[科普中國]-微合金鋼

簡史

最早引起人們注意的微合金元素是釩。1916年，美國試驗了添加0.12%～0.20%釩的軟鋼。1934年，發(fā)展了含0.10%～0.18%釩的碳錳鋼。鋼中加鈮約在1939年，美國在20世紀(jì)50年代后期，進行了含鈮半鎮(zhèn)靜鋼的工業(yè)試驗。鈦在鋼中的應(yīng)用約始于1944年，當(dāng)時美國研究了低碳錳銅鈦鋼板，1957年聯(lián)邦德國發(fā)表了軋態(tài)和正火態(tài)鋼的性能數(shù)據(jù)，20世紀(jì)60年代初，聯(lián)邦德國推薦含0.06%～0.15%鈦的碳錳鋼用于制造型鋼和鋼板。過去控制鋼中含鈦量在0.01%～0.20%是困難的，80年代初，由于鋼包噴吹技術(shù)的發(fā)展，這個難題已基本解決。

微合金鋼的發(fā)展與低合金高強度鋼的發(fā)展有密切聯(lián)系。20世紀(jì)初，鋼材設(shè)計的依據(jù)是抗拉強度，較少考慮鋼材的韌性和焊接性，因此，鋼的碳含量較高，約為0.3%。采用焊接代替鉚接后，鋼中碳含量降低。在第二次世界大戰(zhàn)期間，焊接油輪的脆斷事故使人們認識到，鋼中碳含量要進 一步降低、錳碳比要高、晶粒度要細才能提高鋼的韌性。為了細化晶粒，最初的方法是利用AlN，但是，這種方法只能在正火狀態(tài)使用，隨后，為了既細化晶粒又提高屈服強度，開始在鋼中加入釩、鈮、鈦。1959年以后，微合金鋼作為多用途的廉價的工程材料越來越受到人們的重視。1

微合金的作用機理按早期的最簡單的類型，微合金鋼是鐵素體-珠光體組織。到20世紀(jì)80年代后微合金鋼的內(nèi)涵已廣泛地包括：少珠光體、無珠光體、針狀鐵素體、超低碳貝氏體等組織的低合金高強度鋼。

對于鐵素體-珠光體鋼來說，得到細鐵素體晶粒的條件是要有盡可能細的再結(jié)晶奧氏體晶?；蛘邉×易冃蔚丛俳Y(jié)晶的奧氏體，因為這些提供了最大的、供鐵素體成核的奧氏體晶界面積;同時，鐵素體也可在未再結(jié)晶奧氏體的形變帶、回復(fù)的亞結(jié)構(gòu)邊界和未溶解的碳化物、氮化物質(zhì)點上成核。加鈮、釩和鈦的作用之一是通過其碳化物、氮化物質(zhì)點阻止奧氏體晶粒在再加熱時長大;作用之二是在軋制時延緩奧氏體再結(jié)晶。鈮、釩、鈦延緩軋制時奧氏體再結(jié)晶能力的比較如圖1所示。鈮顯著提高再結(jié)晶溫度的門坎值，釩次之，鈦只在含量相當(dāng)高時才有效。釩、鈮、鈦形成氧化物、硫化物、碳化物和氮化物的傾向如圖2所示。熱軋低碳帶鋼中釩、鈮、鈦含量與晶粒細化和析出強化引起的屈服強度、轉(zhuǎn)折溫度的關(guān)系如圖3所示。

生產(chǎn)工藝微合金鋼的冶煉與普通碳素鋼相似，但為了提高微合金元素的收得率，要求鋼液充分脫氧，此外，對鋼材成形性要求較高的微合金鋼必須控制夾雜物形態(tài)，因此常采用噴吹技術(shù)加入適量的鈣或稀土元素。

