微合金非调质钢的发展及现状

微合金非调质钢的发展及现状刘瑞宁1，2，王福明1，李强2(11北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；21石家庄钢铁公司技术中心，河北石家庄050031)摘要:介绍了微合金非调质钢的发展及其应用现状，开发微合金非调质钢符合钢铁产业发展政策和石钢公司的“边缘-精进”战略。关键词:微合金；非调质钢；发展；应用1前言石家庄钢铁有限责任公司是中国汽车用钢(棒材)专业化生产企业，现年产钢能力近260万t，产品结构以优质碳素结构钢、合金结构钢、齿轮钢、轴承钢等五大系列汽车用钢(棒材规格为Φ14～180mm)为主，其热轧汽车棒材主要供锻造厂锻造成汽车零配件(如汽车前桥、半轴、转向节、发动机曲轴、连杆等)。微合金非调质钢是一种理想的节约能源、节约资源的经济型新材料，符合钢铁产业发展政策要求，其用途十分广泛:凡是加工过程中需要调质的钢(如45，40Cr等)均可用非调质钢替代；省略调质工序，可省去占调质钢生产总成本6%的热处理(淬火+高温回火)费用，德国人估计用49MnVS3非调质钢代替调质钢做连杆可节约总成本的38%。日本爱知公司分析，微合金非调质钢因省略调质处理这一工序，就可使热锻产品的成本降低18%[1]。2微合金非调质钢的发展微合金非调质钢强化机理不同于调质钢。调质钢是将轧、锻后钢材重新加热淬火再经高温回火获得所需组织性能。而微合金非调质钢是在轧制温度下，使钢中V，Nb，Ti等合金碳氮化合物较充分溶入奥氏体，使奥氏体充分合金化，在轧、锻冷却过程中析出大量微细弥散分布的合金碳氮化合物，并发生沉淀强化及先共析铁素体呈细、小、弥散析出，分割和细化奥氏体晶粒使钢的强度与硬度增加，基体组织显著强化。为此，获得相当调质钢经调质处理后的综合力学性能，由于省去了调质处理工序，因此称之为微合金非调质钢。2.1国外微合金非调质钢的开发及应用20世纪60年代发展起来的微合金化技术为非调质钢的产生提供了理论和生产基础，70年代初期发生的能源危机直接促成非调质钢的出现及发展。1972年德国THYSSEN公司开发了第一个非调质锻钢49MnVS3(铁素体-珠光体，抗拉强度850MPa)取代了调质CK45钢制造汽车曲轴，提高了锻件成品率、切削加工性能、疲劳性能、生产效率，降低了成本，此钢种很快在德国、瑞典等欧洲国家用于汽车曲轴、连杆等锻件的生产。德国奔驰汽车曲轴使用非调质钢代替40CrMn调质钢制造，瑞典Volvo汽车制造厂在20世纪90年代初期年用量就3万多吨，其目标是除渗碳件外，所有锻件全部采用非调质钢生产。随后英国钢铁公司建立了Vanard(850～1100MPa)热锻用非调质钢系列，法国SAFE公司开发了一系列METASAFE钢(800～1000MPa)[2]。此外，美国福特、意大利菲亚特及俄罗斯伏尔加汽车都采用非调质钢制造汽车的曲轴、连杆等零件。近年来日本研究微合金非调质钢最为活跃，处于世界先进水平，新日铁、神户制钢、爱知制钢、山阳特殊制钢等相继建立了自己的微合金非调质钢系列，广泛应用于汽车的行走部件和汽车发动机的曲轴、连杆锻造等。2.2中国微合金非调质钢的开发进程中国微合金非调质钢的开发在“六五”起步，“七五”列入国家攻关项目，“八五”期间进行了重点推广工作，“九五”和“十五”主要是面向轿车用非调质钢的开发并扩大非调质钢的应用数量和范围。石钢自2003年开始进行非调质钢的研究和开发工作，主要进行了SG45、F40MnV和36Mn2V等微合金非调质的生产，产量实现6200吨，主要用于机械行业和无缝钢管的生产。微合金非调质钢先后经历了铁素体-珠光体型组织(第一代)、低碳贝氏体组织(第二代)和低碳马氏体组织(第三代)三个阶段的发展[3]。与调质钢相比，传统热锻用非调质钢的强度有余而韧性不足，限制了它在强冲击条件下的应用，因此，非调质钢的发展重点是在保证强度的基础上提高韧性。近年来，冶金科技工作者为了提高微合金非调质钢韧性开发并应用了一系列新技术，完善了微合金非调质钢的产品系列。