非调质钢的性能影响因素与发展现状

供稿|蒋泓清, 黄先亮, 黄志兵 / JIANG Hong-qing, HUANG Xian-liang, HUANG Zhi-bing

内容导读

非调质钢具有节约能源、性能优良、降低成本和绿色环保等主要优点,因而得以广泛应用.文章概述了合金元素对非调质钢性能的影响,并分析了氮和硫在非调质钢中所起的作用;简述了非调质钢的一般采用的最终热处理方式;介绍了非调质钢的应用前景、发展方向和探讨了提高未来提高非调质钢强韧性的途径.

非调质钢是一种高效节能钢,无淬火和高温回火工序其性能即能达到中碳调质钢的水平,因此同时也省去了热处理设备,简化的生产工艺并降低了能耗,使制造成本相比调质钢也降低了25%~38%,具有良好的经济和社会效益.第一代非调质钢是于1972年由德国THMSSEN公司开发成功,以铁素体-珠光体钢49MnVS3为代表[1],因其韧性差而影响了其广泛的应用.第二代非调质钢是在20世纪80年代初被开发,主要有贝氏体型和铁素体-珠光体两大类[2],贝氏体型非调质钢以其良好的强韧性可以代替合金调质钢;现代一系列新技术,如晶粒细化法和氧化物冶金技术等均是应用于提高铁素体-珠光体型非调质钢的韧性,使其能够更广泛地应用于生产.第三代非调质钢在20世纪末由美国的Wright提出[3],碳含量低是其显著特点,具有较高的强度和良好的韧性.

我国非调质钢研发起步较晚,于1981年才开始研制非调质钢.由于研制的非调质钢品种不多并且存在冶金质量不稳定等难题,直到1995年才完成了对9个钢种的列标[4].1995年10月由国家技术监督局发布了GB/T15712-1995《非调质机械结构钢》.该标准规定名称为非调质机械结构钢,定义为:在中碳钢中添加微量合金元素(Ti,V和Nb),通过控温轧制和冷却,在珠光体和铁素体中弥散析出氮(碳)化合物强化相,使之在轧(锻)后不用经过调质处理就能得到如同经过调质处理的合金结构钢或碳素结构钢所能达到的力学性能的钢种.

合金元素与氮、硫对非调质钢的影响

为了使非调质钢的力学性能与调质处理的钢种性能相当,通过在冶炼过程中适量加入微合金元素(Nb,Ti,V)和适当控制轧制工艺来改变基体组织的形态[5]来达到.非调质钢一般是在中碳钢中加入一定量的锰和微量的钒、钛和铌等元素[6-8].沉淀强化、固溶强化和细化铁素体晶粒强化是非调质钢的主要强化方式.以下简要说明该种钢的强化机理和各元素在非调质钢中所起到地作用.

(1) 锰.在非调质钢中加入锰,可以弥补由于碳含量降低而引起的强度降低[9].锰在钢中与铁互溶,形成固溶体,部分和铁、碳化合,形成渗碳体,提高钢中铁素体和奥氏体的强度和硬度.锰同时还能够推迟铁素体→珠光体的转变,并降低贝氏体的转变温度,有利于形成细晶组织,最终达到提高钢的强度和韧性的作用.当锰含量在1.5%以下时,增加锰含量钢强度明显提高,而塑性和韧性几乎不变,原因是在此含量下,钢的相变温度下降,使得铁素体晶粒和珠光体团及珠光体层片间距都减小所致.当锰含量大于1.5%时,强度随着锰含量地增加明显提高,但塑性和韧性明显降低.这是因为组织中贝氏体数量随之增加的缘固.

(2) 硅.与锰类似,都在钢中起到良好的脱氧和脱硫的作用,钢的强度和硬度也随着硅的含量增加而增加.硅还能够抑制碳化物的形成,增加残余奥氏体的稳定性,提高钢的回火抗力,使得在低温转变区能够通过缓冷来达到提高钢的塑韧性效果.

(3) 铬.在钢中形成难溶解的碳化物,在短时间加热条件下有阻碍晶粒长大作用.实验证明,1%的铬能使强度提高100 MPa,对韧性也有利.

(4) 钒.钒是最常用而又有效的强化元素,其主要作用是通过形成碳和氮的钒化物来影响钢的组织和性能.V(C,N)在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出,在钢中起到细化晶粒的作用,可提高钢的强度和韧性[10].钒加入钢中能获得最大的沉淀强化结果.

