則難以對表面進行全面檢查。據(jù)此，新日鐵通過對煉鋼時化學成分的調整及軋鋼時壓下力和冷卻速度的控制以保證材質，從而可生產(chǎn)出不需表面檢查的可供冷鍛用的卷材。特別是對于那些用于每個可生產(chǎn)10－20萬個部件的模具的品質穩(wěn)定的鋼材，是海外鋼鐵廠難以生產(chǎn)的。
現(xiàn)在每輛汽車約用25kg的螺栓，均為冷鍛生產(chǎn)的，新日鐵開發(fā)成功并提供了加工量小的節(jié)材型螺栓用高強度鋼，得到了社會好評。螺栓的高強度、小型化，也對減輕車重以達到節(jié)油的目的作出了應有的貢獻。此外，新日鐵還提供變速箱和機架用的小型、高強度化的各種高強度鋼材。
難以得到日本般高強度鋼材供應的海外汽車生產(chǎn)廠，為確保汽車的強度特性，只好生產(chǎn)尺寸較大的部件，其結果使汽車大而重。當有些汽車生產(chǎn)廠擬實施車體輕量化時，為彌補特殊鋼重量的過重采取了以高價鋁合金等輕型材料代用的方式，但帶來的是成本的上升。總之，“重量”和“性能”（發(fā)動機轉距）、“價格”平衡最好的日本汽車，依靠高強度化實現(xiàn)了車體小型化，所有這些是以特殊鋼棒線材的先進技術為支撐的。
近年隨著車體輕量化的進展，汽車所用鋼鐵部件的重量比在下降，但支承重要部件的特殊鋼棒線材的比例卻在上升，今后從安全性出發(fā)，其用量比估計將進一步上升。歷年汽車用料比的對照如下表。（單位：％）
年代 單位車重的載重比 汽車用材料的構成比
生鐵和普鋼 特殊鋼 有色金屬 合成塑料等
1973 100.0 63.6（高強鋼板等1.6） 17.5（合金鋼5.6） 5.0（鋁合金2.8） 13.9（合成塑料2.9）
1977 106.5 64.8（4.9） 16.1（4.6） 4.7（2.8） 14.4（3.5）
1980 105.9 63.3（8.6） 14.3（3.8） 5.6（3.3） 16.4（4.7）
1983 102.7 61.7（11.9） 14.3（3.6） 5.6（3.9） 18.4（5.7）
1986 106.8 59.9（15.5） 15.0（3.4） 6.1（3.9） 19.5（7.3）
1989 115.1 58.6（19.3） 15.1（3.5） 7.4（4.9） 18.9（7.5）
1992 136.8 57.0（24.1） 15.3（3.7） 8.0（6.0） 19.7（7.3）
1997 141.3 53.9（22.8） 16.9（3.3） 9.6（7.5） 19.6（7.5）
2001 162.6 56.3（23.0） 16.7（4.3） 7.8（6.2） 19.2（8.2）
汽車發(fā)動機用閥彈簧的高強度化
閥彈簧是調整發(fā)動機吸氣、排氣用的精密彈簧，由于要求的耐火性強，多用高等級的高強度線材制造。一般商用車每分鐘轉動數(shù)千次，競賽用車則每分鐘轉動2萬次左右。
過去的閥彈簧用鋼，為保持強度多采取增加彈簧圈數(shù)和加大絲徑的方式，經(jīng)高強度化后圈數(shù)減少、切絲徑變細從而實現(xiàn)了小型、輕量化，其結果使發(fā)動機也得以小型化。同時由于閥彈簧的高強度化，它動作時對發(fā)動機內(nèi)部產(chǎn)生的摩擦也相應的減少。由此使發(fā)動機高效化和輕量化，可為節(jié)油和環(huán)保作出貢獻。進一步通過發(fā)動機的小型化，還可確保汽車與行人發(fā)生沖撞時發(fā)動機上部擁有足夠的沖撞空間。
新日鐵開發(fā)成功“閥彈簧用高強度鋼”后，馬上提供給苛刻條件下使用的國內(nèi)外競賽用車試用，以驗證其性能。現(xiàn)已成為閥彈簧不可缺少的鋼材，為眾多競賽車生產(chǎn)廠所采用，并已成為各汽車生產(chǎn)廠高度依賴的產(chǎn)品。
另外，柴油發(fā)動機為適應環(huán)保的要求，也配備上稱為“皮軌”的新部件，過去配合發(fā)動機回轉速度而控制噴射壓力的柴油發(fā)動機，在啟動時易產(chǎn)生不完全燃燒而排放的煙塵。為防止黑煙和促進發(fā)動機節(jié)油而采取的“皮軌”，可將燃料在1800atm下貯存，并可不靠發(fā)動機轉數(shù)的影響而提供可完全燃燒的壓力，從而解決了發(fā)動機啟動時產(chǎn)生黑煙的老問題。但生產(chǎn)這一部件時需提供能耐高壓的鋼材，現(xiàn)眾多的柴油發(fā)動機已配備了這一新型部件。
利用生產(chǎn)“日本刀”的技術生產(chǎn)齒輪
適應汽車速度和發(fā)動機回轉數(shù)而變換變速比的變速機和近年呈上升趨勢的無極變速機CVT均為特殊鋼制品，其構件中眾多的齒輪、滑輪和軸等均由代表性特殊鋼的滲碳鋼制成。
