热处理节能材料——低碳硼钢

赵步青，郑孟洪，徐利建，高旭华，朱敏，杜亚伟

1.本刊特约通讯员（编委） 浙江金华 321000

2.浙江金华华南汽配有限公司 浙江金华 321016

3.河南安阳钢厂 河南安阳 455004

硼钢应用由来已久，特别在军械上。钢中加入微量的B，就能显著地提高淬透性。硼在钢中的扩散速度很快，极易偏聚于晶界，对钢的组织和性能产生一系列有益的影响。因此合理地选择和利用硼钢，在不降低使用性能的前提下可以简化、改变热处理工艺，收益可观，符合节能减排大方向。以下列举低碳硼钢在实际生产中应用情况，可供参考。

1 降低变形抗力，省去冷变形前的预备热处理

采用冷镦、冷挤等工艺代替热成形或切削加工生产的金属制品，钢材利用率高，生产效率高，尺寸精度高，性能稳定，而且节能。但它的发展受到钢种的制约，不是所有的钢种都能实施冷镦、冷挤工艺的。一般的冷变形钢，特别是用于制造高强度螺栓的冷变形钢，大多采用含Cr、Ni、Mo等元素的中碳合金结构钢，这类钢因含有较高的合金元素，韧性、塑性相对比较差，变形抗力大，有明显的加工硬化现象，因此在冷变形前往往要进行完全退火或球化处理。即使增加了预备热处理，加工出来的产品也难免出现开裂，且模具也易磨损，寿命也不高。

采用硼钢，特别是低碳硼钢代替中碳合金钢，直接用热轧材冷成形，可以省去退火工序，简化工艺，节能显著。

钢的化学成分是决定钢冷变形抗力的主要因素，几乎所有的合金元素都会使变形抗力提高，碳也不例外，含碳量越高，抗力越大。改善钢形变性能的主要手段就是降低碳含量及合金元素含量，但这一举措势必影响钢的淬透性和力学性能。为了弥补这一损失，向钢中加硼是明智之举。

研究表明，硼提高淬透性的能力远高于常用合金元素[1]，如0.001%～0.003%（质量分数，下同）的B，其作用分别相当于0.6%Mn、0.7%Cr、0.5%Mo、1.5%Ni，效能要高出几百倍甚至上千倍。因此，为了提高淬透性，所需的B量极少。GB/T 3077—2015《合金结构钢》中列出了20MnVB等13个含B钢，B含量全部为0.0008%～0.0035%。我们在与国外客商交往中，分析对方的几种牌号的硼钢，其B含量均在0.001%～0.003%。硼几乎是唯一不提高变形抗力的元素。为了进一步提高低碳硼钢的淬透性，还可以加入少量对变形抗力影响不大的Mn、Cr、Ti等元素，特别是Mn，虽说它物美价廉，但是为防止钢晶粒粗化及回火脆性，Mn含量一般在1%左右，多则无益。

前苏联为取代40X、40XH等钢制造高强度螺栓等零件而设计出17Г2P（相当于中国牌号17MnB），因碳含量很低，热轧后的强度、硬度比40X退火后还低得多，但塑性很高，而且退火对强度、硬度影响不大，其热轧材镦粗时的变形抗力比退火后的35钢、40Cr钢都低得多。

再如，日本用最常用的高强度螺栓材料20CrMnB钢（0.22%C、0.61%Cr、0.76%Mn、0.0014%B）替代SCM3中碳合金结构钢冷镦件获得成功，省去了球化退火工序。

实践证明，低碳硼钢锻轧态的强度和硬度低、塑性好、变形抗力小，因此可以经完全退火或球化处理直接用热轧材冷变形制造各种零部件，不仅大量节能，估计可降低总成本约25%，而且提高劳动生产力，工模具的磨损小，使用寿命提高达50%[2]。

由于低碳硼钢有很多优点，世界各国都非常重视。现在世界上用低碳硼钢制造各种紧固件和汽车、农机、机械等零件。我国也在加速发展。GB/T 3077—2015《合金结构钢》就列出了15MnVB、20MnTiB、25MnTiBRE等6个低碳牌号，国内一些钢厂还生产15MnB、20CrTiB、20MnB等若干个钢号供不同厂家选用。从这些成分和性能分析，低碳硼钢完全具备了不进行预备热处理而直接冷成形的条件。展望未来，我国的冷变形硼钢前途无量。

