鈮在鋼鑄件與鍛件中的應(yīng)用

    微舍金化鋼消耗了世界Nb總產(chǎn)量的80％，其產(chǎn)量占世界產(chǎn)鋼總量的大約10％。除了汽車、管線、建筑和結(jié)構(gòu)等用量大的領(lǐng)域外，含Nb微合金化鋼也越來越多地應(yīng)用于諸如鑄件、鍛件、汽車鍛件和緊固件等小批量的領(lǐng)域。這些鋼都表現(xiàn)出較高的韌性、焊接性能和強(qiáng)度。微合金化鋼也具有良好的高溫性能，因此其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域大大拓寬。此外，對于某些應(yīng)用，如海洋構(gòu)件用聯(lián)接頭，主要由于降低了應(yīng)力集中，含Nb鑄鋼在疲勞性能方面有了很大的改善。 

    1微合金化鋼的設(shè)計(jì) 

    微合金化鋼是典型的含有少量的Nb、V、Ti和Al的中低碳鋼，這些合金元素或者單獨(dú)加入或者復(fù)合加入。大多數(shù)商業(yè)化微合金化鋼在物理冶金以及力學(xué)性能改善方面的進(jìn)展簡要的總結(jié)如下： 

    (1)晶粒細(xì)化以提高強(qiáng)度和韌性； 

    (2)較低的C含量(O．003％～0.15％)以改善韌性和焊接性能；

    (3)正火處理、終軋后冷卻、或淬火或正火后時(shí)效處理過程中沉淀析出產(chǎn)生強(qiáng)化； 

    (4)由于針狀鐵素體、貝氏體或馬氏體等低溫相變產(chǎn)物引起亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化；

    (5)固溶強(qiáng)化，盡管這種強(qiáng)化方法由于最有效的固溶元素——C、N、P和Si對鋼的韌性產(chǎn)生極壞的影響而受到限制。 

    低碳高強(qiáng)高韌鋼(HSLA鋼)的基礎(chǔ)是通過相變形成細(xì)小的鐵素體晶粒。細(xì)化晶粒是唯一的既顯著提高韌性的又提高強(qiáng)度的方法。 

    然而，在中碳鋼中，珠光體團(tuán)的尺寸和片層厚度決定其韌性。前者受奧氏體晶粒尺寸的影響，而后者受含C量的影響。含C量越低，滲碳層的厚度越薄，鋼的韌性越好。 

    另一方面，珠光體鋼的強(qiáng)度由其片層間距決定，而片層間距反過來由珠光體的相變溫度決定。相變溫度越低，片層間距越小，強(qiáng)度越高。 

    添加Nb的原理在于能在低中碳鋼中形成碳氮化合物析出。這種析出相在重新加熱過程中可全部或部分溶解。溶解的程度取決于溫度、時(shí)間、加熱和冷卻速率以及溶解度積【Nb][C，N】。因此，Nb(C，N)的析出動力學(xué)將控制Nb的添加，以獲得最佳的效果，而處于固溶狀態(tài)的Nb的含量將決定相變的溫度。 

    2鋼鑄件中的Nb 

    絕大部分微合金鋼(可能在98％以上)用于鍛造產(chǎn)品，而在鑄造業(yè)的應(yīng)用盡管40年前就已開始，但進(jìn)展十分緩慢。 

    鍛造產(chǎn)品可以利用Nb的碳、氮化物析出來抑制軋制過程中的回復(fù)和再結(jié)晶改變，鑄鋼為獲得最佳的力學(xué)性能，必須依靠奧氏體晶粒細(xì)化、奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的相變溫度控制以及鐵素體的析出強(qiáng)化。 

    在鑄造溫度冷卻的過程中，由于沒有外部的塑性變形，Nb(C，N)析出幾乎不會發(fā)生。然而，一些細(xì)小的Nb(C，N)可以在奧氏體向鐵素體的相變過程中(形成析出相列)和鐵素體內(nèi)析出。析出的程度取決于鑄造過程的冷卻速率。 

    如果鑄件在正火前緊接著進(jìn)行均勻化處理(通常僅對于大鑄件才進(jìn)行)，溫度可以升到1100度，或者更高，這樣會使Nb(C，N)全部或部分溶解。沒有溶解的Nb(C，N)粒子可有效地釘扎奧氏體晶界，抑制奧氏體晶粒長大，從而獲得極大的晶粒細(xì)化效果。這種效果存正火處理過程中會更加明顯，因?yàn)樵谶@種情況下重新加熱的溫度較低(900～1000度)，Nb(C。N)粒子更加穩(wěn)定，奧氏體晶粒長大的驅(qū)動力被降低。 