(5) 钛.钛的化合物可作为晶内铁素体的核心,提高钢的韧性.钢中钛含量在0.02%左右时,能够抑制奥氏体晶粒粗化.钛在钢中能够形成TiC,其能够在1300℃时保持稳定[11],在此高温稳定的TiC质点,可以细化晶粒并降低的钢的过热倾向性.

(6) 钼.钼在钢中使得碳在奥氏体的中的扩散激活能增高,推迟碳化物析出过程,钼还能强烈阻碍先共析铁素体的析出和长大,促进密度位错的针状铁素体的形成,从而增强钢的强度.

◆ 氮对非调质钢的影响

实验研究表明,在含钒的非调质钢中,氮是一种十分有益的元素,其在钢中所起的主要作用如下:

氮能促进V(C,N)的析出,减小析出相尺寸,使钒的沉淀强化作用得以充分发挥[12].季怀中等[13]研究表明,氮含量越高则V(C,N)的析出温度越高,且其析出驱动力也增加.因此,含氮量高的钒钢在热加工冷却时,能够在较高温度下析出V(C,N),增加了V(C,N)析出数量[14].由表1可以看出随着氮含量从0.008%增加到0.018%时,V(C,N)的析出质量分数也由0.0498%增加到0.1062%.

表1 氮含量对V(C,N)的析出质量分数的影响

氮还能够改变钒的相间分布.在含氮量高的钢中,有70%的钒以V(C,N)的形式析出,仅剩20%的固溶于基体,此结果表明只有钒钢中含有足够的氮才能充分发挥钒的沉淀强化作用.在同样强度条件下,钢中增氮可以节约20%~40%的钒的用量.在钢中氮化物比碳化物的稳定性更高,分布更弥散且颗粒更细小,所以其强化效果更好.

氮能够提高TiN稳定性,细化奥氏体晶粒[15].实验表明,氮能提高TiN颗粒对奥氏体晶界的钉扎作用.该钉扎作用只有氮含量超过Ti/N理想配比时才能最有效果.在含有Ti的钢中,当氮含量达到(110~160)X10-6时,由于TiN的稳定性的提高,并减少了高温中TiN的再溶解[16-17],提高了奥氏体的粗化温度至1300℃以上,高温下未溶的TiN钉扎了奥氏体晶界阻碍其长大,细化了奥氏体晶粒.

◆ 硫对非调质钢的影响

硫元素一般情况下认为其为有害元素,其含量应越低越好.硫在钢中主要以FeS存在,其熔点较低,并且与铁形成的共晶体熔点更低.该组织凝固在晶界上,当钢被高温加热会造成晶界熔融,出现热脆现象[18].但是,硫在钢中也有利的一面,非调质钢中通常会加入0.035%~0.08%的硫来提高钢的切削性能.

热处理工艺的影响

非调质钢都是空冷冷却,将热加工和热淬火工序合并,省去了较大能源消耗工序简化了工艺,而且也避免了淬火工艺中的变形、氧化和脱碳等热处理缺陷.非调质钢成分上采用低碳、复合加入合金元素,最终目标为得到高密度位错亚结构的贝氏体组织,具有较好的强韧性配合[19].非调质钢的最终热处理一般采用回火处理,有利于提高综合性能,使产品最终性能达到理想状态.

贝氏体非调质钢的性能随回火温度的变化规律主要与残余奥氏体的分解及残余奥氏体的性能相关.低温回火时可以使得残余奥氏体的碳含量高于1%,钢中的硅也促使铁素体中的碳向奥氏体中偏聚,提高了其稳定性.另外,当低于400℃温度回火时,残余奥氏体的低碳区转变为贝氏体,也使得剩余的奥氏体中的碳浓度提高[20-21],从而得到强化的残余奥氏体,而且使残余奥氏体不易发生马氏体转变,最终表现为材料的机械稳定性更高.

非调质钢的应用和发展方向

自非调质钢问世以来,由于其无调质处理环节,具有节约能源、减少环境污染和可以避免工件热处理时变形开裂等优点,因此受到世界各国的普遍重视.随着近几年来对改善非调质钢韧性技术的不断创新,非调质钢的品种得到较充分地开发,这样就使其应用范围得以扩大.

