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1、 1铌在工程用微合金化钢-线棒材和表层渗碳产品中的应用 Toshimitsu Kimura and Yutaka Kurebayashi Daido Steel, Research & Development 2-30 Daido-Cho, Minami-ku, Nagoya, Aichi, Japan 457-8545 摘要: 微合金化技术，在 20世纪 60到 70年代期间促进了扁平轧材（板材、带材和管线）的生产，大约从 80年代后，被应用于“长条产品”例如棒材、型材、锻件和盘条。在 80年代，采用含铌棒线材的主要原因是在生产中可以省掉必须的淬火回火工艺，即调质处理，而所制造的热处理钢件在
2、性能上不会有任何的改变。由于采用微合金化钢能够明显地降低生产成本和节能，因此，在汽车工业中它们已经代替传统的热处理钢来生产连接杆、吊架挂钩构件和紧固件等等。另一方面，合金元素铌对热处理零件的机械性能的作用也已经有了清晰的解释，并且一些新的钢种已经开发出来，例如抗张强度具有 1500MPa高强度紧固件用纲和弹簧钢已按设计应力 1200MPa进行应用。 此外，铌的沉淀析出物在加热过程中强烈阻碍晶粒长大的能力已被应用于开发表面渗碳钢来制造传动装置和 CVJ轴，其工艺是在冷锻成型后进行高温渗碳处理。新的钢种在制造过程中已经成功取消了软化处理（如球化退火与光亮常化处理）。 1 引言 微合金化处理能够在锻
3、造条件下生产高强度部件，因不需进行再加热及调质处理，而没有后续成本消耗，故微合金化钢的应用领域已经被大大地扩展。尽管铌是一个在微合金化处理非热处理钢方面占有显明优势的元素，但现在也被用于改善热处理钢的性能。 在最近二十年内， 用于汽车结构钢件的强度水平已经应汽车工业的强烈要求而显著地提高。 图 1分别地总结了紧固件、弹簧和表面硬化零件的热处理钢在疲劳极限和韧性方面的变化。之所以每一个品种在改善机械性能上都取得进展而没有增加制造总成本，是因为不仅改善了合金设计而且革新了生产流程，例如喷丸处理技术应用于制造渗碳齿轮高温固化及热喷丸应用到弹簧的生产。 应该强调是铌添加到须经热处理材钢种中，这与防止热
4、处理时的晶粒粗化和随着制造构件强度水平的提高而导致的脆性有关。 本论文回顾了铌添加到作为锻件、紧固件和弹簧的工程用钢中的实际例子。在渗碳钢中，由于加工和加热处理过程太复杂以至难于把铌应用到这种钢中。 所以，有关开发作为渗碳齿轮和轴用钢的研究结果可详细描述如下：含铌钢在轧制后不需球化退火就具有优异的冷成形性， 2即使在冷成型后也可以不进行常化处理。在渗碳过程中亦具有很高的抵抗晶粒长大的能力。 图 1：构件的上疲劳极限强度和韧性的平衡在过去 20年间的变化。 2 锻钢 在许多低合金高强度钢（ HSLA）中，铌被认为是关键的合金元素，也是最为有效晶粒细化剂，同时对热轧的产品，也是弥散强化元素 1。铌
5、的这种良好作用在 70年代开始时就马上被应用到热锻钢中。 Hull等 2述评了含铌锻钢的发展历史和铌在最为常见的锻制中碳钢棒材的物理冶金学。 2.1 热锻件 49MnVS3钢（ 0.50%C-0.25%Si-0.70%Mn-0.040%S-0.10%V）在 70年代中期被开发，在汽车工业中采用闭模锻造 3。通过 0.08%Nb微合金化，在高温加工条件下，虽然其强度可以达到要求，但是韧性不足限制了这种应用。为了改善韧性，开发了一种 0.38%C -1.00%Mn -0.07%V -0.03%Nb的钢，在锻造状态下作为汽车零件使用而不必改善其可靠性 4。 Bucher5比较了 AISI 1141和