    在抑制晶粒在高溫下粗化方面，Nb比V和Al效果更佳。在正火處理的鋼中，這種效果意味著Nb是一個(gè)最有效的晶粒細(xì)化劑，尤其在低濃度(0．02％～0．04％)范圍。如果要用V產(chǎn)生同樣的細(xì)化效果，將需要加入0.10％的V，并且還需N的濃度高達(dá)0．020％。在鑄鋼中，Ti形成粗大的氮化物顆粒，這對于晶粒細(xì)化來說是沒有明顯效果的。在正火溫度冷卻的過程中，Nb可以產(chǎn)生兩種主要的影響，這取決于冷卻前處于固溶狀態(tài)Nb的量和隨后的冷卻速度。首先，固溶鈮可明顯提高鋼的淬透性，盡管由于較低的正火溫度這種作用有限，以及在某種程度上會被晶粒細(xì)化的作用抵消。即使這樣，Nb還是能降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的相變溫度。 

    事實(shí)上，在所有的微合金化元素中，在給定的晶粒尺寸條件下，固溶鈮在降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的相變溫度方面是最為有效的。 

    固溶鈮可以與Mo(或B)相結(jié)合使用，在空冷鑄件中產(chǎn)生針狀鐵素體或貝氐體。Mo的存在可以保證整個(gè)大的鑄件所要求的力學(xué)性能。 

    Nb(C，N)可以在奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變過程中和生成的鐵素體相內(nèi)析出，這將取決于加熱溫度和冷卻速率。這種細(xì)小彌散分布的析出相可提高鋼的屈服強(qiáng)度。 

    以固溶狀態(tài)保持在鐵素體中的Nb在隨后的回火(時(shí)效)處理過程中將以彌散細(xì)小的Nb(C，N)顆粒形式析出，從而使屈服強(qiáng)度升高。由于在時(shí)效過程中Nb(C，N)的析出而產(chǎn)生的析出強(qiáng)化效果比淬火后的效果要明顯得多，因此在比較快的冷卻速率條件下被保持在固溶狀態(tài)的鈮量增加，這將使隨后的Nb(C，N)的析出更多。 

    此外，Mo已經(jīng)被證明能延緩Nb(C，N)在奧氏體中的析出，這使得更多的Nb可以固溶狀態(tài)保留在其中，并能增加Nb(C，N)在鐵素體中的析出，因此，強(qiáng)化效果更為明顯。Mo本身也被證明存在于析出相中，這會通過增加共格應(yīng)變和(或)增加析出相的體積分?jǐn)?shù)來增加強(qiáng)化的效果。最近的研究表明，在Nb—Mo鋼中，Mo能強(qiáng)烈地偏聚在Nb(C，N)與鐵素體基體的交界面，從而阻止Nb原子自鐵素體基體中向Nb(C，N)顆粒中擴(kuò)散。這樣，即使在高溫，也能保持細(xì)小的析出相尺寸，從而帶來強(qiáng)度的增加。總之，向Nb鋼中加入Mo，在不損壞韌性的前提下能夠有效地提高屈服強(qiáng)度。 

    3微合金化鑄鋼的發(fā)展 

    微合金鑄鋼在過去的20～30年間已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，包括用于住宅、牽斗、連接器、海上連接頭和其它海上構(gòu)件、鐵路聯(lián)結(jié)器、渣罐及軋機(jī)的軋輥的Mn—Mo—Nb(±V)鋼。 

    在20世紀(jì)70年代建立的兩個(gè)直接的用途是：用于支持鶯達(dá)665kg的核反應(yīng)堆支架的連接部件和用于每件重達(dá)120kg的建筑機(jī)械(Nb+V鋼)的焊接構(gòu)件。直徑為350mm的核反應(yīng)堆支承件連接件(0．08％C)具有優(yōu)異的焊接性能，這還說明在正常焊接條件下，硬度低于280HVl0。只有在以異常低的熱輸入(7．5J／cm^2)焊接后，才能獲得比較高的峰值硬度。 

    一種類似的鑄鋼(0．10％C、0．4％Mo、0．04％Nb．0．06％V)被提出用于生產(chǎn)鐵路聯(lián)結(jié)器，這種鋼的最低屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別為415MPa和620MPa。對于這種細(xì)晶粒多邊形鐵素體鋼所要求的最小韌性為在-40度下V形缺口夏比沖擊能(CVN)為34J。鐵路聯(lián)接器在服役條件下會受到高載沖擊和其它動載應(yīng)力，并且必須現(xiàn)場焊接。已經(jīng)證明低碳微合金鋼可非常成功地用于這一部件的制作。 

    自20世紀(jì)70年代以來，海上工業(yè)的發(fā)展刺激了人們發(fā)展高質(zhì)量的鋼來生產(chǎn)大量的構(gòu)件，主要是海上構(gòu)件用連接頭。 

    鑄鋼連接頭與焊接連接頭相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括：(1)極大地提高了疲勞壽命(根據(jù)接頭的類型，可達(dá)4-18倍)；(2)降低應(yīng)力集中； 

