铌在汽车业工程用钢中的应用.doc

铌在汽车工程用钢中的应用Christian Klinkenberg等摘要：在过去十年中，欧洲汽车用带钢和薄板中铌的用量增长了三倍。不断地提高强度与优良的抗疲劳性、成形性和焊接性相结合，是带材和板材用高强度钢和先进高强钢开发的重点。目前为止，微合金化钢的巨大潜力在锻件和弹簧应用方面仍未得到发挥。本文通过汽车传动装置、悬架和弹簧等部件介绍特殊钢的新材料方案，其加工工艺的使用性能得到优化。对低、中、高碳铌微合金化钢的加工、应用以及冶金背景给予了特殊考虑。铌冶金技术能在减碳的情况下保证钢的强度，使高强度与优良的韧性、抗疲劳强度和焊接性能相结合，以较经济的成本满足用户苛刻的要求。关键词：锻件 工程用钢 表面硬化 铁素体-珠光体钢 微合金化 铌1前言微合金化钢薄板和中厚板已成为管线、汽车和建筑用钢的标准材料，自从上世纪六十年代以来，微合金化钢种得到了快速发展，使不断提高的强度与优良的韧性和焊接性能完美地结合在一起。然而，在汽车业工程用钢方面微合金化高强度钢的潜力却一直没有发挥出来，而另一方面，用户和钢铁生产商正希望这项成熟技术能够进一步减轻汽车重量。一辆普通乘用车一般包含约180kg的特种长条钢材，另外排气系统还用不锈钢部件。本文介绍铌微合金化钢应用于汽车用锻件、弹簧和排气系统的冶金背景和实例。铌对钢的机械性能具有三重影响：热机械成形过程中细化晶粒，降低的转变温度（Ar3）以及析出硬化。晶粒细化是同时增加强度、韧性和延性的唯一机理，这使铌成为最有效的微合金化元素，即使添加量很小亦表现出明显效果，如图1所示1。铌的晶粒细化作用主要是由于在最后热成形阶段延迟或阻止再结晶；伸长晶粒和奥氏体较高的位错密度促进铁素体成核；同时，通过降低的转变温度固溶铌增强铁素体的成核速率并减缓晶粒增长速率。这种综合作用产生了一个特别细晶的转变组织。为了充分发挥铌的冶金潜力，必须以足够的加热温度在热成形之前溶解Nb（C、N）析出物，使铌成为固溶体。图1 微合金化元素对0.08%C、0.90%Mn钢延性和强度的作用；强度和韧性的提高得益于沉淀和晶粒细化工程用钢主要指锻造用钢，如冷镦钢、弹簧钢和滚珠轴承钢以及表面淬硬钢、调质钢（QT）等。因为工程用钢的碳含量较高，所以必须确保前述机理在碳含量范围内起作用，即0.2质量%（表面淬硬钢）至0.7质量%（弹簧钢）。另外，包括几个热处理工序（如软退火、调质、消除应力退火）的汽车部件加工工艺与钢带和钢板生产工艺有明显区别。图2示意性描述了部件制造前后的热处理工艺。与低碳微合金化钢加工过程相比，这些热处理工艺要求A3以上的高退火温度和/或长达数小时的处理时间。在整个处理过程中必须考虑微合金化的不同作用。本文以表面淬硬钢为例探讨工程用钢微合金化的基本原理。转变温度T35J的增量（）、屈服强度增量（N/mm2）、/析出、/晶粒细化图1 微合金化元素通过析出和晶粒细化对0.08%C、0.90%Mn钢延性和强度的作用2锻造用钢表面淬硬钢。汽车部件（如传动装置）必须满足复杂的要求。这种锻件的表面通常接受渗碳和淬火处理，给坚韧的内芯增添一个坚硬的表面，将优良的耐磨性能与疲劳强度相结合。常规的渗碳工艺施加880930的奥氏体化温度，保持20h后获得一个约2mm厚的渗碳层。将渗碳温度提高至10501100可使处理时间减少近60%2。不过，温度提高后将导致相当多的奥氏体晶粒长大。除化学成分和淬透性以外，奥氏体晶粒尺寸是影响表面淬硬钢的另一个重要因素。它影响淬硬区和工件芯部的转变行为，显微组织和机械性能；均匀的奥氏体细晶尺寸分布减少淬火后机械性能的散布；更加均匀的硬度分布减少工件的变形。过去，通常用Al和N进行钢微合金化，以实现足够的细晶稳定性。近年来，有关添加铌和钛产生的效果屡见报道如3。