低碳铌微合金化冷镦钢的开发及优势分析

低碳铌微合金化冷镦钢的开发及优势分析全球大约80%的铌用来生产微合金化钢，其中近90%铌微合金化钢是热轧扁平材。几十年来，尽管铌作为扁平钢材中的首选微合金化元素被广泛采用，但它在工程用钢中的使用相当有限。不过，用户和零部件制造商对扁平材中成熟的铌应用技术帮助实现工程零部件性能的改善表现出越来越浓的兴趣。例如，铌在汽车用紧固件、弹簧和表面硬化零件等热处理钢中得到应用，且它们的强度在过去20年明显增加。在长材中，冷镦用棒线材是微合金化应用最早的品种。冷镦是一种用来生产汽车、建筑、航空、铁道、采矿和电力行业用紧固件、螺栓、小型曲轴、转向杆等各种零件的工艺。冷镦是指对棒线材坯料进行冷加工，在坯料一端施加冲击压应力以形成端头的过程。在成型过程中没有外部热源加热。冷镦时变形速度高，应变速率超过100s-1。使用传统冷镦钢的零件加工过程由几个工序组成。首先对热轧中碳棒线材进行球化退火处理，使钢软化，从而能够进行拉拔和冷镦等冷成型工序，之后进行调质（淬回火）处理，获得零件所需的力学性能，随后根据需要进行表面处理，见图1。通常，这类调质钢含0.20%-0.40%C，其中，碳保证钢的硬度，合金元素提供高的淬透性。冷镦用AISI钢种有10XX、10BXX、13XX、15XX、40XX、41XX、51XX和86XX，其中XX是指钢种的碳含量。原创图1：典型冷镦过程示意图球化退火热处理的目的是使组织中片层石墨结构球化，从而改善钢的塑性，减少工具磨损和失效。不过，传统冷镦工艺存在两大缺陷：球化和调质过程耗能高、花费时间长。而且，根据零件的断面尺寸不同，钢中可能要加入合金元素来提高其淬透性。这些材料和工艺成本造成零件最终成本高，使得加工成本高、耗时长。即使在调质处理后获得的回火马氏体组织提供了钢材所需的高强度要求，但存在组织不均匀、淬火开裂、扭曲以及在镀层等表面处理过程中由于氢侵入导致静载条件下延迟断裂等问题。降低能耗成本和改善零件使用性能的要求，导致低碳、铌硼复合微合金化钢种的开发。2、微合金化冷镦钢开发冷镦加工用钢需要具备以下特征：1）足够的塑性以能够在冷成型过程中充满模具型腔和不断裂；2）成型后零件强度高，能承受服役载荷和疲劳；3）零件的韧性足以抵抗在服役过程中由于不可避免或无法检测出的缺陷存在而导致的断裂。冷成型加工领域良好的替代材料将是那些不依靠高碳含量、而是由其组织来保证高强度的钢种。已经在扁平材中得到广泛应用的低碳、硼和铌微合金化的理念具有潜在作用，并应用到紧固件等长材生产中。硼可以明显提高钢的淬透性，这是由于硼抑制奥氏体-铁素体相变，并促进低温相变产物，如退化的珠光体或上贝氏体形成。另一方面，加入铌，通过多种机制提供高的强化效应：1）晶粒细化；2）降低奥氏体-铁素体转变温度；3）析出强化。铌、硼复合加入，产生更强的综合作用，延迟奥氏体-铁素体相变，即使在空冷条件下，在较厚断面中也能实现均匀的低碳贝氏体组织。获得的低碳贝氏体组织提供高强、良好的塑性和韧性等好的性能配合。研究B、Nb和B+Nb在低碳钢中的作用，进而分析这些钢的冷镦特性，结果表明，钢在拉拔过程中表现出非常高的伸长率。这些钢首先在非常低的精轧温度下（约840℃）控轧成棒线，然后控冷，获得低碳贝氏体组织。加工硬化行为至关重要，这是因为紧固件所需的强度水平可以通过冷加工实现。