Nb对高性能汽车钢的作用及影响机理

2020-09-04康华伟

山东冶金 2020年4期

康华伟

（山东钢铁集团日照有限公司钢铁研究院，山东日照276800）

1 前言

我国正处于汽车发展的普及期，汽车市场在未来的很长时间内仍将呈持续增长态势，但因汽车引起的环境污染与安全事故也将带来巨大的压力，因此，汽车的轻量化、安全性和低成本要求汽车用钢向高强度、高韧性和更易于加工方向发展。含Nb汽车钢的发展应用，大幅提升钢的强度与韧性，Nb微合金是目前汽车用钢中添加最广的微合金元素之一。

20世纪80年代是汽车用含Nb钢高涨的年代，我国虽然发展较慢，但对含Nb 汽车钢的使用也越来越广泛。目前欧洲典型的汽车含Nb 量约100 g/辆，如此微量的Nb 就能在汽车安全和轻量化方面达到非凡的效果。据统计，目前世界平均吨钢的Nb消耗量为50 g左右，而中国仅约为23 g。随着含Nb 合金钢的良好组织结构与突出性能表现，目前许多钢铁厂都在加大对微合金Nb 钢的研究与应用，以适应高强高韧钢的发展趋势。

图1 微合金含量对低碳钢晶粒大小的影响

2 微合金Nb对钢的影响机理

在钢的各种微合金化元素中，Nb是最有效的微合金化元素，104个铁原子中有1个铌原子就能达到改善钢性能的目的，实际上钢中加入0.001%～0.1%的Nb就足以改变钢的力学性能。Nb作为微合金化元素加入钢中并不改变其结构，而是与钢中的C、N、S结合改变钢的显微结构。Nb对钢的强化作用主要为细晶强化和弥散强化，Nb能和钢中的C、B生成稳定的碳化物和碳氮化物，还可以使碳化物分散并形成具有细晶化的钢［1］，因此，晶粒细化和沉淀强化是微合金钢最重要的两种强化方式。

生产汽车用钢的微合金化元素一般有Nb、V、Ti、Zr 和B 等。其中Nb、V、Ti 等微合金元素的加入，既能阻止奥氏体晶粒长大，又能阻止奥氏体再结晶，从而细化了铁素体晶粒，其结果如图1 所示［2］。从图1 中可看出，Nb 的细化晶粒效果最明显，因此本研究主要是针对Nb 微合金对汽车钢的影响作用。

微合金元素主要是以细化晶粒为目的而添加到钢中，同时也伴随着沉淀强化以及改善夹杂物形状等作用。微合金元素Nb、V、Ti 在钢中与C、N 强烈反应形成相应的碳化物、氮化物或碳氮化物，统称为微合金碳氮化物M（CN）。此化合物加热到高温时溶解，而在低温时又弥散析出，对钢材的强韧性产生重大影响。同时，此化合物在冷轧后的退火过程中阻碍再结晶及晶粒长大，从而改善冷轧钢的机械性能［3］。Nb 钢在加热过程中，加热到1 200 ℃时保温10 min，钢中的Nb大部分都溶于奥氏体中，析出的Nb 质点非常小；在轧制过程中，高温变形（再结晶区域，如1 050 ℃）时，Nb（C，N）化物颗粒是沿奥氏体晶界析出，而在晶内析出量很少；低温变形（未再结晶区域，如800～900 ℃）时，由于奥氏体未发生再结晶，具有较高的畸变能，位错密度高，因而加速了C和Nb的扩散速度，在晶界上、晶内和亚晶界上均有Nb（C，N）化物颗粒析出，故析出的颗粒较小。控制轧制就是应用微细的Nb（C，N）化物析出质点固定在亚晶界而阻止奥氏体晶粒再结晶，达到细化晶粒的目的［4］。对Nb 在钢中奥氏体与铁素体的作用机理，进行了归纳总结，如图2所示。

图2 Nb在奥氏体与铁素体中的作用机理

3 微合金Nb对汽车钢的作用

通过对微合金Nb 对钢的机理研究分析，可得出Nb 对汽车钢的主要作用有：1）提高汽车钢的强度。2）提高汽车钢的韧性。3）提高汽车钢及构件的疲劳性能。4）提高汽车钢的扩孔性能。5）提高汽车钢的弯曲性能。6）降低带状组织以及偏析。7）减缓汽车构件的氢致脆裂。8）提高汽车镀锌钢板的锌层附着力。9）提高汽车镀锌钢板的工艺可行性。

含Nb 高性能钢在乘用汽车的车身覆盖件、结构件、保安件等大量使用，如目前大量使用的IF钢、HSLA 钢、DP 钢、BH 钢、TRIP 钢以及超高强度热冲压成型PH钢等汽车用钢，微合金Nb在其中发挥了明显的作用，如表1所示。