微合金化可能既阻止晶粒长大，又能产生更加均匀的细晶组织。表1 给出了欧标EN10084规定的典型渗碳钢16MnCr5的化学成分和不同微合金化变量的示例。该规范允许根据用户协议添加微合金化元素。为评估和确定晶粒粗化对表面淬硬钢机械性能的影响，必须界定晶粒尺寸分布的目标区域。根据钢材用户的通常做法，晶粒粗化温度（GCT）与以下限制有关：所有晶粒必须为ASTM晶粒度第5级或更细；ASTM第4和第3级晶粒最多容忍至10%的体积分数；ASTM第2级或更粗的晶粒是不允许的。表1 渗碳钢化学成分；灰色区域指用于晶粒细化的合金化方案钢号CSiMnNiCrMoAlNTiNb基材（16MnCr5）0.180.221.050.140.920.060.0330.008-基材+Nb0.160.281.120.121.010.030.0220.013-0.032基材+Al、N、Nb0.190.230.75-1.190.020.0400.026-0.045基材+N、Ti、Nb0.170.301.350.151.120.040.0160.0190.0160.055图3示出了用90%累积频率（受观测晶粒的90%小于显示的ASTM晶粒尺寸）法分析的受试钢号奥氏体晶粒长大行为。基钢加Al、N和Nb的晶粒尺寸在1075的模拟渗碳温度以内表现出稳定性，具体取决于Nb（C、N）与AlN的综合作用5。AlN颗粒阻止晶粒长大，直到1075奥斯特瓦尔德成熟现象发生时这种作用才失效。一旦AlN颗粒溶解以后，氮化铌粗晶在较高温度下的形成不能有效地阻止晶粒长大。相比之下，较细的铌析出物在高温退火期间能明显减少奥氏体晶粒的生长。16MnCr5基钢加铌材料含有细Nb（C、N）析出物，对晶粒稳定起到更为有效的作用。图3中还显示出铌与钛组合添加中基钢成分中的效果，细TiN颗粒充当铌析出物的晶核，GCT（晶粒粗化温度）移至近11505。机加工。淬火后的变形量直接关系到硬加工成本。如果淬火是从标准硬化温度进行的，则提高的渗碳温度不会使变形加剧。不过，由晶界固定析出物获得的更加均匀的晶粒尺寸分布使变形散布明显减少，如图4所示6。变形的散布定义为由平均变形划分的最大和最小观测变形之差。这样，可减少甚至避免磨削和搪磨之类的成本较高的工序。temperature/温度、deformation/变形、as-rolled condition/轧制状态、annealed to defined strength/退火至指定强度、soft annealed/软退火、normalized/正火、annealed to ferrite-pearlitic microstructure/退火至铁素体-珠光体组织图2 中碳钢不同热处理工艺的时间-温度周期cumulated frequency/累积频率、Base/基材、temperature/温度图3 表面硬化温度对晶粒尺寸的影响根据3；奥氏体化时间：2h 47min并且油淬机械性能。与一些新技术新工艺（如真空渗碳与高压气体流淬火）相结合后，可显著减少整个制造工艺的成本。精细和均匀的显微组织除了提高强度和韧性以外，还能改善材料的疲劳行为（图5）7。细晶试样表现出的疲劳强度明显高于粗晶或混合晶试样。图6总结了添加铌合金、减小晶粒尺寸与所获疲劳极限之间的相互关系。添加0.025%铌合金后使晶粒尺寸从25m减小至15m，可获得疲劳极限75MPa的增加22。