    (3)在關(guān)鍵部位沒有焊縫(或相關(guān)的微裂紋)；(4)在各個(gè)方向上有均勻的高韌性(特別是在低溫下)；(5)增加了連接的剛度(改善抗沖擊性能)；(6)降低翹曲傾向性。 

    另外，據(jù)報(bào)道，與裝配式連接頭相比，鑄造連接頭能節(jié)省成本高達(dá)20％。這種鑄鋼在其它方面的應(yīng)用包括：在海上結(jié)構(gòu)的易疲勞區(qū)中的嵌入式鑄件。海底提升機(jī)連接模塊，將其沉入海底，使油通過90度彎曲從帶有張力的隔水管流入管線。微合金鑄鋼被用來生產(chǎn)這個(gè)復(fù)雜的高應(yīng)力構(gòu)件的主體，而微合金鍛鋼被用于連接樁和管線。 

    合金鑄鋼在高溫下的應(yīng)用是基于它們的拉伸特性、蠕變行為以及對熱沖擊和氧化的抵抗能力。對于許多傳統(tǒng)微合金鑄鋼，主要由于熱處理產(chǎn)生的穩(wěn)定沉淀，在高溫下仍保持較高的強(qiáng)度。高錳鈮鋼室溫屈服強(qiáng)度可保持到大約400度，甚至到500度其的屈服強(qiáng)度仍能保持在接近400MPa。 

    這些高溫性能的應(yīng)用領(lǐng)域包括鑄錠鉗式吊的臂、鑄模、煉鐵爐裝卸料臂、熱電廠的鍋爐容器，最近又用于制造渣罐。 

    討論近幾年開發(fā)的所有含Nb鑄鋼是不可能，但是有兩種鋼值得一提：一種是含Nb量為0．06％的高Cr鋼(Cr3.5％)。這種鋼的C含量很低，因而顯著降低了淬火開裂傾向。另一種是含Nb0．1％的中碳(O.40％C)鋼，用作輔助輥。 

    前一種鋼，命名為lmaco@(芬蘭OvakoOyab的注冊商標(biāo))，具有馬氏體顯微組織，其屈服強(qiáng)度在680～850MPa之間，從標(biāo)準(zhǔn)成分和力學(xué)性能可以看出，由于這種鋼的含C量很低，它具有優(yōu)異的焊接性能。 

    這種鋼(Imacro)的應(yīng)用范圍包括，軋機(jī)的支撐輥和連接輥、吊車輪、為移動坯料而設(shè)計(jì)的吊車的夾緊裝置以及初軋機(jī)的焊接輥道輥。后一種應(yīng)用可以使輥的橫截面積減小20％。用3．5％Cr-0．06％Nb鋼制造的吊車輪與傳統(tǒng)的C—Mn鋼制造的吊車輪相比，使用壽命至少可以提高兩倍。 

   美國已經(jīng)開發(fā)了含有微合金元素Nb的中碳鋼用于熱軋板帶軋機(jī)上鑄造支撐輥。在鋼中添加了0.1％的Nb代替添加0．15％的V來控制晶粒尺寸。這類鑄造軋輥的重量在40-60t之間，化學(xué)組成為：0.4％C-0．45％Si-1．0％Mn-2.O％Cr-0．8％Mo-0．1％Nb。 

    典型的軋輥退火工藝為：925度×30h。軋輥在室溫下的抗拉強(qiáng)度通常在1300～1400MPa之間，其從軋輥表面到軋輥12．5cm處的硬度達(dá)到46-48Rc，夏比V形缺口沖擊功(CVN)為65J。如果鋼中不添加微合金元素Nb，那么鋼在室溫下的沖擊功只有10J。 

    4.Nb在沖壓和冷鍛鋼中的應(yīng)用 

    4．1鐵索體-珠光體鋼 

    應(yīng)用于汽車鍛件、農(nóng)業(yè)和工業(yè)機(jī)械鍛件、緊固件和其它冷鐓件等的微合金鋼不僅具有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且成本顯著降低。這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)合金鋼相比，在許多情況下微合金鋼在生產(chǎn)過程中可以省略諸如淬火、回火、矯直、消除應(yīng)力等重要處理過程，這種成本的降低實(shí)際上比合金費(fèi)用降低更經(jīng)濟(jì)。 

    為汽車鍛件開發(fā)的第一個(gè)微合金鋼是V-N(49MnVS3)型的。雖然該鋼的強(qiáng)度隨V含量增加呈線性增加，但鋼的韌性會降低。 

    汽車制造商們出于對安全方面的考慮，改善鋼的韌性很快成為微合金鋼鍛件的一個(gè)重要的目標(biāo)。由此在法國、德國和意大利拓展Nb-V鋼，后來在德國還開發(fā)了V-Ti鋼。后一種鋼的成分設(shè)計(jì)能夠獲得較好的強(qiáng)韌性配合，只要鋼中0.1％的最低V含量與較高N含量配合，同時(shí)Ti：N比滿足化學(xué)當(dāng)量比。 

