微合金化棒材钢的降本潜力

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1、微合金化棒材钢的降本潜力 摘要：微合金化技术是通过在钢中添加少量特定元素，达到改善钢的机械性能，尤其是钢的强度和硬度的一门技术。1977年，推出了VsnCraftTM系列的高强度微合金化冷轧棒材。1978年，这一技术被推广应用到用于热锻造的热轧棒材。热锻造钢棒应用于许多关键的汽车部件的生产，例如连杆、稳定杆和一些类似部件。一般来说，这些部件要求进行后续热处理以获得必要的性能。通过微合金化，有时可以省去热处理工艺，因为锻造部件已获得所需性能，因而可以明显节约成本，同时降低能源消耗。本文对有关微合金化的冶金原理、以及在热轧和冷轧棒材可获得的性能进行了阐述。对该技术的典型应用进行了讨论。 微合金化钢

2、 在SAE手册中，高强度低合金钢（HSLA）被描述为：“一组通过添加一种或多种适量的非碳合金元素来提高机械性能且在某些情况下阻止大气腐蚀的钢”（1）。特别是近来，“HSLA”常常被“微合金化”所替代，因为如今甚至可通过添加更少量的某些合金化元素，来获得所需的性能提高（2）。在过去的10多年中，高强度低合金扁平轧材的使用明显增加。然而，棒材产品中类似级别品种的使用受到了限制。最近4年，J&L 钢铁公司一直在研发通过微合金化来强化性能的热轧和冷轧棒材产品。 表1 HSLA钢 微合金化元素 Cb, V ,Cr, Si 冶金效果 延缓奥氏体再结晶速度 细化组织 析出强化 性能效果 提高强度 提高韧性

3、改善加工性能 表1总结了微合金化钢的冶金技术。一般来说，这些钢中相关的合金化元素总量小于0.5%，有时甚至低于0.03%，对其中的三种主要的冶金效果进行了描述。在钢的热加工过程中，通过添加Nb和V元素推迟了奥氏体再结晶过程。因为转变后的晶粒尺寸得以细化，所以提高钢的强度。此外，Nb和V是强烈的碳氮化合物形成元素，因此锻造的产品因碳氮化合物的析出而得以强化。 因为这些冶金反应，微合金化钢强度更高。某些情况下，晶粒细化可起到提高钢的韧性效果。此外，在某些场合，由于珠光体团变小以及珠光体片层变薄，钢的加工性能得以改善。图1比较了标准1144钢和通过添加V、N改进的1144钢的微观组织，后者的晶粒尺寸

4、明显更细。珠光体含量略有下降，层间距更小，并且珠光体团的平均尺寸变得更小。 常规的 1144钢 500 VanCraftTM牌 1144钢 500 图1 加入V、N的VanCraftTM的1144钢晶粒尺寸明显减小，显微组织更均匀 本文首先概括了微合金化带来热轧棒材生产的变化，然后考虑热轧棒材的性能同后续工艺如何相互影响。对微合金化棒材和标准钢种棒材生产的热锻部件进行了对比讨论。热轧棒材冷变形时的性能变化也在本文进行了阐述，并将重点放在用微合金化热轧棒材生产冷轧棒材的情况。 热轧棒材性能 基本的化学成分和微合金化灵活的组合形式可以在最终产品中获得所希望的综合性能。表2列出各种基本的普通碳素钢，

5、从1010到1050钢可获得最低的屈服强度级别和其他拉伸性能，这些钢种的最小屈服强度一般在45000-90000psi。 表2 热轧普通碳素钢可获得的最低屈服强度 基本钢种 最低的屈服强度(1000 psi) 极限抗拉强度*（1000 psi）总延伸率* 面缩率* 硬度 RB1010 45 60 37/40 67/70 72/75 1018 55 75 25/60 55/60 77/80 1030 60 80 23/28 50/56 82/85 1038 70 95 22/25 44/50 90/93 1045 80 110 20/22 42/45 95/100 1050 90 120 17/

