鈮在汽車業(yè)工程用鋼中的應(yīng)用

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1、鈮在汽車工程用鋼中的應(yīng)用ChristianKlinkenberg等摘要：在過去十年中，歐洲汽車用帶鋼和薄板中鈮的用量增長(zhǎng)了三倍。不斷地提高強(qiáng)度與優(yōu)良的抗疲勞性、成形性和焊接性相結(jié)合，是帶材和板材用高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼開發(fā)的重點(diǎn)。目前為止，微合金化鋼的巨大潛力在鍛件和彈簧應(yīng)用方面仍未得到發(fā)揮。本文通過汽車傳動(dòng)裝置、懸架和彈簧等部件介紹特殊鋼的新材料方案，其加工工藝的使用性能得到優(yōu)化。對(duì)低、中、高碳鈮微合金化鋼的加工、應(yīng)用以及冶金背景給予了特殊考慮。鈮冶金技術(shù)能在減碳的情況下保證鋼的強(qiáng)度，使高強(qiáng)度與優(yōu)良的韌性、抗疲勞強(qiáng)度和焊接性能相結(jié)合，以較經(jīng)濟(jì)的成本滿足用戶苛刻的要求。關(guān)鍵詞：

2、鍛件工程用鋼表面硬化鐵素體-珠光體鋼微合金化鈮1．前言微合金化鋼薄板和中厚板已成為管線、汽車和建筑用鋼的標(biāo)準(zhǔn)材料，自從上世紀(jì)六十年代以來，微合金化鋼種得到了快速發(fā)展，使不斷提高的強(qiáng)度與優(yōu)良的韌性和焊接性能完美地結(jié)合在一起。然而，在汽車業(yè)工程用鋼方面微合金化高強(qiáng)度鋼的潛力卻一直沒有發(fā)揮出來，而另一方面，用戶和鋼鐵生產(chǎn)商正希望這項(xiàng)成熟技術(shù)能夠進(jìn)一步減輕汽車重量。一輛普通乘用車一般包含約180kg的特種長(zhǎng)條鋼材，另外排氣系統(tǒng)還用不銹鋼部件。本文介紹鈮微合金化鋼應(yīng)用于汽車用鍛件、彈簧和排氣系統(tǒng)的冶金背景和實(shí)例。鈮對(duì)鋼的機(jī)械性能具有三重影響：熱機(jī)械成形過程中細(xì)化晶粒，降低γ→α的轉(zhuǎn)變溫

3、度（Ar3）以及析出硬化。晶粒細(xì)化是同時(shí)增加強(qiáng)度、韌性和延性的唯一機(jī)理，這使鈮成為最有效的微合金化元素，即使添加量很小亦表現(xiàn)出明顯效果，如圖1所示[1]。鈮的晶粒細(xì)化作用主要是由于在最后熱成形階段延遲或阻止再結(jié)晶；伸長(zhǎng)晶粒和奧氏體較高的位錯(cuò)密度促進(jìn)鐵素體成核；同時(shí)，通過降低γ→α的轉(zhuǎn)變溫度固溶鈮增強(qiáng)鐵素體的成核速率并減緩晶粒增長(zhǎng)速率。這種綜合作用產(chǎn)生了一個(gè)特別細(xì)晶的轉(zhuǎn)變組織。為了充分發(fā)揮鈮的冶金潛力，必須以足夠的加熱溫度在熱成形之前溶解Nb（C、N）析出物，使鈮成為固溶體。圖1微合金化元素對(duì)0.08%C、0.90%Mn鋼延性和強(qiáng)度的作用；強(qiáng)度和韌性的提高得益于沉淀和晶粒細(xì)化工

4、程用鋼主要指鍛造用鋼，如冷鐓鋼、彈簧鋼和滾珠軸承鋼以及表面淬硬鋼、調(diào)質(zhì)鋼（QT）等。因?yàn)楣こ逃娩摰奶己枯^高，所以必須確保前述機(jī)理在碳含量范圍內(nèi)起作用，即0.2質(zhì)量%（表面淬硬鋼）至0.7質(zhì)量%（彈簧鋼）。另外，包括幾個(gè)熱處理工序（如軟退火、調(diào)質(zhì)、消除應(yīng)力退火）的汽車部件加工工藝與鋼帶和鋼板生產(chǎn)工藝有明顯區(qū)別。圖2示意性描述了部件制造前后的熱處理工藝。與低碳微合金化鋼加工過程相比，這些熱處理工藝要求A3以上的高退火溫度和/或長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的處理時(shí)間。在整個(gè)處理過程中必須考慮微合金化的不同作用。本文以表面淬硬鋼為例探討工程用鋼微合金化的基本原理。轉(zhuǎn)變溫度T35J的增量（℃）、屈服強(qiáng)

5、度增量（N/mm2）、/析出、/晶粒細(xì)化圖1微合金化元素通過析出和晶粒細(xì)化對(duì)0.08%C、0.90%Mn鋼延性和強(qiáng)度的作用2．鍛造用鋼表面淬硬鋼。汽車部件（如傳動(dòng)裝置）必須滿足復(fù)雜的要求。這種鍛件的表面通常接受滲碳和淬火處理，給堅(jiān)韌的內(nèi)芯增添一個(gè)堅(jiān)硬的表面，將優(yōu)良的耐磨性能與疲勞強(qiáng)度相結(jié)合。常規(guī)的滲碳工藝施加880～930℃的奧氏體化溫度，保持20h后獲得一個(gè)約2mm厚的滲碳層。將滲碳溫度提高至1050～1100℃可使處理時(shí)間減少近60%[2]。不過，溫度提高后將導(dǎo)致相當(dāng)多的奧氏體晶粒長(zhǎng)大。除化學(xué)成分和淬透性以外，奧氏體晶粒尺寸是影響表面淬硬鋼的另一個(gè)重要因素。它影響淬硬區(qū)和

6、工件芯部的轉(zhuǎn)變行為，顯微組織和機(jī)械性能；均勻的奧氏體細(xì)晶尺寸分布減少淬火后機(jī)械性能的散布；更加均勻的硬度分布減少工件的變形。過去，通常用Al和N進(jìn)行鋼微合金化，以實(shí)現(xiàn)足夠的細(xì)晶穩(wěn)定性。近年來，有關(guān)添加鈮和鈦產(chǎn)生的效果屢見報(bào)道[如3]。微合金化可能既阻止晶粒長(zhǎng)大，又能產(chǎn)生更加均勻的細(xì)晶組織。表1給出了歐標(biāo)《EN10084》規(guī)定的典型滲碳鋼16MnCr5的化學(xué)成分和不同微合金化變量的示例。該規(guī)范允許根據(jù)用戶協(xié)議添加微合金化元素。為評(píng)估和確定晶粒粗化對(duì)表面淬硬鋼機(jī)械性能的影響，必須界定晶粒尺寸分布的目標(biāo)區(qū)域。根據(jù)鋼材用戶的通常做法，晶粒粗化溫度（GCT）與以下限制有關(guān)：所有晶粒必須

7、為ASTM晶粒度第5級(jí)或更細(xì)；ASTM第4和第3級(jí)晶粒最多容忍至10%的體積分?jǐn)?shù)；ASTM第2級(jí)或更粗的晶粒是不允許的。表1滲碳鋼化學(xué)成分；灰色區(qū)域指用于晶粒細(xì)化的合金化方案鋼號(hào)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、