(1)铁素体-珠光体型微合金非调质钢。铁素体-珠光体型微合金非调质钢目前用量最大，约占总用量的60%以上。为了利用碳化物析出强化来达到所要求的高强度，通过增加碳含量来增加组织中珠光体的百分数，因此韧性难以满足要求。为此，应用了一系列新技术来提高铁素体-珠光体微合金非调质钢的韧性。晶粒细化技术。细化晶粒能有效提高钢的韧性，而且能保持高强度。非调质钢中常加入铝、钛等元素，通过析出细小的氮化铝、氮化钛来钉扎奥氏体晶界，防止加热时晶粒长大或抑制形变过程中的奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒。成分为0.32C-1.0Mn-0.12V-0.024Ti的非调质钢加热到1250℃时，奥氏体晶粒仍能保持在5级以上，就是因为均匀分布的粒径0.1μm的氮化钛颗粒起到了钉扎奥氏体晶界、防止晶粒粗化的作用。晶内铁素体技术。非调质钢锻件在冷却过程中发生相变时，铁素体易沿奥氏体晶界首先形核长大，随后奥氏体的其余部分转变为珠光体。如果沿珠光体晶粒形成网状铁素体就会严重损害钢的韧性。日本钢铁公司的研究人员发现[4]，通过适当控制生产工艺，在奥氏体晶内提供大量铁素体形核位置，则相变时铁素体不仅在晶界上形核，也能在奥氏体晶内形成，故能得到细小且分布均匀的铁素体，使钢的韧性显著提高。IGF的析出与MnS以及MnS上析出的VN或TiN粒子有关，而MnS的析出与分布又与钢中微细氧化物核心有关，因此钢中氧化物的特征、种类、数量、大小就决定了MnS的数量和大小。脱氧元素不同，所形成氧化物的种类、数量及分布都不一样，钢中的硫含量要在0.06%左右，有利于析出IGF。硫在此处的目的不是改善切削性能，而是为了和氧化物形成复合夹杂促进IGF的形成。新日铁高村等人提出的氧化物冶金技术就是这样的一种思路。(2)贝氏体微合金非调质钢。获得高强度和良好韧性的非调质钢，对获得低碳贝氏体组织比较有利。此外，为了确保高强度还必须有一定的碳含量。为了空冷得到贝氏体组织，必须在钢中加入钼、锰、硼等合金元素，这是因为钼对中温转变的推迟作用显著低于高温转变；锰达到一定含量时可使奥氏体等温转变曲线呈ε形，使钢的上下C曲线分离；硼可以显著推迟铁素体转变。因此，钼-硼或锰-硼相结合可使钢在相当宽的冷却范围内得到贝氏体组织；同时锰可以降低相变温度，改善韧性、提高强度。为了弥补碳含量降低引起的强度下降，低碳贝氏体钢中通常加入钒、铬等元素，确保其高强度。宝钢生产的12Mn2VB贝氏体钢，用于生产汽车的前桥，该钢在轧态或经回火的力学性能指标为:бb≥686MPa，бs≥490MPa，δ5≥17%，ψ≥45%，ak≥78J/cm2。(3)马氏体微合金非调质钢。1988年美国ChaparralSteel的P1H1Wright首次提出了第三代微合金非调质钢的概念，此类钢具有低碳回火马氏体组织。与贝氏体微合金非调质钢相似，得到低碳马氏体非调质钢也能兼顾高强度和高韧性的要求，目前已经在汽车行走部件和建筑机械方面得到应用。同时，继铁素体-珠光体(F-P)型、贝氏体(B)型、马氏体(M)型微合金非调质钢开发应用以后，F-B型、F-M型复相微合金非调质钢因成本低，性能优而逐渐被开发利用。各种热锻微合金非调质钢的强韧性的比较示于图1。图1热锻用微合金非调质钢强韧性比较2.3微合金元素在非调质钢中的作用钒、铌、钛等合金元素是微合金非调质钢中最常添加的碳氮化合物形成元素，与铁相比，它们在钢中与碳和氮有更强的化学亲和力，形成更稳定的碳氮化合物，并通过细化晶粒和沉淀析出改善微合金非调质钢的力学性能。钒:钒是微合金化元素中最常用而又有效的强化元素，其主要作用是通过形成V(C，N)来影响钢的组织和性能。V(C，N)主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，细化铁素体晶粒，增加钢的强度。钒对钢转变特性也有影响，当单独加入钒时，它并不抑制铁素体晶粒的形成，它却能加速珠光体的形成。在低VN钢和不含钒的高氮钢中只有晶界铁素体，而无晶内铁素体。