    Nb-V鍛鋼的發(fā)展主要利用Nb的3個(gè)作用：晶粒細(xì)化、降低珠光體片層間距和沉淀強(qiáng)化。“METASAFE”鋼已成為Nb-V微合金鍛鋼的主要家族。根據(jù)鋼牌號的不同，它們的C含量在0．15％～0．45％的范圍內(nèi)變化，這一數(shù)值與V-Ti-N鋼相比降低了很多，這也是鋼的韌件得到改善的一個(gè)主要因素。較低的含C量也保證了鋼具有良好的焊接性。 

    研究表明，METASAFE1000鋼(最低抗拉強(qiáng)度為1000MPa)在1250度下均熱1．5h，就會有大約0．03％～0．04％的Nb固溶。因此，Nb-V鍛鋼的成分設(shè)計(jì)應(yīng)該是保證大約0．02％的Nb不會固溶，以有效地細(xì)化晶粒，而固溶的Nb起降低珠光體片層間距和沉淀強(qiáng)化的作用。當(dāng)鋼中含0．03％Nb時(shí)，因Nb產(chǎn)生的沉淀強(qiáng)化效果，屈服強(qiáng)度可以提高約150MPa。等量的V的效果只可以使鋼的屈服強(qiáng)度提高50MPa。要使V的沉淀強(qiáng)化效果達(dá)到0．03％Nb的效果，大約需要添加0．08％V。 

    因此，Nb的最佳含量應(yīng)是稍微超出固溶量。在METASAFE1000鋼的情況下，這個(gè)值應(yīng)該是0.05％～0．06％。僅僅大約0．02％未溶的Nb對于奧氏體晶粒尺寸所起作用。 

    值得注意的是，實(shí)驗(yàn)表明鋼的疲勞壽命與原始奧氏體晶粒尺寸之間呈線性關(guān)系。因而，細(xì)的奧氏體晶粒尺寸除了可以改善鋼的韌性外，對于提高鋼的抗疲勞壽命也是很有益的。 

    除了METASAFE鋼外，其它的Nb-V微合金化鍛鋼也已工業(yè)化生產(chǎn)。這類鋼的應(yīng)用是很廣泛的，除了比較普通的應(yīng)用，如連桿、曲軸、凸輪軸和轉(zhuǎn)向節(jié)之外，其它如反向連接桿、后橋軸、反應(yīng)桿和轉(zhuǎn)動軸桿支撐蓋也在生產(chǎn)。 

    4.2低碳多相鋼 

    多相鋼是在低碳鋼的基礎(chǔ)上用Mn、Mo和Nb合金化生產(chǎn)的。北美開發(fā)的這種鋼的兩個(gè)牌號分別為BHS-1和FreeformTM，其化學(xué)成分如表1所示。 

    往鋼中添加Nb是為了在熱加工過程中進(jìn)行奧氏體調(diào)節(jié)和控制在冷卻過程中的相變行為。為了控制鋼的相變，也向鋼中加入Mn(1．4％～2．O％)和Mo(1．4％～2O％)。 

    利用BHS-1鋼所做的工業(yè)化實(shí)驗(yàn)包括連接桿、操縱桿和低位控制桿的制造。后一種構(gòu)件是在熱鍛之后直接淬火，并且不需要其它任何后續(xù)的熱處理。 

    多相鋼具有較高的強(qiáng)度、相當(dāng)?shù)捻g性和無與倫比的抗疲勞性能。從生產(chǎn)角度來說，多相鋼也可以不需要進(jìn)行增加成本的二次加熱、淬火和回火等工藝處理。 

    Mn-Mo-Nb鋼所展現(xiàn)出的鐵素體-貝氏體-馬氏體多相組織的應(yīng)力-應(yīng)變特性是最適合于冷拔和冷鐓加工的。連續(xù)的加工硬化特性和快的加工硬化速度使該鋼在微量變形之后強(qiáng)度有顯著的提高。而且，這種鋼高的塑性也消除了冷加工過程中發(fā)生斷裂的可能性，也保證了陰模可以完全被充滿。 

    在40％的冷變形之后，鋼的塑性仍然很好，并且最終構(gòu)件具有足夠的韌性，從而保證在服役過程中不會發(fā)生斷裂現(xiàn)象。較高的冷拔變形率增加了鋼的強(qiáng)度和疲勞抗力。含有較高M(jìn)n量和Mo量的鋼(BHS-1)具有較大的加工硬化速度。然而，這兩種鋼，即使合金化程度較低的FreeFormTM鋼