鈮微合金化非熱處理冷鐓鋼棒線材

一、概述

全球大約80%的鈮用來生產(chǎn)微合金化鋼，其中近90%鈮微合金化鋼是熱軋扁平材。幾十年來，盡管鈮作為扁平鋼材中的首選微合金化元素被廣泛采用，但它在工程用鋼中的使用相當(dāng)有限。

不過，用戶和零部件制造商對扁平材中成熟的鈮應(yīng)用技術(shù)幫助實(shí)現(xiàn)工程零部件性能的改善表現(xiàn)出越來越濃的興趣。例如，鈮在汽車用緊固件、彈簧和表面硬化零件等熱處理鋼中得到的應(yīng)用，且它們的強(qiáng)度在過去20年明顯增加。在長材中，冷鐓用棒線材是微合金化應(yīng)用最早的品種。冷鍛是-種用來生產(chǎn)汽車、建筑、航空、鐵道、采礦和電力行業(yè)用緊固件、螺栓、小型曲軸、轉(zhuǎn)向桿等各種零件的工藝。冷鐓是指對線棒材坯料進(jìn)行冷加工，在坯料-端施加沖擊壓應(yīng)力以形成端頭的過程。在成型過程中沒有外部熱源加熱。冷鐓時(shí)變形速度高，應(yīng)變速率超過100s-1。使用傳統(tǒng)冷鐓鋼的零件加工過程由幾個(gè)工序組成。首選對熱軋中碳線棒材進(jìn)行球化退火處理，使鋼軟化，從而能夠進(jìn)行拉拔和冷鐓等冷成型工序，之后進(jìn)行調(diào)質(zhì)（淬回火）處理，獲得零件所需的力學(xué)性能，隨后根據(jù)需要進(jìn)行表面處理。通常，這類調(diào)質(zhì)鋼含0.20%～0.40%C，其中，碳保證鋼的硬度，合金元素提供高的淬透性。冷鐓用AISI鋼種有10XX、10BXX、13XX、15XX、40XX、41XX、51XX和86XX，其中XX是指鋼種的碳含量。球化退火熱處理的目的是使組織中片層石墨結(jié)構(gòu)球化，從而改善鋼的塑性，減少工具磨損和失效。不過，傳統(tǒng)冷鐓工藝存在兩大缺陷：◆球化和調(diào)質(zhì)過程耗能高、花費(fèi)時(shí)間長。而且，根據(jù)零件的斷面尺寸不同，鋼中可能要加入合金元素來提高其淬透性。這些材料和工藝成本造成零件最終成本高，使得加工成本高、耗時(shí)長?！艏词乖谡{(diào)質(zhì)處理后獲得的回火馬氏體組織提供了鋼材所需的高強(qiáng)度要求，但存在組織不均勻、淬火開裂、扭曲以及在鍍層等表面處理過程中由于氫的侵入導(dǎo)致靜載條件下的延遲斷裂等問題。降低能耗成本和改善零件的使用性能的要求，導(dǎo)致低碳、鈮硼復(fù)合微合金化鋼種的開發(fā)。

二、微合金化冷鐓鋼開發(fā)

冷鐓加工用鋼需要具備以下特征：

1）足夠的塑性以能夠在冷成型過程中充滿模具型腔和不斷裂；2）成型后零件強(qiáng)度高，能承受服役載荷和疲勞；3）零件的韌性足以抵抗在服役過程中由于不可避免或無法檢測出的缺陷存在而導(dǎo)致的斷裂。

冷成型加工領(lǐng)域良好的替代材料將是那些不依靠高的碳含量、而是由其組織來保證高強(qiáng)度的鋼種。已經(jīng)在扁平材中得到廣泛應(yīng)用的低碳、硼和鈮微合金化的理念具有潛在作用，并應(yīng)用到緊固件等長材生產(chǎn)中。硼可以明顯提高鋼的淬透性，這是由于硼抑制奧氏體-鐵素體相變，并促進(jìn)低溫相變產(chǎn)物如退化的珠光體或上貝氏體形成。

另一方面，加入鈮，通過多種機(jī)制提供高的強(qiáng)化效應(yīng)：1）晶粒細(xì)化；2）降低奧氏體-鐵素體轉(zhuǎn)變溫度；3）析出強(qiáng)化。

