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劉瑞寧1，2，王福明1，李　強2
(1　北京科技大學　冶金與生態(tài)工程學院，北京　100083；2　石家莊鋼鐵公司　技術(shù)中心，河北　石家莊　050031)
　　摘 要:介紹了微合金非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展及其應用現(xiàn)狀，開發(fā)微合金非調(diào)質(zhì)鋼符合鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策和石鋼公司的“邊緣-精進”戰(zhàn)略。
　　關(guān)鍵詞:微合金；非調(diào)質(zhì)鋼；發(fā)展；應用
1　前言
　　石家莊鋼鐵有限責任公司是中國汽車用鋼(棒材)專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，現(xiàn)年產(chǎn)鋼能力近260萬t，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、齒輪鋼、軸承鋼等五大系列汽車用鋼(棒材規(guī)格為Φ14～180mm)為主，其熱軋汽車棒材主要供鍛造廠鍛造成汽車零配件(如汽車前橋、半軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、發(fā)動機曲軸、連桿等)。微合金非調(diào)質(zhì)鋼是一種理想的節(jié)約能源、節(jié)約資源的經(jīng)濟型新材料，符合鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策要求，其用途十分廣泛:凡是加工過程中需要調(diào)質(zhì)的鋼(如45，40Cr等)均可用非調(diào)質(zhì)鋼替代；省略調(diào)質(zhì)工序，可省去占調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)總成本6%的熱處理(淬火+高溫回火)費用，德國人估計用49MnVS3非調(diào)質(zhì)鋼代替調(diào)質(zhì)鋼做連桿可節(jié)約總成本的38%。日本愛知公司分析，微合金非調(diào)質(zhì)鋼因省略調(diào)質(zhì)處理這一工序，就可使熱鍛產(chǎn)品的成本降低18%[1]。
2　微合金非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展
　　微合金非調(diào)質(zhì)鋼強化機理不同于調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)鋼是將軋、鍛后鋼材重新加熱淬火再經(jīng)高溫回火獲得所需組織性能。而微合金非調(diào)質(zhì)鋼是在軋制溫度下，使鋼中V，Nb，Ti等合金碳氮化合物較充分溶入奧氏體，使奧氏體充分合金化，在軋、鍛冷卻過程中析出大量微細彌散分布的合金碳氮化合物，并發(fā)生沉淀強化及先共析鐵素體呈細、小、彌散析出，分割和細化奧氏體晶粒使鋼的強度與硬度增加，基體組織顯著強化。為此，獲得相當調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的綜合力學性能，由于省去了調(diào)質(zhì)處理工序，因此稱之為微合金非調(diào)質(zhì)鋼。
2.1　國外微合金非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)及應用
　　20世紀60年代發(fā)展起來的微合金化技術(shù)為非調(diào)質(zhì)鋼的產(chǎn)生提供了理論和生產(chǎn)基礎，70年代初期發(fā)生的能源危機直接促成非調(diào)質(zhì)鋼的出現(xiàn)及發(fā)展。1972年德國THYSSEN公司開發(fā)了第一個非調(diào)質(zhì)鍛鋼49MnVS3(鐵素體-珠光體，抗拉強度850MPa)取代了調(diào)質(zhì)CK45鋼制造汽車曲軸，提高了鍛件成品率、切削加工性能、疲勞性能、生產(chǎn)效率，降低了成本，此鋼種很快在德國、瑞典等歐洲國家用于汽車曲軸、連桿等鍛件的生產(chǎn)。德國奔馳汽車曲軸使用非調(diào)質(zhì)鋼代替40CrMn調(diào)質(zhì)鋼制造，瑞典Volvo汽車制造廠在20世紀90年代初期年用量就3萬多噸，其目標是除滲碳件外，所有鍛件全部采用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)。隨后英國鋼鐵公司建立了Vanard(850～1100MPa)熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼系列，法國SAFE公司開發(fā)了一系列METASAFE鋼(800～1000MPa)[2]。此外，美國福特、意大利菲亞特及俄羅斯伏爾加汽車都采用非調(diào)質(zhì)鋼制造汽車的曲軸、連桿等零件。近年來日本研究微合金非調(diào)質(zhì)鋼最為活躍，處于世界先進水平，新日鐵、神戶制鋼、愛知制鋼、山陽特殊制鋼等相繼建立了自己的微合金非調(diào)質(zhì)鋼系列，廣泛應用于汽車的行走部件和汽車發(fā)動機的曲軸、連桿鍛造等。
2.2　中國微合金非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)進程