2 正火代替淬火节能

一般情况下，硼钢都在淬火、回火后使用，但在某些情况下，硼钢也可在正火后使用。硼在淬火钢中能促进马氏体转变，正火冷却速度没有淬火快，正火时能促进贝氏体转变。虽然贝氏体组织的性能比回火马氏体逊色，但只要选取适量的正火工艺，仍可达到相当高的性能水平。而且，通过合金化、形变热处理等手段，还可以进一步提高贝氏体的性能。

有人研究证实[2]，即使钢中仅含3×10-6的B，正火后晶界上也看到有明显的硼偏聚，可保证钢中有很高的淬透性，而如此微量的B在淬火钢中是很难发挥作用的，但在正火钢中却可发挥奇效。含0.05%C的B-Nb钢通过控制终轧温度，可使转变温度降低几十摄氏度，空冷或正火后均可显著地改变钢的韧性。

硼钢经过正火取代淬火处理，直接制造零件，有以下三个优点：

1）硼钢淬透性高，焊接性能不降低，低温裂纹敏感性小。

2）减少热处理变形、开裂的危险。

3）简化了热处理工艺，如能把锻轧等热加工与正火有机结合起来，可收到更大的经济效益。

查阅相关文献，正火硼钢的应用并不多，并不代表正火代替淬火工艺有问题，而是没有实现从“必然王国”向“自由王国”的过渡，它确实是一种切实可行的途径。深信正火硼钢的应用领域定会进一步扩大。

3 淬火后不回火

大家都知道合金钢淬油、碳钢淬水，而且淬火后必须回火。这里要挑战两项技术：①硼钢不油淬。②硼钢水淬后可以不回火。

低碳硼钢制件，除对变形要求特别严格外，都可以实施水淬，而且不会出现裂纹，并可省去回火处理，从而达到节能效果。这是由于硼钢有极强的淬透性能力，比常加入钢中的Cr等合金元素强上数百倍，极微量的硼就能代替大量合金元素。因此硼钢淬火时，马氏体形变的体积效应以及由此而产生的相变应力相应降低。另外，钢中加入的合金元素大多都降低Ms点。而B几乎不影响Ms。因此，淬透性相当、而低C、微B钢的Ms比一般合金钢要高几十摄氏度乃至上百摄氏度。因此，在淬火后期可实现“自回火”，即在淬火中形成的马氏体所处的温度较高，随即被回火，所以水淬也不会致裂。现在世界上低碳硼钢水淬的应用比较广泛，比如拖拉机、推土机履带、推刀、销子、履带衬套、链轮、离合器控制杆及汽车防滑链等，还有低碳硼钢经过气体渗碳水淬后，表面得到很高的硬度，中心都保持韧性状态，形成较陡的硬度梯度，在零件表面层内产生有益的残余压应力，对提高疲劳强度有贡献。

因为淬火应力小，又可以自身回火，所以低碳硼钢制造出来的许多零件，无论是渗碳后淬火，还是形变热处理以低碳马氏体强韧化，淬水后均可不回火，各项性能都能满足使用要求。

为了使低碳硼钢水淬和“自回火”收到良好效果，防止淬火裂纹的产生，应关注淬火用水的温度、压力、水量，以及淬火件入水的温度、工件出水的温度等一系列问题，保证淬得硬、淬得透、淬得匀。随着科技的迅速发展，智能化、自动化设备的应用，硼钢水淬一定会得到广泛的应用。