鈮、硼復(fù)合加入，產(chǎn)生更強(qiáng)的綜合作用，延遲奧氏體-鐵素體相變，即使在空冷條件下，在較厚斷面中也能實(shí)現(xiàn)均勻的低碳貝氏體組織。獲得的低碳貝氏體組織提供高強(qiáng)、良好的塑性和韌性等好的性能配合。研究B、Nb和B+Nb在低碳鋼中的作用，進(jìn)而分析這些鋼的冷鐓特性，結(jié)果表明，鋼在拉拔過程中表現(xiàn)出非常高的伸長率。這些鋼首先在非常低的精軋溫度下（～840℃）控軋成線棒，然后控冷，獲得低碳貝氏體組織。加工硬化行為至關(guān)重要，這是因?yàn)榫o固件所需的強(qiáng)度水平可以通過冷加工實(shí)現(xiàn)。C-Mn-B鋼需要軋態(tài)具有最低50%的伸長率以達(dá)到所需的抗拉強(qiáng)度水平，強(qiáng)度范圍在800～1000MPa，這是SAE8.8級螺栓要求的水平，伸長率最大達(dá)到300%。另-方面，C-Mn-Nb-B鋼在其含有-些馬/奧島（MA）的貝氏體組織中具有高密度位錯(cuò)，其加工硬化行為比C-Mn-B鋼更好，在～60%伸長后達(dá)到SAE10.9級螺栓的強(qiáng)度水平。需要提出的是，后續(xù)冷鐓加工殘余塑性值總是超過40%，這說明在冷鐓全過程中坯料仍具有非常好的冷鐓加工塑性。對比使用低碳鈮微合金化貝氏體鋼和傳統(tǒng)淬回火（Q&T）鋼生產(chǎn)的螺栓的強(qiáng)度水平，可以看出，盡管低碳貝氏體鋼平均強(qiáng)度水平稍低些，但仍然滿足8.8級螺栓要求的技術(shù)指標(biāo)。然后，從標(biāo)準(zhǔn)偏差值可以看出，低碳貝氏體鋼的強(qiáng)度分布比傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)鋼稍好些。此外，在接近螺栓端頭的表面硬度值方面，低碳貝氏體鋼的硬度值稍高于傳統(tǒng)Q&T鋼，這是由于大的冷加工變形量造成的。在另-個(gè)工作中，發(fā)現(xiàn)低碳貝氏體組織的存在，使鋼具有良好的韌性。利用Nb微合金化技術(shù)，成功地開發(fā)出從8.8級（抗拉強(qiáng)度≥800MPa）到12.9級（抗拉強(qiáng)度≥1200MPa）的各種強(qiáng)度級別的緊固件。強(qiáng)度超過1000MPa承載鋼的另-重要方面是延遲斷裂，這可能是螺栓用鋼潛在的嚴(yán)重問題。這樣高強(qiáng)度的鋼需要高抗延遲斷裂強(qiáng)度。通過鈮微合金化，實(shí)現(xiàn)奧氏體晶粒細(xì)化改善延遲斷裂，同時(shí)，形成的細(xì)小碳氮化鈮顆粒有效地起氫原子“陷阱”的作用，因此降低延遲斷裂傾向。

三、低碳微合金化冷鐓鋼優(yōu)勢

冷鐓高質(zhì)量螺栓也可以采用低碳鈮微合金化鋼生產(chǎn)，不再需要中間軟化（球化退火）熱處理和最終的調(diào)質(zhì)處理就可以實(shí)現(xiàn)所需的強(qiáng)度水平。使用低碳微合金化冷鐓鋼的諸多優(yōu)勢如下：◆消除球化退火熱處理工序，顯著節(jié)省能源成本，縮短工藝周期時(shí)間。估計(jì)這-過程的直接能源成本節(jié)省在1000kWh/t鋼?！粲捎诘吞嘉⒑辖痄摼哂蟹浅８叩睦涑尚托阅?，所有的變形可以在-個(gè)工序內(nèi)完成。另-方面，傳統(tǒng)Q&T鋼根據(jù)化學(xué)成分不同，變形可能需要在經(jīng)中間退火的工序中進(jìn)行?！粝尚秃蟮挠不療崽幚砉ば?，進(jìn)-步降低能源成本、減少工藝周期時(shí)間。估計(jì)這-過程的直接能源成本節(jié)省在3000kWh/t鋼?！舻吞嘉⒑辖痄摏]有使用Cr、Mo等昂貴合金元素，因此大幅降低合金成本?！舳嘞嘟M織（貝氏體+MA）通常具有低的氫致開裂傾向性，因此在鍍層零件中的延遲斷裂敏感性低?！舨粫l(fā)生傳統(tǒng)Q&T鋼螺栓在熱處理過程中出現(xiàn)的表面脫碳現(xiàn)象。

四、結(jié)束語

在緊固件應(yīng)用方面，低碳鈮微合金化冷鐓鋼有替代傳統(tǒng)中碳調(diào)質(zhì)鋼的潛力。鋼中較低的碳含量及加入微量鈮，兩者共同作用產(chǎn)生貝氏體組織，在加工硬化后鋼材具有良好的塑性和高的強(qiáng)度水平，導(dǎo)致能源成本和合金成本顯著降低，同時(shí)由于消除了傳統(tǒng)冷鐓用調(diào)質(zhì)鋼的球化處理和調(diào)質(zhì)熱處理工序，生產(chǎn)率得到大幅提高。鈮的加入也提高了材料的疲勞和延遲斷裂強(qiáng)度。

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