　　中國微合金非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)在“六五”起步，“七五”列入國家攻關(guān)項目，“八五”期間進行了重點推廣工作，“九五”和“十五”主要是面向轎車用非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)并擴大非調(diào)質(zhì)鋼的應用數(shù)量和范圍。石鋼自2003年開始進行非調(diào)質(zhì)鋼的研究和開發(fā)工作，主要進行了SG45、F40MnV和36Mn2V等微合金非調(diào)質(zhì)的生產(chǎn)，產(chǎn)量實現(xiàn)6200噸，主要用于機械行業(yè)和無縫鋼管的生產(chǎn)。
　　微合金非調(diào)質(zhì)鋼先后經(jīng)歷了鐵素體-珠光體型組織(第一代)、低碳貝氏體組織(第二代)和低碳馬氏體組織(第三代)三個階段的發(fā)展[3]。與調(diào)質(zhì)鋼相比，傳統(tǒng)熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼的強度有余而韌性不足，限制了它在強沖擊條件下的應用，因此，非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展重點是在保證強度的基礎上提高韌性。近年來，冶金科技工作者為了提高微合金非調(diào)質(zhì)鋼韌性開發(fā)并應用了一系列新技術(shù)，完善了微合金非調(diào)質(zhì)鋼的產(chǎn)品系列。
　　(1)鐵素體-珠光體型微合金非調(diào)質(zhì)鋼。鐵素體-珠光體型微合金非調(diào)質(zhì)鋼目前用量最大，約占總用量的60%以上。為了利用碳化物析出強化來達到所要求的高強度，通過增加碳含量來增加組織中珠光體的百分數(shù)，因此韌性難以滿足要求。為此，應用了一系列新技術(shù)來提高鐵素體-珠光體微合金非調(diào)質(zhì)鋼的韌性。
　　晶粒細化技術(shù)。細化晶粒能有效提高鋼的韌性，而且能保持高強度。非調(diào)質(zhì)鋼中常加入鋁、鈦等元素，通過析出細小的氮化鋁、氮化鈦來釘扎奧氏體晶界，防止加熱時晶粒長大或抑制形變過程中的奧氏體再結(jié)晶，細化奧氏體晶粒。成分為0.32C-1.0Mn-0.12V-0.024Ti的非調(diào)質(zhì)鋼加熱到1250℃時，奧氏體晶粒仍能保持在5級以上，就是因為均勻分布的粒徑0.1μm的氮化鈦顆粒起到了釘扎奧氏體晶界、防止晶粒粗化的作用。
　　晶內(nèi)鐵素體技術(shù)。非調(diào)質(zhì)鋼鍛件在冷卻過程中發(fā)生相變時，鐵素體易沿奧氏體晶界首先形核長大，隨后奧氏體的其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。如果沿珠光體晶粒形成網(wǎng)狀鐵素體就會嚴重損害鋼的韌性。日本鋼鐵公司的研究人員發(fā)現(xiàn)[4]，通過適當控制生產(chǎn)工藝，在奧氏體晶內(nèi)提供大量鐵素體形核位置，則相變時鐵素體不僅在晶界上形核，也能在奧氏體晶內(nèi)形成，故能得到細小且分布均勻的鐵素體，使鋼的韌性顯著提高。
　　IGF的析出與MnS以及MnS上析出的VN或TiN粒子有關(guān)，而MnS的析出與分布又與鋼中微細氧化物核心有關(guān)，因此鋼中氧化物的特征、種類、數(shù)量、大小就決定了MnS的數(shù)量和大小。脫氧元素不同，所形成氧化物的種類、數(shù)量及分布都不一樣，鋼中的硫含量要在0.06%左右，有利于析出IGF。硫在此處的目的不是改善切削性能，而是為了和氧化物形成復合夾雜促進IGF的形成。新日鐵高村等人提出的氧化物冶金技術(shù)就是這樣的一種思路。
　　(2)貝氏體微合金非調(diào)質(zhì)鋼。獲得高強度和良好韌性的非調(diào)質(zhì)鋼，對獲得低碳貝氏體組織比較有利。此外，為了確保高強度還必須有一定的碳含量。為了空冷得到貝氏體組織，必須在鋼中加入鉬、錳、硼等合金元素，這是因為鉬對中溫轉(zhuǎn)變的推遲作用顯著低于高溫轉(zhuǎn)變；錳達到一定含量時可使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線呈ε形，使鋼的上下C曲線分離；硼可以顯著推遲鐵素體轉(zhuǎn)變。因此，鉬-硼或錳-硼相結(jié)合可使鋼在相當寬的冷卻范圍內(nèi)得到貝氏體組織；同時錳可以降低相變溫度，改善韌性、提高強度。為了彌補碳含量降低引起的強度下降，低碳貝氏體鋼中通常加入釩、鉻等元素，確保其高強度。寶鋼生產(chǎn)的12Mn2VB貝氏體鋼，用于生產(chǎn)汽車的前橋，該鋼在軋態(tài)或經(jīng)回火的力學性能指標為:бb≥686MPa，бs≥490MPa，δ5≥17%，ψ≥45%，ak≥78J/cm2。
　　(3)馬氏體微合金非調(diào)質(zhì)鋼。1988年美國ChaparralSteel的P1H1Wright首次提出了第三代微合金非調(diào)質(zhì)鋼的概念，此類鋼具有低碳回火馬氏體組織。與貝氏體微合金非調(diào)質(zhì)鋼相似，得到低碳馬氏體非調(diào)質(zhì)鋼也能兼顧高強度和高韌性的要求，目前已經(jīng)在汽車行走部件和建筑機械方面得到應用。同時，繼鐵素體-珠光體(F-P)型、貝氏體(B)型、馬氏體(M)型微合金非調(diào)質(zhì)鋼開發(fā)應用以后，F(xiàn)-B型、F-M型復相微合金非調(diào)質(zhì)鋼因成本低，性能優(yōu)而逐漸被開發(fā)利用。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——摘自《中國金相分析網(wǎng)》