劉瑞寧1，2，王福明1，李 強(qiáng)2
(1 北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；2 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
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，其主要作用是通過形成V(C，N)來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120×10-6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，如果釩含量超過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%。
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)1200℃時(shí)也能有效抑制奧氏體晶粒尺寸的長大，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γ→α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1325～1360℃。當(dāng)加熱到1100℃時(shí)，鈮幾乎沒有固溶；在1300℃時(shí)，只有50%固溶。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，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，成功地將中國自行開發(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)用于制作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、汽車前橋等零件。其中，一汽先后應(yīng)用35MnVS，38MnVTi，42VS，40MnVS代替55鋼，40MnB，45鋼，40Cr鋼在CA6102連桿、CA141半軸、滑動(dòng)叉、輕型車扭臂等零件進(jìn)行了試驗(yàn)研究；二汽公司自1978年開發(fā)應(yīng)用微合金非調(diào)質(zhì)鋼以來，已先后對(duì)東風(fēng)系列汽車的20余種零件采用微合金非調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行了試制，采用35MnV代替40MnB生產(chǎn)EQ6100發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，采用48MnV代替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、南京汽車、天津汽車等汽車制造廠的微合金非調(diào)質(zhì)鋼用量也逐年大幅度增加。從用材工藝技術(shù)分析，在汽車車身、車身附件及零件、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，部分用戶的微合金非調(diào)質(zhì)鋼使用情況見表1。
2.5 國內(nèi)生產(chǎn)情況
目前國內(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)量大都在萬噸以下。
2.5.1 生產(chǎn)工藝
目前國內(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→LF(VD)爐→模鑄(連鑄)→軋鋼(控軋)→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/T15712—1995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)鋼兩類共9個(gè)牌號(hào)，從金相組織上來講全部屬于鐵素體-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。國內(nèi)一些合資汽車制造廠在引進(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產(chǎn)化，但仍按相應(yīng)國外標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行生產(chǎn)，如上汽、長安汽車、江鈴汽車使用德國牌號(hào)49MnVS3生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等，該類用戶約有20%。隨著微合金非調(diào)質(zhì)鋼的快速發(fā)展，國家標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的牌號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)顧客的需求，目前大多用戶根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求及加工使用情況，向材料生產(chǎn)廠家提出性能以及低倍、非金屬夾雜物等具體的技術(shù)、質(zhì)量指標(biāo)要求，與材料生產(chǎn)廠家簽訂供貨技術(shù)協(xié)議，該類用戶約占50%。
3 結(jié)束語
微合金非調(diào)質(zhì)鋼以其節(jié)約能源、減少工件變形和開裂、減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各主要工業(yè)化國家的普遍重視，尤其是改善微合金非調(diào)質(zhì)鋼韌性新技術(shù)的采用，完善了產(chǎn)品系列，擴(kuò)大了使用范圍，并大規(guī)模應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)，特別是汽車工業(yè)。從國家鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策看，微合金非調(diào)質(zhì)鋼具有較大的發(fā)展空間。
——摘自《中國金相分析網(wǎng)》
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