ASTM grain size/ASTM晶粒度G、Scatter of distortion/变形散布图4 表面硬化部件中奥氏体晶粒尺寸对变形散布的影响Torsional strength/抗扭强度、fine grained/细晶、mixed grained/混合晶、coarse grained/粗晶、load cycles/荷载周期图5 光面柱开试样（不同炉次的20MnCrB5（ZF7B）；表面硬化深度CHD610=0.040.7mm）的疲劳曲线Base composition/基材成分、Fatigue limit/疲劳极限、Autenite grain size/奥氏体晶粒尺寸、Nb content, mass-%/Nb含量（质量%）图6 铌含量对晶粒尺寸和旋转弯曲疲劳极限的影响。虚线表示晶粒细化作用和添加0.025%铌时疲劳强度的提高微合金化铁素体-珠光体钢。在微合金化中低碳钢的基础上开发出微合金化铁素体-珠光体钢号，从热加工温度获得析出硬化效果。这种钢号在锻后经受控冷却，已在大多数情况下替代调质（QT）钢。通过取消热处理、减少变形、改善加工性能和提高性能的一致性，获得了经济效益。欧洲标准EN10267规定了技术交货条件。钒通常用于通过析出硬化来提高强度，而EN10267允许用铌替代钒。如图1所示，添加铌所产生的强度增量足以补偿其他微合金化元素添加量的减少。对于一个典型的铁素体-珠光体钢号（0.3%C、100ppm N）来说， 1250退火后约0.02%的Nb成为固溶体，通过同时减小晶粒尺寸和珠光体片间距离可替代0.04%的V。较高的铌含量能够通过加热期间未溶解铌析出物的晶界锁定作用来阻止晶粒长大。最大加热温度更高但保温时间较短的现代加工技术（如感应加热）的影响仍在研究之中。根据已有的研究成果，对于0.4%C钢来说，最大温度为1260的感应加热周期所形成的固溶体铌，足以使再结晶停止温度从875900提高至950100023、24。组合添加铌和钛可控制奥氏体化期间的奥氏体晶粒尺寸。精细和均匀的显微组织除了提高强度和韧性以外，还能改善材料的疲劳行为8。既然疲劳裂纹沿前期奥氏体晶界上的软铁素体网络传播，那么减小奥氏体晶粒尺寸和避免晶内铁素体成核有助于克服这一问题。提高硅含量会促进晶内铁素体成核9。析出硬化会降低锻件的韧性，这可通过较小的晶粒尺寸和较低的碳含量减少珠光体成份进行补偿。在一个优化项目中10，通过减少碳含量使铁素体从19%上升至54%，从而提高了韧性。在原有的0.10%V含量的基础上添加0.04%的Nb，来弥补强度的下降。发现几乎100%的铌都形成了析出物，而且析出钒的总量从40%增加到65%。因此，添加0.04%的Nb使析出物的体积分数增加了一倍。微合金化铁素体-珠光体钢的开发充分利用了铌的三重功能，即晶粒细化、通过降低的转变温度来缩小珠光体片间距离、析出硬化。表2为法国开发的NbV微合金化钢Metasafe（牌号）11。据称在锻件和轧制棒材上都达到了强度级别（UTS达1200MPa）。本项目及其他研究为铌和钒不同程度地提高硬度作用提供了实验证据。常规锻造一般在大大高于1000的条件下进行。然而，铌通过延迟热加工期间下奥氏体或介稳奥氏体区的奥氏体再结晶来细化最终显微组织时最为有效。图7显示，给C-Mn钢（0.30%C、1%Mn、0.6%Cr、0.007%S）添加0.04%0.08%Nb和0.1%V经900控锻后获得了优良的韧性（常温夏氏V型缺口试验=135J/cm2）和强度组合（TS=960MPa）。表2 用于高强度锻件的具有析出强度铁素体-珠光体组织的Metasafe钢质量%抗拉强度（MPa）CSiMnNbVCuNi应用8000.200.31.80.070.06-悬架10000.450.31.50.040.12-轮毂12000.220.61.70.060.071.61.2轴件Soaking/均热、deformation at 900 in 4 steps/900四次变形、base composition/基材成分、CVN-energy/CVN能量、microalloying elements,mass-%/微合金化元素含量（质量%）图7 添加微合金化元素的控锻钢的力学性能低碳马氏体锻件。