微合金钢

发展中国家微合金钢的潜力

Geoffrey Tither

Niobium Products Company Inc. Pittsburgh, PA

1．简介

在发展中国家，并不总是适合投资大型、现代化的厚板或热轧/冷轧机组，尤其在未经细致的市场调研的情形下，其实是不明智的。这是因为成本投入巨大，并在许多方面，由于考虑剧烈的竞争－衰退周期，能实现的盈利很少。

一个更明智的方法是开发的产品能在小型工厂更经济的生产，从而只需较少的投资。诸如紧固件、冷镦部件、拉拔线材、汽车锻件及工业、农业机械用锻件等是发展中国家在微合金钢开发和应用方面有待开拓的领域。这是由于微合金钢比普通合金钢成本低，并且在许多方面，微合金钢可减免制造工序，从而实现比单单合金节省更显著的节约。

本文讨论微合金化的基本概念，但主要侧重于微合金钢的商用场合。

2．微合金钢设计

微合金钢可定义为单独或者复合添加少量Nb、V、Ti和Al的低碳至中碳钢。对机械性能的影响是基于这些微合金元素形成碳化物、氮化物或碳氮化物，这些化合物在再加热及后续过程中全部或部分溶解。溶解和析出的动力学决定着通过微合金化所能获得效果。溶解程度依赖于加热温度、保温时间、加热和冷却速率、碳氮化物的溶度积。各种微合金碳化物、氮化物的溶度积如图1所示。

图1 微合金碳化物、氮化物的溶度积

低碳高韧高强度低合金钢（HSLA）的实质是通过相变获得细小铁素体晶粒。晶粒细化是唯一同时改善韧性的强化机制。

而对于中碳钢，珠光体团尺寸和珠光体片厚度决定韧性，前者受奥氏体晶粒尺寸影响，后者受碳含量影响，碳含量越低，渗碳体片越薄，韧性越好。另一方面，珠光体片间距决定珠光体钢的强度，片间距受珠光体转变温度控制。相变温度越低，片间距越小，强度越高。

再加热过程中各种微合金元素对晶粒粗化的影响如图2所示（2）。如图所示，高温状态阻止晶粒粗化的效果，Nb比V、Al更为有效，而Ti，通常以TiN微粒弥散分布，是最有效的。为使TiN有效阻止晶粒粗化，必须使Ti:N满足化学计量比，以保证TiN颗粒尺寸处于100－500nm。偏离化学计量比将致使TiN逐渐失效，事实上将减慢凝固冷却，因此，铸锭浇铸通道变得不合适。

图2 各种微合金钢奥氏体晶粒粗化特性

上述阻止晶粒粗化的效果，例如对于正火钢，特别是含量较低时（0.02-0.04％）,添加Nb作为晶粒细化剂十分有效，见图3（3）。

图3 Nb、V、Ti对正火型HSLA钢晶粒尺寸的影响

在正火处理或随后的热变形冷却过程中，对于Nb和V，两种主要效应可能依赖于冷却前仍处于固溶态的微合金元素含量和随后的冷却速率。例如，固溶态的Nb有显著的硬化效

应，虽然在商业应用上这种效应在一定程度上被晶粒细化效应所抵消。尽管如此，Nb可降低奥氏体向铁素体转变的温度，如图4所示（4）。实际上，在所有微合金元素中，对于给定的奥氏体晶粒尺寸，处于固溶态的Nb 对降低奥氏体向铁素体转变温度的效果最大。诸如Mn、Cr、Nb等降低相变温度的合金元素，同样减小珠光体片间距，以此提高强度。