6、19 35/38 110/103 *：为给定最小屈服强度下的性能值-不能理解为最小值或限制范围 一般来说，选择微合金化目的是希望用最低的碳含量来获得最高的强度。其优点是在一个规定的强度条件下，可以改善钢的焊接性，加工性能和成形性能。总之，多年来应用于HSLA扁平轧材的相关冶金技术可相应地用于棒材产品。由于典型的钢梁和棒材轧机与现代的热带和厚板轧机的热机械性能的差异，为获得所需的力学性能需使用一些不同的合金。对于某些用途，SAE 1522（0.18/0.25% C，1.10/1.40 Mn）是一个理想的基本化学成分。表3所列的拉伸数据来自于试验室中的试验钢，其成分的选择是用来说明微合金化作用是存

7、在的。 表3 5/8英寸热轧棒材的拉伸性能与硬度 拉伸性能 材料 屈服强度(1000 psi) 极限抗拉强度（1000 psi） 总延伸率 面缩率 硬度 RB1522 53.4 80.2 38.0 64.3 82 1522+0.05%Nb 67.8 90.7 34.2 62.9 90 1522+0.05%V 59.9 81.9 37.5 67.8 85 1522+0.10%V 68.4 88.5 36.0 66.6 91 1522+0.15%V 82.8 106.1 29.7 60.5 98 1522+0.15%V+0.015Nb 85.6 108.8 28.0 53.4 99 1522+0.

8、10%V+0.05Nb 81.0 106.6 30.2 63.1 98 重要的一点是微合金化工艺的多功能性。根据最终产品所需要的性能，选择一适当的基本成分和微合金化添加元素，而得到一个较宽的性能和用途的钢品种。 热轧棒和锻造件的性能关系 在某些情况下，未经后续工序处理的热轧棒材的性能是最为重要的。然而当应用时，经后续工序处理后的热轧棒材性能才最受关注。表4 列出了在后续的工艺处理中，微合金化处理所带来的冶金效果。 表4 微合金化在热轧棒材中的效果 工艺 微合金化效果 结果 锻造 组织细化和析出强化 一些情况下强度、韧性更高、加工性能更好热处理 抗晶粒长大能力更强、晶粒更细化的析出强化原始材料一

9、些情况下可以取消后续的热处理，或者通过更高的奥氏体化温度来缩短热处理时间 冷镦 加工硬化到更高强度级别的强度更高的原始材料 高强度部件，不需要进行后续的热处理 热锻造过程有很明显的组织细化和析出强化的潜力存在，对于锻造应用，使用Nb、V微合金化处理代替标准钢种是方法之一。有些作者（9）推荐使用V而不是Nb，因在锻造前的加热阶段，V（CN）比Nb(CN)更易于溶解。但实际应用中，两种元素的使用基本类似。 一般来说，与标准钢锻件相比，使用微合金化处理的钢的锻件强度更高，并且可能有更好的加工性能。在某些应用微合金化钢的实例中，省略了锻造后的热处理操作。例如中碳硫化钢1138或1141钢，需要在锻造后

10、需要进行正火处理，以细化组织，利于加工。而在一些应用中，微合金化工艺可使这个热处理工序省略。 在其他的一些用途中，微合金化处理的锻造件的强度和抗疲劳性能保证锻件不需要再进行调质处理。尽管微合金化处理的锻造件的韧性指标不如调质处理的锻件，但对某些用途来说，这并不是主要考虑的（7）。如果最终必须进行热处理，微合金化处理的钢，在奥氏体化过程将会有更好的抗晶粒长大的效果，并且有可能减少热处理时间。同时微合金化处理钢的抗回火软化性能更强。 表5对比了热轧态标准1046钢、调质态标准1046钢和微合金化处理的热轧态1046钢的性能。通过加入V和N微合金化处理的热轧钢同样可获得经过调质处理的普通碳素钢所达到

11、的强度、硬度和抗疲劳性能。这里必须注意的是，微合金化处理热轧钢的抗冲击性能或韧性指标不能完全达到经过调质处理的产品的水平。实践证明，热轧和热处理棒材的对比结果对普碳钢生产的热处理锻件和微合金化锻件的性能比较同样有效。 表5 热轧态、热处理态标准1046钢和微合金化热轧钢的比较 硬度 CVN冲击功(ft-lb) 材料 屈服强度(1000 psi) 极限抗拉强度(1000 psi) 总延伸率,%面缩率 % RBBHN疲劳极限(1000 psi)CVN50% FATT (F) 75F 200F 1046 AKFG-HR 52 93 23 38 85 163 1046AKFG-Q&T 68 109 2