渗碳后不回火与渗碳后180℃×2h回火性能对比：

1）表面硬度高2~3HRC。

2）渗层厚度增加0.20~0.25mm。

3）破断力下降25%~50%。

这里应该特别强调的是，水淬不回火的硼钢工件，后续若要镀锌或电镀其他者，不宜水淬不回火，以防氢脆。

4 硼提高淬透性的主要原因

硼是强力提高淬透性的重要元素，在高温加热后的冷却过程中，溶入奥氏体的硼能延缓先共析铁素体在奥氏体晶界上形核、推迟上贝氏体转变铁素体领先形核，从而增大亚共钢的淬透性；但是，硼并不显著影响先共析铁素体和上贝氏体的长大速度，也不阻止珠光体转变。有关硼影响钢淬透性的几种机理认为，硼之所以能抑制下贝氏体在奥氏体晶界形核，是由于在淬火冷却过程中，溶于奥氏体的B元素在奥氏体的晶界上发生了偏聚，因而降低了奥氏体晶界的自由能。

低碳硼钢不论是渗碳直接淬火，还是低碳马氏体强化淬火，其加热温度大多为880～900℃，此时B在奥氏体中的溶解度约为0.001%[3]，这样会有一部分B保留在未溶的硼化物中。在淬火冷却的过程中，伴随着奥氏体中B溶解度的降低，溶解在奥氏体中的B逐步向奥氏体晶界偏聚。硼的晶界偏聚可在先共析铁素体和下贝氏体析出前形成并阻碍这些相变形核，因而提高了钢的淬透性。

硼提高淬透性的效果随着B含量的变化而变化，并非是B含量越高越好，而是在一个很窄的范围内波动，变化曲线具有先增后减的特征，不同研究者所得曲线有差别，如图1所示。

图1 硼的淬透性效果与硼含量（质量分数）的关系

尽管不同科研人员得出的结论有差异，但处于0.0003%～0.003%公认为是合适的B含量，也有人认为，在正常的淬火温度下，能够固溶的B量仅为0.001～0.002%[4]。也称之为最佳的B含量，加入更多的B无助于淬透性的提高，相反会有过剩的B沿奥氏体晶界以Fe23（C，B）6（简称硼相）的形式沉淀析出，当B含量高（>0.003%）时，硼相的数目自然会增加，在钢中形成连续的网络，使钢的力学性能变差，特别是冲击韧度低，即出现了硼脆现象。

5 硼含量与aK的关系

硼钢属节能型钢种，应用越来越广泛，硼钢究竟含多少B，国内外学者认知基本一致，认为B含量在0.0008%～0.003%较妥。但也有人主张在0.0005%～0.0025%[5]，并认为B含量在0.001%时钢的淬透性最高，也有人说，B含量在0.0008%～0.0025%为宜[6]，更有人提出更严苛的要求，认为B含量在0.001%～0.002%最佳[7]。在与国内外客商交往中，有的单位和钢厂签订的技术协议有的只有下限（≥0.0008%），有的没有下限（＜0.005%），都是不妥的，应该有一个明白的数字化指标。

硼钢中B含量对aK值有何影响？抚顺钢厂曾对66炉121批40MnB钢进行力学性能统计分析，认为B含量应≤0.003%，否则aK值明显下降。昆明钢厂中心实验室对50B钢中B含量与aK值的关系作了深入的研究，也认为B含量不得超过0.003%[7]。

原广西桂林星火机械厂工程技术人员对50B、50BA钢原材料，除进行化学成分分析外，还进行了冲击性能试验，结果表明：凡B<0.0030%者，aK值均在9.4～14.1kg·m/cm2（840℃油淬，600℃回火），远高于国家规定的≥5kg·m/cm2指标，制造出来的枪械零件也佳[8]。

加入较多（实际微量）的B为什么会引起aK值的下降？众所周知，B在钢中的溶解度十分有限，910℃时B在奥氏体中的溶解度为0.21%[6]，超过这个溶解度的B，就会有B相沿奥氏体晶界析出，B相多到一定程度时，便会形成连续的网络，使钢的性能变差。

从以上分析可知，在一切硼钢中，硼能极大地提高钢的淬透性，硼在钢中的含量很窄，又微量，以0.001%～0.003%较宜，最佳为0.001%～0.002%。低碳硼钢是节能型材料，它降低变形抗力，可以省去冷变形前的预备材料；部分产品可以用正火代替淬火；渗碳后淬水不会开裂，淬火后可以不回火，节能又环保；锻轧等热加工后直接淬水，一举多得。我们应该积极推广节能材料——低碳硼钢。