国内外非调质钢的发展与研究动向.doc

国内外非调质钢的发展与研究动向 成型132 李宜东 130616207 非调质钢是在中碳锰钢的基础上加入钒、钛、铌微合金化元素，使其在加热过程中溶于奥氏体中，因奥氏体中的钒、钛、铌的固溶度随着冷却而减小，微合金元素钒、钛、铌将以细小的碳化物和氮化物形式在先析出的铁素体和珠光体中析出。这些析出物与母相保持共格关系，使钢强化。这类钢在热轧状态、锻造状态或正火状态的力学性能右接近达到一般质状态的力学性能水平，因此，在应用时可省略掉调质处理工序，既缩短了生产周期，又节省了能源。非调质钢的力学性能取决于基体显微组织和析出相的强化。非调质钢分为热锻用非调质钢、直接切削用非调质钢、冷作强公非调质钢和高韧性非调质钢。热锻用非调质钢用于热锻件(如曲轴、连杆等)，直接切削用非调质钢用热轧件直接加式成零件，冷作强化非调质钢用于标准件(如螺栓、螺母等)，高韧性非调质钢用于要求韧性较高的零部件。由于非调质钢不经热处理在锻造或轧制状态，即具有优良的综合性能的新型结构钢，故广泛的应用在汽车、拖拉机、摩托车、机床、油田钻井、石油输送管线、模具、标准件、船板、建筑钢筋、炮弹等方面。1、国内外微合金非调质钢的发展应用现状 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。 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(8501100MPa)热锻用非调质钢系列，法国SAFE公司开发了一系列METASAFE钢(8001000MPa)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。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0.1m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:b686MPa，s490MPa，517%，45%，ak78J/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。2、微合金调质钢的研究动向1.微合金化非调质钢工程设计 作为概念必须了解现代化的微合金化非调质钢的生产是微合金化元素的应用和TMCP或其拓展工艺相结合。所以，钢质设计分为两个部分即采用Nb、V、Ti、B等的微合金化元素和控制加工热处理及其冷却控制工艺。各种冶金因素的控制水平决定了生产钢的主要性能指标。2.锻造微合金化非调质钢 这类高强度非调质钢生产技术要求高，不易掌握。在锻造过程中各部位变形量不一，温度分布不均匀，奥氏体晶粒变形与再结晶倾向复杂多变，最易生产混晶和晶粒异常长大。因而淬透性产生不均匀的变化。因此化学成分与工艺设计要解决如下三个问题。3.拓宽非再结晶热加工温度区间 即提高再结晶停止温度（Tnr）1，降低Ar3转变温度。铌是提高Tnr降低Ar3最有效的元素。铌即可提高Tnr又可降低Ar3点使控轧温度拓宽为200左右，对温度不均匀的晶粒控制极为有利。非再结晶区的加工，变形量可累加计总变形量，因而能够防止临界变形对晶粒度的影响。4.混晶现象的解决技术 晶粒粗化开始领先于晶粒细化质点的完全溶解，并发生于质点粗化到某临半径rc时。Ro是基体奥氏体晶粒半径，f是晶粒细化质点的体积分数，Z是粗大晶粒与其相邻小晶粒的半径之比，称之为混晶比。当Ostwald成熟时，即溶度积平衡，体积分数f不变，但小于rc的质点溶解，而大于rc质点长大，结果阻止晶粒长大的质点密度下降，质点对晶界的“钉札”作用失去平衡，表面自由能较大的小晶粒被相邻的大晶粒吞蚀，大晶粒继续长，继续下去变成晶粒异常长大。热加工应避开混晶区。Nb的混晶区最高，Nb微合金化钢的混晶区，也因析出物的稳定性的提高而提高