铌在钢铸件与锻件中的应用

铌在钢铸件与锻件中的应用
    微舍金化钢消耗了世界Nb总产量的80%,其产量占世界产钢总量的大约10%。除了汽车、管线、建筑和结构等用量大的领域外,含Nb微合金化钢也越来越多地应用于诸如铸件、锻件、汽车锻件和紧固件等小批量的领域。这些钢都表现出较高的韧性、焊接性能和强度。微合金化钢也具有良好的高温性能,因此其潜在的应用领域大大拓宽。此外,对于某些应用,如海洋构件用联接头,主要由于降低了应力集中,含Nb铸钢在疲劳性能方面有了很大的改善。
    1微合金化钢的设计
    微合金化钢是典型的含有少量的Nb、V、Ti和Al的中低碳钢,这些合金元素或者单独加入或者复合加入。大多数商业化微合金化钢在物理冶金以及力学性能改善方面的进展简要的总结如下:
    (1)晶粒细化以提高强度和韧性;
    (2)较低的C含量(O.003%~0.15%)以改善韧性和焊接性能;
    (3)正火处理、终轧后冷却、或淬火或正火后时效处理过程中沉淀析出产生强化;
    (4)由于针状铁素体、贝氏体或马氏体等低温相变产物引起亚结构强化;
    (5)固溶强化,尽管这种强化方法由于最有效的固溶元素——C、N、P和Si对钢的韧性产生极坏的影响而受到限制。
    低碳高强高韧钢(HSLA钢)的基础是通过相变形成细小的铁素体晶粒。细化晶粒是唯一的既显著提高韧性的又提高强度的方法。
    然而,在中碳钢中,珠光体团的尺寸和片层厚度决定其韧性。前者受奥氏体晶粒尺寸的影响,而后者受含C量的影响。含C量越低,渗碳层的厚度越薄,钢的韧性越好。
    另一方面,珠光体钢的强度由其片层间距决定,而片层间距反过来由珠光体的相变温度决定。相变温度越低,片层间距越小,强度越高。
    添加Nb的原理在于能在低中碳钢中形成碳氮化合物析出。这种析出相在重新加热过程中可全部或部分溶解。溶解的程度取决于温度、时间、加热和冷却速率以及溶解度积【Nb][C,N】。因此,Nb(C,N)的析出动力学将控制Nb的添加,以获得最佳的效果,而处于固溶状态的Nb的含量将决定相变的温度。
    2钢铸件中的Nb
    绝大部分微合金钢(可能在98%以上)用于锻造产品,而在铸造业的应用尽管40年前就已开始,但进展十分缓慢。
    锻造产品可以利用Nb的碳、氮化物析出来抑制轧制过程中的回复和再结晶改变,铸钢为获得最佳的力学性能,必须依靠奥氏体晶粒细化、奥氏体向铁素体转变的相变温度控制以及铁素体的析出强化。
    在铸造温度冷却的过程中,由于没有外部的塑性变形,Nb(C,N)析出几乎不会发生。然而,一些细小的Nb(C,N)可以在奥氏体向铁素体的相变过程中(形成析出相列)和铁素体内析出。析出的程度取决于铸造过程的冷却速率。
    如果铸件在正火前紧接着进行均匀化处理(通常仅对于大铸件才进行),温度可以升到1100度,或者更高,这样会使Nb(C,N)全部或部分溶解。没有溶解的Nb(C,N)粒子可有效地钉扎奥氏体晶界,抑制奥氏体晶粒长大,从而获得极大的晶粒细化效果。这种效果存正火处理过程中会更加明显,因为在这种情况下重新加热的温度较低(900~1000度),Nb(C。N)粒子更加稳定,奥氏体晶粒长大的驱动力被降低。
    在抑制晶粒在高温下粗化方面,Nb比V和Al效果更佳。在正火处理的钢中,这种效果意味着Nb是一个最有效的晶粒细化剂,尤其在低浓度(0.02%~0.04%)范围。如果要用V产生同样的细化效果,将需要加入0.10%的V,并且还需N的浓度高达0.020%。在铸钢中,Ti形成粗大的氮化物颗粒,这对于晶粒细化来说是没有明显效果的。在正火温度冷却的过程中,Nb可以产生两种主要的影响,这取决于冷却前处于固溶状态Nb的量和随后的冷却速度。首先,固溶铌可明显提高钢的淬透性,尽管由于较低的正火温度这种作用有限,以及在某种程度上会被晶粒细化的作用抵消。即使这样,Nb还是能降低奥氏体向铁素体转变的相变温度。
    事实上,在所有的微合金化元素中,在给定的晶粒尺寸条件下,固溶铌在降低奥氏体向铁素体转变的相变温度方面是最为有效的。
    固溶铌可以与Mo(或B)相结合使用,在空冷铸件中产生针状铁素体或贝氐体。Mo的存在可以保证整个大的铸件所要求的力学性能。
