【發(fā)展戰(zhàn)略】微合金非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展及現(xiàn)狀

1、微合金非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展及現(xiàn)狀劉瑞寧 1，2，王福明 1，李 強(qiáng)2（11 北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083； 21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(yīng)用現(xiàn)狀，開(kāi)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(jìn)”戰(zhàn)略。關(guān)鍵詞: 微合金；非調(diào)質(zhì)鋼；發(fā)展；應(yīng)用. 、/.1 前言（棒材規(guī)格為 14180mm為主，其石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司是中國(guó)汽車(chē)用鋼（棒材）專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，現(xiàn)年產(chǎn)鋼能力近260萬(wàn)t，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以?xún)?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(chē)用鋼熱軋汽車(chē)棒材主要供鍛造廠鍛造成汽車(chē)零配件（如汽

2、車(chē)前橋、半軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)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(guò)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(fèi)用，德國(guó)人估計(jì)用49MnVS3lE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(ài)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(qiáng)化機(jī)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)

3、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(guò)程中析出大量微細(xì)彌散分布的合金碳氮化合物，并發(fā)生沉淀強(qiáng)化及 先共析鐵素體呈細(xì)、小、彌散析出，分割和細(xì)化奧氏體晶粒使鋼的強(qiáng)度與硬度增加，基體組織顯著強(qiáng)化。為此，獲得相當(dāng)調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的綜合力學(xué)性能，由于省去了調(diào)質(zhì)處理工序，因此稱(chēng)之為微合金非調(diào) 質(zhì)鋼。70年代初期發(fā)生的2.1 國(guó)外微合金非調(diào)質(zhì)鋼的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)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(chǔ)，能源危機(jī)直接促成非調(diào)質(zhì)鋼的出現(xiàn)及發(fā)展。1972年德國(guó)THYSSE公司開(kāi)發(fā)了第一個(gè)非調(diào)質(zhì)鍛鋼 49MnV

4、S3鐵素體-珠光體，抗拉強(qiáng)度850MPa取代了調(diào)質(zhì)CK45鋼制造汽車(chē)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(guó)、瑞典等歐洲國(guó)家用于汽車(chē)曲軸、連桿等鍛件的生產(chǎn)。德國(guó)奔馳汽車(chē)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(chē)制造廠在20世紀(jì)90年代初期年用量就3萬(wàn)多噸，其目標(biāo)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(guó)鋼鐵公司建立了 Vanard（850 1100MPa熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼系列， 法國(guó)SAFE公司開(kāi)發(fā)了一系列 METASAFF0（8001000MPa）2。此外，美國(guó)福特、意大利菲亞特及俄羅斯伏爾加汽車(chē)都采用非調(diào)質(zhì)鋼制造汽

5、車(chē)的曲軸、連桿等零件。近年來(lái)日本研究微 合金非調(diào)質(zhì)鋼最為活躍，處于世界先進(jìn)水平，新日鐵、神戶(hù)制鋼、愛(ài)知制鋼、山陽(yáng)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(yīng)用于汽車(chē)的行走部件和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、連桿鍛造等。2.2 中國(guó)微合金非調(diào)質(zhì)鋼的開(kāi)發(fā)進(jìn)程中國(guó)微合金非調(diào)質(zhì)鋼的開(kāi)發(fā)在“六五”起步，“七五”列入國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目，“八五”期間進(jìn)行了重點(diǎn) 推廣工作，“九五”和“十五”主要是面向轎車(chē)用非調(diào)質(zhì)鋼的開(kāi)發(fā)并擴(kuò)大非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用數(shù)量和范圍。石鋼自2003年開(kāi)始進(jìn)行非調(diào)質(zhì)鋼的研究和開(kāi)發(fā)工作，主要進(jìn)行了SG45 F40Mn詢(xún)36Mn2V微合金非調(diào)質(zhì)的生產(chǎn)，產(chǎn)量實(shí)現(xiàn) 6200噸，主要用于機(jī)械行業(yè)和無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)