6、按 AISI 1141标准的加铌改进型钢，取样于锻造联结杆，含铌钢组织结构细化使硬度提高到 97HRB，对比标准钢种为 92HRB，并且韧性得到了改善而适用制造 3连接杆。 AISI 1141加铌改进型钢也被用来生产焊接叉轴或万向联接轴 6。 一家法国钢铁公司开发了多种微合金锻钢， 其中包括具有抗张强度水平超过 1000 MPa 的高强度钢。这些钢种的基本成份是 0.45%C - 0.30%Si - 1.50%Mn - 0.12%V - 0.04%Nb，在空冷过程中通过平衡控制贝氏体形成和钒沉淀析出可获得稳定的抗张强度。 铌钢的轧制在于控制奥氏体晶粒尺寸，并保持钢淬透性的稳定。这些钢种应用于在
7、汽车工业中制造悬挂臂和防摇杆。 2.2 将来预期的控制锻造钢 Sampei等 7认为添加铌的中碳钢（ 0.25 0.45%C）棒材在控制轧制以后可获得良好的强度-韧性匹配，工艺为 114mm方坯加热到 1373K，然后轧制成 22mm圆钢，终轧温度为 1073K。对含铌钢而言，粗轧的终轧温度被选择为能够抑制奥氏体的再结晶，使晶粒细化，得到优良的机械性能。 如果这些控制轧制技术能被用于锻造加工，可以预料在锻件中也能得到良好的机械性能。Hulka2提出控制锻造的思想，已经在 1975 年由 Pawelski 等 8作了明确的解释说明，精锻温度控制在 950-1100K 范围，含铌钢（ 0.32%C
8、-1.47Mn）的强度和韧性的匹配优于普通的钢。当然，中温锻造产生高的负荷会缩短成形锻模的寿命，低的生产率限制了控制锻造技术的应用。 最近有关晶粒细化技术的研究已经表明当晶粒细化到小于 1m 时，钢的机械性能可以被显著地改善 9。因为含铌钢在温锻温度变形可以很容易实现晶粒细化，因此，将来铌钢的控制锻造会是一种很有效的实用技术。 3 紧固件用钢 作为高强度紧固件用的棒线材，其抗张强度超过 800MPa，要求具有良好的可冷成型、好的机械性能（抗张强度、屈服强度、疲劳强度和韧性）和当抗张强度达到 1200MPa时，具有良好的抵抗延迟断裂的能力。高强度紧固件用钢的主要发展阶段钢可以总结如下，采用微合金
9、线棒材制造非热处理紧固件，对需要热处理材钢种以减少合金元素含量来防止高强度紧固件的延迟断裂。 3.1 采用微合金线棒材生产非热处理螺栓 在 1980年， Gondo，等 10开发一种钢丝用来生产冷镦螺栓，其强度水平达到 700MPa而不需进行球化退火、淬火或回火。钢的化学成份为 0.10%C-1.5%Mn，添加少量的 Nb、 V和 Ti，在控轧控冷条件下，获得适当的铁素体和珠光体组织。 Heritier等 11报道说由 0.2%C-1.2%Mn-20 50ppmB钢种制造级别为 8.8螺栓已实现真正的 4工业化生产。由于硼的加入使钢具有高的淬透性，从终轧制温度开始冷却期间低碳的贝氏体开始形成。
10、 他们发现低碳贝氏体的铁素体具有高的应变硬化指数， 表明 0.12%C-1.65%Mn-0.08%Nb- 25 50ppm B成份的钢具有高的拉丝比，可以生产强度水平在 1000 1200MPa范围的线棒材。添加铌来强化钢是利用了铌的晶粒细化和中间相沉淀析出的强化作用。 一种铁素体 -珠光体带有少量沉淀析出粒子的钢种以及晶粒细化元素已经设计出来以满足级别为 8.8紧固件的技术要求 12。其化学成份见表 I。在加工中，采用低温加热板坯和低的终轧温度以获得极细晶粒。为促进合金元素弥散析出，轧后进行了控制冷却。冷却速率对热轧试样硬度的影响如图 2所示。开发的钢在硬度上比原来的钢（ 0.14%C-0.