所謂滲碳，即經(jīng)在950℃下使炭素從表面擴散的淬火后，使表面層0.5～1mm的組織變?yōu)榉浅Ｓ驳鸟R氏體的熱處理。其表面抗拉強度可達2500Mpa的極高強度，而內(nèi)部強度僅為其1/2以下的柔軟狀態(tài)。即表面硬有利于齒輪在咬合下耐磨，而內(nèi)部具有受沖擊也不壞的粘性，這和日本刀通過把芯部軟的鐵表面變?yōu)橐粚佑茶F屬同一原理。
齒輪咬合時為平穩(wěn)的傳遞動力，形狀和精度極為重要。但是在提高表面強度的滲碳處理中，鋼的組織由于變化產(chǎn)生形變，形變大時將使齒輪咬合時產(chǎn)生振動等故障。為此，對尺寸精度要求嚴格的齒輪，在熱處理后為保持原定形狀而進行研磨；另外，化學成分波幅大也容易造成形變大，因此新日鐵正在開發(fā)可抑制形變從而不需研磨的齒輪用優(yōu)質鋼。
還有，CVT為通過金屬帶和滑輪的摩擦以連續(xù)調整變速比的動力傳遞部件，它由2個可變換直徑的滑輪組成，以改變驅動力的傳遞比，因此與通過齒輪傳遞的變速機不同，CVT可實現(xiàn)無極變速。但是，由于依靠金屬帶和滑輪的摩擦傳遞動力，圓錐形滑輪需具有極高的耐磨耗性，因此需采取比齒輪表面硬化層更厚的超過1000℃的滲碳處理。新日鐵已開發(fā)出此項優(yōu)質的高溫滲碳鋼并供應用戶生產(chǎn)CVT。
熟悉加工工序的材料設計妙技
特殊鋼棒線材生產(chǎn)部件的強度水平和輪胎子午線鋼絲均屬各種鋼材中的超群產(chǎn)品。軋鋼強度應確保加工需求的1000MPa左右，通過二次加工后的最終產(chǎn)品將達2000～3000Mpa。JIS規(guī)定的產(chǎn)品在日本海外也大量生產(chǎn)，但為實現(xiàn)這些極高級產(chǎn)品的鋼材特性，必須熟悉二次加工企業(yè)的切削、熱處理等加工條件，并實施為達最終目標的關鍵措施。在此基礎上，從廣泛的化學成分中，對熱和材質的關系進行計算和控制，進一步從工業(yè)上采取成本低、環(huán)境影響小的生產(chǎn)工藝，以產(chǎn)出部件所需強度的鋼材。在這稱之為“材料設計”的領域，新日鐵的優(yōu)勢在于以技術力為基礎，生產(chǎn)供大量部件用的品質穩(wěn)定的鋼材。
例如，傳遞汽車動力的重要部件齒輪，通常在熱鍛后進行正火處理，切削加工后再通過表面滲碳以提高表面硬度。而閥彈簧卻是一開始就通過淬火、回火以提高強度后，在較硬狀態(tài)下卷成彈簧，因此是一種難度極大的加工。
通常對部件加力過大時，部件易發(fā)生破壞，但對齒輪和閥彈簧等要求耐火性高的部件，常用硬的小鐵丸對表面高速噴射以后，交付殘留壓縮應力的噴丸處理，可使其耐火性大幅提高。如等速機齒輪和發(fā)動機用閥彈簧經(jīng)噴丸處理后，在強力下也不易破壞，因此已在生產(chǎn)上應用。
在上述復雜的加工工序中鋼材在熱處理時，對其材料狀態(tài)特別是夾雜物、鐵的組織和析出物在熱處理過程中的變化需正確理解和把握，要達到最終產(chǎn)品所要求的特性，必須在加工工序中對熱變化過程和變形統(tǒng)一進行細致的安排，也就是所謂的“材料設計”。
高強度下仍可卷為環(huán)形的粘性
以下茲對“材料設計”的重要性距離介紹如下。對于提供的盤條狀線材，需先經(jīng)過冷拔減小直徑的拉絲加工。為便于拉絲加工，鋼鐵廠提供給二次加工工廠的線材的組織應力為鐵素體和滲碳體的層狀組織。若生產(chǎn)汽車輪胎子午線用鋼絲，則需經(jīng)冷拔加工才能成為強度超常提高的最終產(chǎn)品。但閥彈簧則不同，它在拉絲后光經(jīng)淬火、回火成為含碳0.55％的硬的馬氏體組織，再經(jīng)噴丸處理和抑制“累垮”（即彈簧在使用中產(chǎn)生向負荷方向的塑性變形而失效）的處理，即為了提高屈服強度而進行硬化處理等多道工序。全部加工工序依次如下：線材－>中間熱處理－>拉絲－>油淬火、回火－>盤卷成簧－>磁探傷－>噴丸處理（附加表層殘留應力）－>硬化（防止向固定轉位的累垮）－>表面涂裝－>出售。
“材料組織”控制技術的關鍵是“氧化物合理分布”
保證上述“材料設計”品質的技術為“組織、材質控制技術”。汽車部件用特殊鋼首先由電爐鋼廠生產(chǎn)，它們的“材料設計”中，從含夾雜物多的廢鋼為原料出發(fā)，為通過熱處理等措施以達到特殊的功能，充分發(fā)揮了多元素的作用。而以鐵礦為原料的高爐廠的“材料設計”，則以潔凈鋼為基礎盡量少加其它元素，以此來控制鋼材的性能。目前，通過潔凈鋼的技術開發(fā)，實用化后受到用戶的好評。新日鐵特殊鋼的“組織、材質控制”的關鍵為“氧化物合理分布”，即對過去認為有害的氧化物夾雜從組成、形狀和分布狀態(tài)進行高度控制，使之成為對控制鋼材多功能特性的有利的關鍵技術。
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