6、。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(gè)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(qiáng)度有余而韌性不足，限制了它在 強(qiáng)沖擊條件下的應(yīng)用，因此，非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展重點(diǎn)是在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上提高韌性。近年來(lái)，冶金科技工 作者為了提高微合金非調(diào)質(zhì)鋼韌性開(kāi)發(fā)并應(yīng)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-珠光體微合金非調(diào)質(zhì)鋼的韌性。60%以上。為了利用碳化物析出強(qiáng)化來(lái)達(dá)到所要求的高強(qiáng)度，通過(guò)增加碳含量來(lái)增加組

7、織中珠光體的百分?jǐn)?shù)， 因此韌性難以滿足要求。為此，應(yīng)用了一系列新技術(shù)來(lái)提高鐵素體晶粒細(xì)化技術(shù)。細(xì)化晶粒能有效提高鋼的韌性，而且能保持高強(qiáng)度。非調(diào)質(zhì)鋼中常加入鋁、鈦等元素， 通過(guò)析出細(xì)小的氮化鋁、氮化鈦來(lái)釘扎奧氏體晶界，防止加熱時(shí)晶粒長(zhǎng)大或抑制形變過(guò)程中的奧氏體再結(jié) 晶，細(xì)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1250C時(shí)，奧氏體晶粒仍能保 持在5級(jí)以上，就是因?yàn)榫鶆蚍植嫉牧?.1卩m勺勺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(guò)程中發(fā)生相變時(shí)，鐵素體易沿奧氏體晶界首先形核長(zhǎng)大，隨 后奧氏體的其余部分

8、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(huì)嚴(yán)重?fù)p害鋼的韌性。日本鋼鐵 公司的研究人員發(fā)現(xiàn) 4 ，通過(guò)適當(dāng)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(shí)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(xì)小且分布均勻的鐵素體， 使鋼的韌性顯著提高。IGF的析出與MnSU及MnSh析出的VN或TiN粒子有關(guān)，而MnS勺析出與分布又與鋼中微細(xì)氧化物核心有關(guān)，因此鋼中氧化物的特征、種類(lèi)、數(shù)量、大小就決定了MnS勺數(shù)量和大小。脫氧元素不同，所形成氧化物的種類(lèi)、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

9、化物形成復(fù)合夾雜促進(jìn) 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(qiáng)度和良好韌性的非調(diào)質(zhì)鋼，對(duì)獲得低碳貝氏體組織比較有利。此外，為了確保高強(qiáng)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?yàn)殂f對(duì)中溫轉(zhuǎn)變的推遲作用顯著低于高溫轉(zhuǎn)變；錳達(dá)到一定含量時(shí)可使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線呈£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(dāng)寬的冷卻范圍內(nèi)得到貝氏體組織；同時(shí)錳可以降低相變溫度，改善韌性、提高強(qiáng)度。為了彌補(bǔ)碳含量降低引起的強(qiáng)度下降，低碳貝氏體鋼中通常加

10、入釩、鉻等元素，確保其高強(qiáng)度。寶鋼生產(chǎn)的12Mn2V貝氏體鋼,用于生產(chǎn)汽車(chē)的前橋，該鋼在軋態(tài)或經(jīng)回火的力學(xué)性能指標(biāo)為:6 b > 686MPa 6 s>490MPa 5 5> 17% 書(shū)> 45%, ak > 78J/cm2。馬氏體微合金非調(diào)質(zhì)鋼。1988年美國(guó)ChaparralSteel的PIHlWright首次提出了第三代微合金非調(diào)質(zhì)鋼的概念，此類(lèi)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(qiáng)度和高韌性的要求，目前已經(jīng)在汽車(chē)行走部件和建筑機(jī)械方面得到應(yīng)用。同時(shí)，繼鐵素體-珠光體(F-P)型、貝氏體(B)型、馬氏體(M)