钒还对氮具有较强的亲和力，活跃的氮或“自由”氮在钢中含量高于120×10-6时，具有应变时效性。当加入少量钒后，钒与碳和“自由”氮结合形成V(C，N)化合物，降低了钢中“自由”氮含量，使钢具备了非应变时效性。钒的碳氮化合物具有细化晶粒增加强度的作用，强度随钒含量的增加呈直线增长，如果钒含量超过0.15%，其韧性则降低很多。在常规锻造加热温度下，微合金非调质钢中的钒可完全溶解于奥氏体中，固钒的利用率高，在钢中钒的添加量一般控制在0.08%～0.13%。铌:铌是非调质钢中添加的另一主要元素。铌要求高的奥氏体化温度，在加热温度高达1200℃时也能有效抑制奥氏体晶粒尺寸的长大，推迟奥氏体再结晶，有强烈细化晶粒的作用。溶解于奥氏体中的铌能阻止γ→α相变，从而使珠光体体积分数提高。当碳含量为0.3%～0.4%时，铌完全固溶的温度为1325～1360℃。当加热到1100℃时，铌几乎没有固溶；在1300℃时，只有50%固溶。铌的固溶量少，在奥氏体中扩散慢，在热加工时诱导沉淀的碳氮化合物体积减少，因此它的沉淀强化作用小。所以，用于热锻的微合金非调质钢，一般不宜单独添加铌。试验表明:当复合添加铌、钒元素时，既能提高钢的强度又能改善钢的韧性。钛:钛的作用与铌相似，其溶解温度比铌更高，固细化晶粒作用比铌更强。在锻造温度条件下，钛在奥氏体中的溶解度很低，因此不能将钛用作锻钢中产生析出强化的添加元素，钛的化合物可作为晶内铁素体的核心，提高钢的韧性。在微合金非调质钢中，钛的含量为0.0.%～0.04%[6]。钛的氮化物TiN在高温下稳定，加入0.0.%左右的钛可以有效保护锻造过程中奥氏体晶粒的细小[7]。另外，氮在含钒微合金非调质钢中以化合物的形式存在，其主要作用是促进钒的析出，提高沉淀析出强化效果，细化晶粒，提高TiN的稳定性和节约钒合金等。2.4微合金非调质钢的应用现状近几年来，宝钢、攀钢、东北特钢、兴澄特钢等特钢企业和研究院所合作，成功地将中国自行开发的铁素体-珠光体、贝氏体、低碳马氏体型等微合金非调质钢应用于制作汽车发动机曲轴、连杆、汽车前桥等零件。其中，一汽先后应用35MnVS，38MnVTi，42VS，40MnVS代替55钢，40MnB，45钢，40Cr钢在CA6102连杆、CA141半轴、滑动叉、轻型车扭臂等零件进行了试验研究；二汽公司自1978年开发应用微合金非调质钢以来，已先后对东风系列汽车的20余种零件采用微合金非调质钢进行了试制，采用35MnV代替40MnB生产EQ6100发动机连杆，采用48MnV代替40Cr生产康明斯发动机曲轴等，部分已实现大批量生产。另外，江铃汽车、南京汽车、天津汽车等汽车制造厂的微合金非调质钢用量也逐年大幅度增加。从用材工艺技术分析，在汽车车身、车身附件及零件、变速箱总成、驱动桥总成、悬挂减震器、离合器及零件，转向系统及零件中有15%的钢结构零件可用微合金非调质钢代替。目前，部分用户的微合金非调质钢使用情况见表1。2.5国内生产情况目前国内生产微合金非调质钢的厂家主要集中在特钢企业，除攀钢、兴澄特钢、东北特钢等企业外，年产量大都在万吨以下。2.5.1生产工艺目前国内微合金非调质钢的生产厂家以特钢厂电炉冶炼(短流程)为主，生产工艺为:电炉冶炼→LF(VD)炉→模铸(连铸)→轧钢(控轧)→成品(控冷)，只有个别生产厂家采用转炉冶炼(攀钢、宝钢等)(表2)。2.5.2执行标准情况1996年3月1日实施的微合金非调质机械结构钢GB/T15712—1995标准中按加工方法的不同将微合金非调质钢分为锻造和切削用非调质钢两类共9个牌号，从金相组织上来讲全部属于铁素体-珠光体型。而冷作强化非调质钢、高强度高韧性非调质钢(包括铁素体-珠光体型、低碳贝氏体型、低碳马氏体型)等均未列入该标准。按照调质钢强度级别BS970标准，把微合金非调质钢划分为四个强韧性级别，中国研制的非调质钢种(GB/T15712—1995)已达到前两个级别标准，与国际上20世纪90年代初期水平相当。目前执行的“非调质机械结构钢标准”涵盖钢种面较小，只占现在顾客使用微合金非调质钢牌号中的30%左右。