11、25%Si-1.45%Mn-0.1%Cr）高30 45HV，这归因于钒和铌碳氮化物细化晶粒和弥散硬化的综合效应。 表 I 试验钢的化学成份（ wt%） 钢种 C Si Mn P S Cr V Nb sol.-Al N Base Steel 0.14 0.26 1.43 0.011 0.003 0.10 - - - 0.001V 0.14 0.25 1.44 0.010 0.003 0.11 0.10 - - 0.001Al-N 0.14 0.25 1.46 0.011 0.003 0.10 - - 0.033 0.012Nb 0.14 0.26 1.44 0.010 0.003 0.10 -
12、0.02 - 0.001V-Nb-Al-N 0.14 0.24 1.47 0.010 0.003 0.10 0.10 0.02 0.032 0.013图 2：冷却速率对热加工试样硬度的影响 线材硬度的增加有时会降低锻模的寿命，但这所导致的成本上升会被因取消了淬火 -回火工艺导致的成本下降所抵消。时效处理工艺可以使较低强度的冷成型紧固件的强度得到提高。Boratto等 13设计了一种铌钛微合金化钢 0.09%C -0.2%Si -1.9%Mn -0.6%Cr -0.04%Nb -0.03%Ti，并且生产的盘条具有针状铁素体组织，在轧制状态下，其抗张强度在 900MPa左右。 他们的研 5究证实在
13、 523K低温时效，既能增加强度又能提高冷镦紧固件的延性，以满足强度分级为 10.9全部技术要求。 3.2 铌在紧固件用高强度淬火回火钢中的应用 一般而言， 级别 10.9 的紧固件的生产采用铬钼钢， 象日本工业标准的 SCM435（与 SAE4137相当），在冷镦以后，采用淬火回火工艺生产。因为，这些钢种的硬度在轧制后太高而不能直接冲拨和冷镦成紧固件，所以必须采用退火处理来降低轧制线材的硬度。 新的钢种 0.25%C-0.05%Si-1.0%Mn-0.3%Cr-0.05%Ti-0.025%Nb-20ppmB，被研制出来而且以轧制状态交货，在冷镦时不需进行软化处理 14。甚至在轧制状态这种钢的
14、变形抗力都是小到足以进行冷成型，这是由于减少了强化钢基的合金元素 C、 Si 和 Cr 的含量水平所至。添加合金元素硼和铌分别是为了弥补淬透性的下降和得到细化的晶粒。 当紧固件的抗张强度超过 1200MPa时，一般的淬火 -回火合金钢都有在服役环境中易受到氢攻击的弱点而导致延迟断裂。为了减少对延迟断裂的敏感性，有人建议减少杂质在原奥氏体晶界含量、加上细化奥氏体晶粒以及改变碳化物沉淀粒子在晶界析出的形态。一种能抵抗延迟断裂，抗张强度为 1500MPa的钢，推荐的化学成份为： 0.35%C -0.20%Si -0.35%Mn -0.010%P- 0.010%S -1.25%Cr -0.40%Mo
15、-0.02%Nb。对日本工业标准 SCM435钢（ 0.35%C -0.85%Mn -0.020%P -0.015%S - l.0%Cr -0.20%Mo）的化学成份进行修改，即减少 P、 S和 Mn的含量并增加Cr和 Mo含量，同时添加 Nb，结果表明可以显著改善延迟断裂阻力 15。 . 4 弹簧钢 图 3：通常使用的强化螺旋弹簧设计应力的变化 6随着设计应力增加，高强度调质处理弹簧钢要求具有合乎需要的抗张强度、屈服强度、疲劳强度、抗下垂性和腐蚀疲劳强度以及延迟断裂阻力。 图 3 显示了日本汽车工业中螺旋弹簧设计应力的变化。 在 1990 初，为减轻客车的重量，必需采用轻质弹簧，在那时高合金
16、弹簧钢被研制开发出来以承受设计应力提高而伴随着采用薄板卷所带来的冲击。 而近期弹簧钢研究领域的发展方向已经重新回到减少合金元素的含量上来，大多数相当于 1200MPa 设计应力的弹簧钢皆是如此。 4.1 螺旋弹簧钢 在 1981年进行了添加钒和铌到日本工业标准 SUP7钢（相当于 SAE9260钢）以改进抗下垂性的尝试 16。可观察到含钒和铌钢的抗下垂性能优于 SUP7钢，这归因于钒的固溶强化作用、由钒和铌的碳化物析出所产生的弥散强化以及晶粒细化的综合作用。 这些研究工作的结果使得螺旋弹簧的设计应力由 900MPa提高到 l000MPa。 1990 年以后，为了节省自然资源，并且要与新的汽车排放物管理条例相适应，而特别地提高了减少车辆重量的要求， 采用 0.4%C -2.5%Si -0.8%Mn -2.0%Ni -0.