11、型微合金非調(diào)質(zhì)鋼開(kāi)發(fā)應(yīng)用以后，F(xiàn)-B型、F-M型復(fù)相微合金非調(diào)質(zhì)鋼因成本低，性能優(yōu)而逐漸被開(kāi)發(fā)利用。各種熱鍛微合金非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌性的比較示于圖1。圖1熱鍛用微合金非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌性比較2.3微合金元素在非調(diào)質(zhì)鋼中的作用釩、鈮、鈦等合金元素是微合金非調(diào)質(zhì)鋼中最常添加的碳氮化合物形成元素，與鐵相比，它們?cè)阡撝信c碳和氮有更強(qiáng)的化學(xué)親和力，形成更穩(wěn)定的碳氮化合物，并通過(guò)細(xì)化晶粒和沉淀析出改善微合金非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能。釩: 釩是微合金化元素中最常用而又有效的強(qiáng)化元素，其主要作用是通過(guò)形成V(C, N)來(lái)影響鋼的組織和性能。V(C, N)主要在奧氏體晶界的鐵素體中沉淀析出，細(xì)化鐵素體晶粒，增加鋼的強(qiáng)度。釩對(duì)鋼

12、轉(zhuǎn)變特性也有影響,當(dāng)單獨(dú)加入釩時(shí),它并不抑制鐵素體晶粒的形成,它卻能加速珠光體的形成。在低VN鋼和不含釩的高氮鋼中只有晶界鐵素體，而無(wú)晶內(nèi)鐵素體。釩還對(duì)氮具有較強(qiáng)的親和力，活躍的氮或“自由”氮在鋼中含量高于120 X 10-6時(shí)，具有應(yīng)變時(shí)效性。當(dāng)加入少量釩后，釩與碳和“自由”氮結(jié)合形成V（C， N）化合物，降低了鋼中“自由”氮含量，使鋼具備了非應(yīng)變時(shí)效性。釩的碳氮化合物具有細(xì)化晶粒增加強(qiáng)度的作用，強(qiáng)度隨釩含量的增加呈直線增長(zhǎng)，如果釩含量超過(guò) 0.15%，其韌性則降低很多。在常規(guī)鍛造加熱溫度下，微合金非調(diào)質(zhì)鋼中的釩可完全溶解于奧氏體中，固釩的利用率高，在鋼中釩的添加量一般控制在0.08% 0.

13、13%。鈮：鈮是非調(diào)質(zhì)鋼中添加的另一主要元素。鈮要求高的奧氏體化溫度，在加熱溫度高達(dá)1200C時(shí)也能有效抑制奧氏體晶粒尺寸的長(zhǎng)大，推遲奧氏體再結(jié)晶，有強(qiáng)烈細(xì)化晶粒的作用。溶解于奧氏體中的鈮能阻止Y a相變，從而使珠光體體積分?jǐn)?shù)提高。當(dāng)碳含量為0.3%0.4%時(shí)，鈮完全固溶的溫度為13251360C。當(dāng)加熱到1100C時(shí)，鈮幾乎沒(méi)有固溶；在1300C時(shí)，只有50涸溶。鈮的固溶量少，在奧氏體中擴(kuò)散慢，在熱加工時(shí)誘導(dǎo)沉淀的碳氮化合物體積減少，因此它的沉淀強(qiáng)化作用小。所以， 用于熱鍛的微合金非調(diào)質(zhì)鋼，一般不宜單獨(dú)添加鈮。試驗(yàn)表明 : 當(dāng)復(fù)合添加鈮、釩元素時(shí)，既能提高鋼的強(qiáng)度又能改善鋼的韌性。鈦: 鈦的

14、作用與鈮相似，其溶解溫度比鈮更高，固細(xì)化晶粒作用比鈮更強(qiáng)。在鍛造溫度條件下，鈦在奧氏體中的溶解度很低，因此不能將鈦用作鍛鋼中產(chǎn)生析出強(qiáng)化的添加元素，鈦的化合物可作為晶內(nèi)鐵素體的核心，提高鋼的韌性。在微合金非調(diào)質(zhì)鋼中，鈦的含量為0.0.%0.04%6。鈦的氮化物TiN在高溫下穩(wěn)定，加入 0.0.% 左右的鈦可以有效保護(hù)鍛造過(guò)程中奧氏體晶粒的細(xì)小 7 。另外，氮在含釩微合金非調(diào)質(zhì)鋼中以化合物的形式存在，其主要作用是促進(jìn)釩的析出，提高沉淀析出強(qiáng)化效果，細(xì)化晶粒，提高 TiN的穩(wěn)定性和節(jié)約釩合金等。2.4 微合金非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀近幾年來(lái)，寶鋼、攀鋼、東北特鋼、興澄特鋼等特鋼企業(yè)和研究院所合作，成功地