汽车作为一种交通工具应用最为广泛,而车辆上的好多构件如前桥、弹簧和前轴等都对所用钢种要求有高的强韧性配合.在德国和日本这些汽车行业很发达地国家,贝氏体非调质钢在车辆中的应用非常常见[22].日本东京钢铁公司研制的主要成分以贝氏体为主并含少量铁素体和珠光体的非调质钢,其抗拉强度能够达到800 MPa以上,常温冲击韧度为50 J/cm2.用贝氏体钢制造的各种车用弹簧钢也比常用的弹簧钢制品具有更长的寿命和更高的安全性.

在使用到齿板、冲击锤、衬板、护钩、护甲等机械构件的冶金、电力、矿山、化工和建材等行业,仅中国一年的消耗量就达到100万t以上.在工件磨损方面,我国每年经济损失高达约400亿元.在以上这些领域,由于此类工具都承受着较大的冲击力,因此对钢要求要有好的强韧性配合[23].例如:我国矿山机械上使用的贝氏体+马氏体复相组织的磨球,其表面硬度达HRC 56~62,心部达HRC 54~57,冲击韧度达到17 J/cm2;矿山掘进机和采煤运输机上大量使用的刮板等也为贝氏体钢,硬度为HRC 40,冲击韧度为40 J/cm2.

超低碳贝氏体非调质钢具有较好的低温焊接性能和高的强韧性配合,常应用在海洋设备、舰艇和运输船上.超低碳贝氏体非调质钢在海洋领域的应用,美国和日本走在世界前列.20世纪,宝钢和武钢已经开发出了该钢种的Cu2Nb2BT系和Mn2Nb2B系非调质钢[24],随后鞍钢和上钢三厂也相继开发出了此类型的不同型号的钢种.

非调质钢最常见同时用量最多的要数铁路行业.采用贝氏体非调质钢所生产的火车车轮比用常见钢种CL60的强度提高13%,塑性变形能力提高23%,冲击韧度也提高近3倍,因此大大提高了车轮的抗剥离性能.为了达到铁轨等铁路设备对钢的高强度、高韧性和高耐磨性的的要求,实际用钢一般采用高锰钢,但使用中仍然会出现各种问题.贝氏体非调质钢以其1300 MPa的抗拉强度,90 J/cm2的冲击韧度和达到20%的断面收缩率使得铁路设备的使用寿命明显提高.

贝氏体非调质钢的优越性能同样也受到石油业的关注.非调质钢的运用使得石油采集和输送过程成本显著降低.日本钢铁公司开发的X70和X80贝氏体钢,屈服强度高于500 MPa,脆性转变温度也能够达到零下80℃,并且成本低廉,使用寿命可提高好几倍.唐山钢铁公司也研制出了工艺简单且达到国标GB7229要求的非调质钢FG20.

非调质钢在模具方面也有较大的应用潜力.过去模具钢通常采用45钢、40Cr钢和Cr12MoV钢等[25],但所生产的模具加工性能和耐磨性差,表面粗糙度高,热处理困难,并且产品外观质量较差.而贝氏体非调质钢可不经过热处理并且性能优越,因此在模具领域具有广阔的应用前景.

展望

非调质钢以其节约能源、减少环境污染和能减少工件变形和开裂等优点,受到世界各个国家的普遍重视.随着产品系列的不断完善,其使用范围也在不断扩大,现已大规模地应用于机械制造业.随着研究的不断深入和应用范围的扩大,现如今非调质钢在以下几个方向仍有待深入研究和发展.

(1) 成分的优化设计:通过调整C、Mn、Ti、Mo、V等元素含量,开发出成本更低、性能更为优良的非调质钢.在性能优越的前提下,如果增加非调质钢的成本优势才更能抢占市场份额.

(2) 开发复相组织:现在贝氏体型、铁素体-珠光体型和马氏体型和马氏体型非调质钢相继得到开发和应用[26].其中铁素体-贝氏体型和铁素体-马氏体型组织的非调质钢因其成本低、性能优良正在被一些公司开发.

(3) 变革生产工艺:主要包括纯净钢的冶炼技术、硫化物细化和均匀分布技术、精炼技术、控轧控冷技术、铸坯成分偏析控制技术和晶内铁素体控制技术等[27].

(4) 采取措施使得非调质钢质量得以保证,开发具有良好强韧性配合的非调质钢,使其的应用领域更加广阔,扩大非调质钢在桥梁、建筑和石油化工等行业的应用范围.

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