锻造后直接淬火（DQ）是一种经济的工艺，马氏体组织不需任何进一步热处理进行自动回火。铌与锰、钼、铬、硼等元素均对马氏体形成起到加强作用。自动回火细晶马氏体钢同时表现出高屈服强度（9451225MPa）和优良的韧性。表3给出了一些直接淬火马氏体钢13-15，这些钢种以较低的碳含量与转变控制合金化元素相结合。这里给出的合金概念和力学性能应被视为试样尺寸与淬火工艺的函数。表3 直接淬火马氏体锻造钢的化学成分（美国、欧洲和日本汽车用钢）；力学性能为试样尺寸与淬火工艺的函数文献BHS13IMAFORM14KOBE15成分（质量%）CMnMoCrNb（ppm）B0.101.00.60.3-0.50.05-0.060.9-1.10.04500.122.00.251.00.1220UTS（MPa）CVN冲击能（J）95090950601250753弹簧钢汽车用弹簧通常由调质钢（QT）制造。片簧用于载重汽车的悬架，而螺旋簧用于各种悬架和阀动机构。悬架部件可能占一辆整车总重量的15%左右，出于技术和经济上的考虑，要求采用高强度钢（Rm2000MPa）达到更好的重量/强度比，以减轻车重。另外还必须具有良好的抗下垂性和抗疲劳性16。通过减少杂质和夹杂率和冶金手段，使抗疲劳性能得到改善17、18。自上世纪八十年代以来，在实用钢的钢号、设计和生产方面已发生了巨大变化。图8给出了过去十年间典型弹簧钢抗拉强度与车重减轻比的演变情况17；重量减轻比被定义为当前弹簧质量与1960年弹簧质量之商。表4列出了用于悬架弹簧的主要钢号的化学成分。在欧洲，铬基铝镇静钢大部分被硅基钢号取代。铝脱氧会产生富含氧化铝的夹杂，引发内部切口效应而影响抗疲劳性能。用硅作为合金和脱氧元素促使可变形夹杂的形成，其切口效应较低，从而改善抗疲劳性能17、19、20。铌微合金化通过析出硬化和结构细化作用进一步提高强度16、18、20。在弹簧用高碳钢中，由于快速短促的奥氏体化处理过程中未溶碳氮化物的固定作用，铌的主要作用是促进极细晶奥氏体（ASTM指数12或更高）的形成。这些铌析出物在后期回火过程中可能起到延迟软化的作用。钒（以溶体添加）在回火过程中起到增加经典析出硬化的作用。铌合金化与热机械处理相结合时特别有效，图9给出了片簧生产的示例；钢材已以低于再结晶停止温度被精轧，并在热轧后接受直接淬火21。另外，铌还通过精细碳氮析出物和奥氏体晶粒细化提高抗下垂性能16。Tensile strength/torsion stress/抗拉强度/扭应力、weight reduction ratio/重量减轻比图8 抗拉强度与重量减轻比的演变Stress amplitude/应力幅、Number of cycles to failure/破断前的循环数、Thermomechanical processing/热机械加工、base composition/基材成分、conventional processing/常规加工图9 悬架弹簧机械性能的演化表4 悬架弹簧钢的化学成分质量%钢号CSiMnCrMoNiVNbCuUHS19000.421.690.181.060.330.150.292V450.043-0.451.15-1.451.10-1.350.45-0.650.010-0.0250.12-0.170.015-0.030SUP1900.4720.70.20.550.2HPM1900.4720.70.20.550.2HDS120.551.550.50.80.10.250.20.1355SiCr60.51-0.591.20-1.600.50-0.800.50-0.8055SiCr6S.C