图4 含Nb或不含Nb低碳钢CCT曲线（1300℃淬火）。阴影区域表示碳氮化物析出区间，当冷却100s时，加0.43%Nb降低铁素体相变开始温度约50℃。

此外，在奥氏体向铁素体转变过程中和铁素体相冷至室温过程中，微合金元素Nb和V 也以碳氮化物析出，见图4，此类细小弥散析出物有强烈强化效果。

因为V比Nb更易溶入奥氏体，这意味着在给定微合金含量的条件下，铁素体中V(C,N)析出物颗粒远比Nb(C,N)颗粒多。因此，添加V主要是为了析出强化，而Nb则主要作为晶粒细化，同时兼有析出强化和珠光体相变控制的三重角色。但因注意，基于1：1的情况下，奥氏体固溶Nb是比奥氏体固溶V更为有力的析出强化剂，见图5（5）。这是由于NbC（0.447nm）的点阵常数比VC（0.415nm）大，将引起周围基体较大的畸变。

图5 含碳0.45%钢由于沉淀强化所引起的屈服强度增量

铁素体中析出物的控制因素是[Nb][C,N]在奥氏体中的溶度积。当碳含量增至0.45%左右时，在任何温度均会减少Nb的固溶数量，如图6所示(5)。轧制和锻造时典型的保温温度处于1150℃和1300℃之间，意味着当含碳0.45%时，上述两个温度分别有0.025%至0.07%的Nb进入固溶态。

图6 奥氏体中NbC的溶解度

利用上述效果可使微合金钢设计成具有细晶粒、析出强化的微观组织。作为选择，通过微合金元素和硬化元素的复合作用及增加冷速，可生产拥有异常强度与韧性配合的铁素体－贝氏体钢或自回火马氏体钢。

3．微合金锻钢

3．1铁素体－珠光体钢

20世纪70年代早期，欧洲开发了铁素体－珠光体型中碳微合金锻钢（6,7）。主要目的是为了节省热处理成本，因为微合金钢使锻件在锻造状态就有高的强度与韧性，而不必象41XX系列传统低合金钢那样必须经过再加热、淬火和回火处理才具备如此性能。微合金钢与传统淬火回火钢的工艺路径对比示意如图7所示。近期微合金锻钢的钢种设计与工艺在最近国际会议讨论（8）。

图7 微合金钢比传统钢锻压更经济，且免除了矫直工序，并改善加工性能

第一代开发的微合金锻钢是V-N 型的（49MnVS3），增加V 含量，强度线性提高，而韧性降低，见图8。室温夏比V 型缺口冲击功仅7－14J ，韧脆转变温度高于室温。V-N 钢与对比钢种韧性比较如图9所示（9）。

由于汽车制造商提出安全要求，改善微合金锻钢韧性不久成为重要要求。这促使法国(10-12)、德国(13)和意大利(14)开发Nb-V 钢，及后来德国(15)开发V-Ti 钢。后者的钢种设计采用最小钒含量0.10%结合高氮水平，并且Ti:N 比维持化学计量比，生产有用的强韧配合钢种。

Ti:N 比超过化学计量比(5)或者工件使用前经历双重再加热处理（设计或意外）

，TiN 颗粒变得过于粗大以致于不能阻止奥氏体晶界迁移。

Nb-V 锻钢的开发利用了Nb 的晶粒细化、减小珠光体片间距和析出强化的三重效果。‘METASAFE’钢是Nb-V 微合金锻钢的主要家族(10-12)，主要钢种化学成分如表Ⅰ所示。

依据所示钢种，碳含量在0.15-0.45%间变化，碳含量下限比V-Ti-N 钢低得多，主要对改善韧性有益。低碳含量同样能保证良好的焊接性。

表 Ⅰ主要‘METASAFE’钢的平均化学成分，wt%

Charlier 和Bacher 认为METASAFE1000钢在1250℃保温1.5h 后大约有0.03-0.04%的Nb 溶解，具体见表Ⅱ。因此，Nb-V 钢冶金设计时需有0.02%的Nb 处于未溶状态以有效细图8 中碳钢（0.35-0.50%）钒含量对

强度与韧性的影响

图9 各种材料缺口韧性（CVN ）