C-Mn-B钢需要轧态具有最低50%的伸长率以达到所需的抗拉强度水平，强度范围在800-1000MPa，这是SAE8.8级螺栓要求的水平，伸长率最大达到300%。另一方面，C-Mn-Nb-B钢在其含有一些马/奥岛（MA）的贝氏体组织中具有高密度位错，其加工硬化行为比C-Mn-B钢更好，在约60%伸长后达到SAE10.9级螺栓的强度水平。需要提出的是，后续冷镦加工残余塑性值总是超过40%，这说明在冷镦全过程中坯料仍具有非常好的冷镦加工塑性。对比使用低碳铌微合金化贝氏体钢和传统淬回火（Q&T）钢生产的螺栓的强度水平，可以看出，尽管低碳贝氏体钢平均强度水平稍低些，但仍然满足8.8级螺栓要求的技术指标。然后，从标准偏差值可以看出，低碳贝氏体钢的强度分布比传统调质钢稍好些。此外，在接近螺栓端头的表面硬度值方面，低碳贝氏体钢的硬度值稍高于传统Q&T钢，这是由于大的冷加工变形量造成的。在另一个工作中，发现低碳贝氏体组织的存在，使钢具有良好的韧性，这一结果如表1所示。利用Nb微合金化技术，成功地开发出从8.8级（抗拉强度≥800MPa）到12.9级（抗拉强度≥1200MPa）的各种强度级别的紧固件。原创表1：8级螺栓用各种高强冷镦钢的最终性能低碳微合金化钢具有与传统Q&T钢相同的力学性能，同时，它也具有如果不是更佳、至少相同的疲劳性能。研究冷镦用低碳微合金化钢和传统调质钢的典型S-N曲线可以看出，在相同的周期应力作用下，冷镦低碳微合金钢具有更长的寿命。一般认为，冷镦螺栓这种优异的疲劳性能是由于在螺纹根部的冷加工阻碍了疲劳裂纹的萌生。传统钢在Q&T处理后车螺纹也能获得好的疲劳性能，不过，由于该过程的复杂性，造成成本增加，不具有吸引力。强度超过1000MPa承载钢的另一重要方面是延迟断裂，这可能是螺栓用钢潜在的严重问题。这样高强度的钢需要高抗延迟断裂强度。通过铌微合金化，实现奥氏体晶粒细化改善延迟断裂，同时，形成的细小碳氮化铌颗粒有效地起氢原子“陷阱”的作用，因此降低延迟断裂倾向。3、低碳微合金化冷镦钢优势冷镦高质量螺栓也可以采用低碳铌微合金化钢生产，不再需要中间软化（球化退火）热处理和最终的调质处理就可以实现所需的强度水平。使用低碳微合金化冷镦钢的诸多优势如下：消除球化退火热处理工序，显著节省能源成本，缩短工艺周期时间。估计这一过程的直接能源成本节省在1000kWh/t钢。由于低碳微合金钢具有非常高的冷成型性能，所有的变形可以在一个工序内完成。另一方面，传统Q&T钢根据化学成分不同，变形可能需要在经中间退火的工序中进行。省略成型后的硬化热处理工序，进一步降低能源成本、减少工艺周期时间。该工序的直接能源成本节省在3000kWh/t钢。低碳微合金钢没有使用Cr、Mo等昂贵合金元素，因此大幅降低合金成本。多相组织（贝氏体+MA）通常具有低的氢致开裂倾向性，因此在镀层零件中的延迟断裂敏感性低。不会发生传统Q&T钢螺栓在热处理过程中出现的表面脱碳现象。4、结语在紧固件应用方面，低碳铌微合金化冷镦钢有替代传统中碳调质钢的潜力。钢中较低的碳含量及加入微量铌，两者共同作用产生贝氏体组织，在加工硬化后钢材具有良好的塑性和高的强度水平，导致能源成本和合金成本显著降低，同时由于消除了传统冷镦用调质钢的球化处理和调质热处理工序，生产率得到大幅提高。铌的加入也提高了材料的疲劳和延迟断裂强度。