12、5 56 95 212 55 75 32 62 1046(V+N)-HR 72 110 19 40 94 207 53 200 5 19 使用微合金化处理的钢可以省去锻件的热处理费用。这点对改善当今能源成本居高不下、可用能源越来越少的状况有实际意义。 冷加工或冷轧棒材 图2给出微合金化处理的1050钢在冷变形过程的情况。可以看出，热轧屈服强度为9000Psi，通过冷加工变形后，强度可以达到约140000psi。这表明微合金化处理的热轧钢材经过冷加工达到的强度水平，且引入了微合金化处理的冷轧棒材的潜力。 图2 应变对微合金化1050钢的强度的影响 过去，生产高强度冷轧棒材基本是采用标准的化学成分

13、，并且增大热轧棒材在冷轧过程的热轧态 应变百分数 流变应力(ksi) 变形量来增加强度。这是一种冷轧棒材的强化途径，然而，它却带来某些生产问题和相关的局限性。 一种最常用的冷轧高强度棒材钢是1144，其基本化学成分是C：0.40-0.48%，Mn：1.35-1.65，S：0.24-0.33。 图3给出了1144钢和通过加入V，以及V、N合金的1144钢在热轧态、冷拔过程中不同变形量下和冷拔后应力释放后状态下的强度。在热轧态下，V处理的钢相比传统钢的强度约高15 到 20Kpsi。而V、N处理的钢约高25到35Kpsi。这种强度差在冷拔后继续存在。变形量越大，强度增加越大。另外，应力释放可以获得

14、一点额外的强度。因此，最低屈服强度在100-125Kpsi范围冷轧棒材的产品，是可以通过在1144钢中添加V、或VN施行标准拉拔来获得。 表6列举了微合金化处理在冷轧棒材生产中的基本优点。可获得额外的晶粒强度组合，因为热轧棒材的强度相对于标准钢材可增加30kpsi。例如，以1040钢为基础，生产出了最低屈服强度为125Kpsi的冷轧棒材，其C含量很低、焊接性能得以优化。 表6 微合金化工艺的优点 可获得额外的晶粒强度组合 可适当地取消消除应力的退火处理 改善热处理处理效果 不使用Al细化钢的晶粒 提高抗软化性能 图3 不管拉拔量的多少，添加V到普通的1144钢可提高其最低屈服强度15-20kp

15、si； 冷拔与应力释放 冷拔态 热轧态 屈服强度(ksi) 材料总变形量添加V、N可提高钢的最低屈服强度25-35kpsi 因为微合金化处理可以轻易达到所给定的最低的屈服强度，因而有时可以取消消除应力的退火处理。使用常规的钢种，为获得额外的强度，消除应力的退火处理通常是必需的。非消除应力的产品在很多应用中是不适合的，但对一些还是适合的，特别是对那些需要进行均匀加工处理的冷轧棒材。使用Nb或V优化的钢可改进热处理效果，因为碳氮化物的析出细化了钢的晶粒。因此，对于一些必须进行热处理的锻件，可采用更高的奥氏体化温度，而不会导致晶粒粗大。同时，也增加了这些钢在回火和消除应力处理中的抗软化性能。此外，由

16、于钢通过碳氮化物的析出细化晶粒，不需要再添加铝来细化晶粒。这一点是非常有利的因为许多加工应用中不希望含铝，主要是因为可能有氧化铝或铝锰硅夹杂物的磨损问题。 使用微合金化处理的冷轧棒材可能应用于一些特殊用途，见表7。使用1040基钢，已经生产出最低屈服强度为125kpsi的活塞杆。同样的，使用10L50基钢，已经可不通过大变形量的拉拔处理生产出屈服强度最低要求为125kpsi的轴产品。以4140硫化钢为基，应用于制造枪管的冷轧棒材其硬度已经达到30Rc，而过去为达到这一硬度必须进行必须的调质处理。同样，J&L公司利用1050基钢已经生产出几种产品，不进行消除应力的退火处理其最低屈服强度已达到100kpsi的要求。 表7 特殊用途 钢种 应用 1040 应用于屈服强度最低为125kpsi的活塞杆 10L50 应用于屈服强度最低为125kpsi的轴 硫化4140钢 应用于硬度为30Rc的枪管 1050 屈服强度最低为100kpsi不需要进行消除应力退火 总结