15、將中國(guó)自行開(kāi)發(fā)的鐵素體 - 珠光體、貝氏體、低碳馬氏體型等微合金非調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用于制作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、汽車(chē)前橋等零件。其中，一汽先后應(yīng)用 35MnVS 38MnVTi, 42VS, 40MnV代替55鋼，40MnB 45鋼，40Cr鋼在CA6102連桿、CA141半軸、滑動(dòng)叉、輕型車(chē)扭臂等零件進(jìn)行了試驗(yàn)研究；二汽公司自1978年開(kāi)發(fā)應(yīng)用微合金非調(diào)質(zhì)鋼以來(lái)，已先后對(duì)東風(fēng)系列汽車(chē)的20余種零件采用微合金非調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行了試制，采用35MnVt替40MnB生產(chǎn)EQ610發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，采用48MnV弋替40Cr生產(chǎn)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等，部分已實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。另外，江鈴汽車(chē)、南京汽車(chē)、天津汽車(chē)等汽車(chē)制造廠的微

16、合金非調(diào)質(zhì)鋼用量也逐年大幅度增加。從用材工藝技術(shù)分析, 在汽車(chē)車(chē)身、車(chē)身附件及零件、變速箱總成、驅(qū)動(dòng)橋總成、懸掛減震器、離合器及零件，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及零件 中有15%的鋼結(jié)構(gòu)零件可用微合金非調(diào)質(zhì)鋼代替。目前，部分用戶(hù)的微合金非調(diào)質(zhì)鋼使用情況見(jiàn)表2.5國(guó)內(nèi)生產(chǎn)情況目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)微合金非調(diào)質(zhì)鋼的廠家主要集中在特鋼企業(yè)，除攀鋼、興澄特鋼、東北特鋼等企業(yè)外, 年產(chǎn)量大都在萬(wàn)噸以下。2.5.1生產(chǎn)工藝目前國(guó)內(nèi)微合金非調(diào)質(zhì)鋼的生產(chǎn)廠家以特鋼廠電爐冶煉（短流程）為主，生產(chǎn)工藝為：電爐冶煉T LF（VD）爐T模鑄（連鑄）T軋鋼（控軋）T成品（控冷），只有個(gè)別生產(chǎn)廠家采用轉(zhuǎn)爐冶煉（攀鋼、寶鋼等）（表2）。2.5.2執(zhí)行

17、標(biāo)準(zhǔn)情況1996年3月1日實(shí)施的微合金非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼GB/T157121995標(biāo)準(zhǔn)中按加工方法的不同將微合金非調(diào)質(zhì)鋼分為鍛造和切削用非調(diào)質(zhì)鋼兩類(lèi)共9個(gè)牌號(hào)，從金相組織上來(lái)講全部屬于鐵素體-珠光體型。而冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼、高強(qiáng)度高韌性非調(diào)質(zhì)鋼（包括鐵素體-珠光體型、低碳貝氏體型、低碳馬氏體型）等均未列入該標(biāo)準(zhǔn)。按照調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度級(jí)別BS970標(biāo)準(zhǔn)，把微合金非調(diào)質(zhì)鋼劃分為四個(gè)強(qiáng)韌性級(jí)別，中國(guó)研制的非調(diào)質(zhì)鋼種（GB/T15712 1995）已達(dá)到前兩個(gè)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)際上20世紀(jì)90年代初期水平相當(dāng)。目前執(zhí)行的“非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)”涵蓋鋼種面較小，只占現(xiàn)在顧客使用微合金非調(diào)質(zhì)鋼牌號(hào)中的30%左右。國(guó)內(nèi)一些合資汽車(chē)制造廠在引進(jìn)生產(chǎn)工藝、技術(shù)的同時(shí)，所使用的材料為進(jìn)口非調(diào)質(zhì)鋼，雖然部分材料已逐漸國(guó)產(chǎn)化，但仍按相應(yīng)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行生產(chǎn)，如上汽、長(zhǎng)安汽車(chē)、江鈴汽車(chē)使用德國(guó)牌號(hào)49MnVS生產(chǎn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等，該類(lèi)用戶(hù)約有