一般來說，微合金鋼的軋制工藝與普通碳素鋼相似，但微合金元素固溶于奧氏體中時，使其點陣產(chǎn)生一定程度的畸變，從而提高熱變形抗力。軋制設(shè)備較先進的工廠常采用控制軋制，甚至采用控制軋制-加速冷卻工藝生產(chǎn)微合金鋼材，因為只有這樣才可能最大限度發(fā)揮微合金元素的作用。

微合金鋼的碳含量常比普通碳素鋼和低合金高強度鋼低，因而在同樣的屈服強度下它將有較高的加工硬化率、最大均勻真應(yīng)變和總延伸率，也就是說有較好的冷成形性。

此外，碳含量低也可抵消微合金元素對鋼材焊接性的損害，所以微合金鋼的焊接性較好，尤其是加鈦的微合金鋼，由于氮化鈦粒子在很高的溫度下仍相當(dāng)穩(wěn)定，可有效地阻止熱影響區(qū)的晶粒粗化，使焊接性更好。

優(yōu)點微合金鋼由于屈服強度高、韌性好、焊接性和耐大氣腐蝕性好，可用于大型橋梁建筑，制造各類車輛的沖壓構(gòu)件、安全構(gòu)件、抗疲勞零件及焊接件，它也是鍋爐、高壓容器、輸油和輸氣管線，以及工業(yè)和民用建筑的理想材料。

應(yīng)用和經(jīng)濟效益微合金鋼的主要用途如下：(1)各種車輛上的結(jié)構(gòu)件，如火車車廂底盤、火車車廂、汽車大梁及保險桿、發(fā)動機與轉(zhuǎn)向裝置的托架。(2)橋梁的梁、板和桁架。(3)船舶和采油平臺用的板材和型鋼。(4)發(fā)電設(shè)備，如鍋爐的汽包、冷卻器、省煤器和過熱器。(5)石油化工工業(yè)的各種貯罐、換熱器。(6)各類管線，如輸油氣管、輸煤管、水電站的水管等。(7)礦山設(shè)備，如料罐、翻斗、液壓頂板支架系統(tǒng)。(8)工程機械部件，如裝卸機的吊臂、挖斗等。

應(yīng)用微合金鋼的經(jīng)濟效益因產(chǎn)品不同而不同。根據(jù)美國匡算，如果每噸鋼的價格為300美元，添加微合金元素后成本增加5～10美元，而微合金鋼材售價可達312～315美元，因此鋼廠可增加利潤。同時，采用這類鋼材制造的機械構(gòu)件可減輕自重10%～25%，既可節(jié)約鋼材又可節(jié)約傳動所需的能源，有較大的社會效益。

發(fā)展展望(1)從單一微合金化轉(zhuǎn)變到復(fù)合微合金化。復(fù)合微合金化的原理是利用釩、鈮、鈦等的碳化物、氮化物在奧氏體中的溶解和析出行為以及它們對相變的影響，使鋼材的綜合性能優(yōu)化。復(fù)合微合金化會帶來一些新課題，如對析出相要更精確地定性和定量測定，要在動力學(xué)效應(yīng)的情況下，考慮析出相的析出順序。

(2)從主要研究微合金鋼的成分轉(zhuǎn)變到主要研究微合金鋼的成分與工藝的交互作用。由于微合金碳、氮化物會在奧氏體和鐵素體中析出，而且形變會改變析出的行為，形變后的冷卻速度會改變析出的數(shù)量，研究成分與工藝的交互作用是較難的，復(fù)合微合金化后，這兩者的交互作用常需要借助計算機進行預(yù)測。

(3)從生產(chǎn)板材擴展到棒材和鍛件。過去微合金鋼主要用于生產(chǎn)板材。20世紀(jì)70年代中期以后，微合金鋼鍛件和棒材的研究和應(yīng)用有很大進展，但棒材和鍛件熱加工后的快速冷卻或直接淬火的控制方法以及冷卻速度對成品(尤其是截面不同的鍛件)性能的影響仍需深入研究。2