    Nb(C,N)可以在奥氏体向铁素体的转变过程中和生成的铁素体相内析出,这将取决于加热温度和冷却速率。这种细小弥散分布的析出相可提高钢的屈服强度。
    以固溶状态保持在铁素体中的Nb在随后的回火(时效)处理过程中将以弥散细小的Nb(C,N)颗粒形式析出,从而使屈服强度升高。由于在时效过程中Nb(C,N)的析出而产生的析出强化效果比淬火后的效果要明显得多,因此在比较快的冷却速率条件下被保持在固溶状态的铌量增加,这将使随后的Nb(C,N)的析出更多。
    此外,Mo已经被证明能延缓Nb(C,N)在奥氏体中的析出,这使得更多的Nb可以固溶状态保留在其中,并能增加Nb(C,N)在铁素体中的析出,因此,强化效果更为明显。Mo本身也被证明存在于析出相中,这会通过增加共格应变和(或)增加析出相的体积分数来增加强化的效果。最近的研究表明,在Nb—Mo钢中,Mo能强烈地偏聚在Nb(C,N)与铁素体基体的交界面,从而阻止Nb原子自铁素体基体中向Nb(C,N)颗粒中扩散。这样,即使在高温,也能保持细小的析出相尺寸,从而带来强度的增加。总之,向Nb钢中加入Mo,在不损坏韧性的前提下能够有效地提高屈服强度。
    3微合金化铸钢的发展
    微合金铸钢在过去的20~30年间已经得到了广泛的应用,包括用于住宅、牵斗、连接器、海上连接头和其它海上构件、铁路联结器、渣罐及轧机的轧辊的Mn—Mo—Nb(±V)钢。
    在20世纪70年代建立的两个直接的用途是:用于支持莺达665kg的核反应堆支架的连接部件和用于每件重达120kg的建筑机械(Nb+V钢)的焊接构件。直径为350mm的核反应堆支承件连接件(0.08%C)具有优异的焊接性能,这还说明在正常焊接条件下,硬度低于280HVl0。只有在以异常低的热输入(7.5J/cm^2)焊接后,才能获得比较高的峰值硬度。
    一种类似的铸钢(0.10%C、0.4%Mo、0.04%Nb.0.06%V)被提出用于生产铁路联结器,这种钢的最低屈服强度和拉伸强度分别为415MPa和620MPa。对于这种细晶粒多边形铁素体钢所要求的最小韧性为在-40度下V形缺口夏比冲击能(CVN)为34J。铁路联接器在服役条件下会受到高载冲击和其它动载应力,并且必须现场焊接。已经证明低碳微合金钢可非常成功地用于这一部件的制作。
    自20世纪70年代以来,海上工业的发展刺激了人们发展高质量的钢来生产大量的构件,主要是海上构件用连接头。
    铸钢连接头与焊接连接头相比具有许多优点,包括:(1)极大地提高了疲劳寿命(根据接头的类型,可达4-18倍);(2)降低应力集中;
    (3)在关键部位没有焊缝(或相关的微裂纹);(4)在各个方向上有均匀的高韧性(特别是在低温下);(5)增加了连接的刚度(改善抗冲击性能);(6)降低翘曲倾向性。
    另外,据报道,与装配式连接头相比,铸造连接头能节省成本高达20%。这种铸钢在其它方面的应用包括:在海上结构的易疲劳区中的嵌入式铸件。海底提升机连接模块,将其沉入海底,使油通过90度弯曲从带有张力的隔水管流入管线。微合金铸钢被用来生产这个复杂的高应力构件的主体,而微合金锻钢被用于连接桩和管线。
    合金铸钢在高温下的应用是基于它们的拉伸特性、蠕变行为以及对热冲击和氧化的抵抗能力。对于许多传统微合金铸钢,主要由于热处理产生的稳定沉淀,在高温下仍保持较高的强度。高锰铌钢室温屈服强度可保持到大约400度,甚至到500度其的屈服强度仍能保持在接近400MPa。
    这些高温性能的应用领域包括铸锭钳式吊的臂、铸模、炼铁炉装卸料臂、热电厂的锅炉容器,最近又用于制造渣罐。
    讨论近几年开发的所有含Nb铸钢是不可能,但是有两种钢值得一提:一种是含Nb量为0.06%的高Cr钢(Cr3.5%)。这种钢的C含量很低,因而显著降低了淬火开裂倾向。另一种是含Nb0.1%的中碳(O.40%C)钢,用作辅助辊。
    前一种钢,命名为lmaco@(芬兰OvakoOyab的注册商标),具有马氏体显微组织,其屈服强度在680~850MPa之间,从标准成分和力学性能可以看出,由于这种钢的含C量很低,它具有优异的焊接性能。
    这种钢(Imacro)的应用范围包括,轧机的支撑辊和连接辊、吊车轮、为移动坯料而设计的吊车的夹紧装置以及初轧机的焊接辊道辊。后一种应用可以使辊的横截面积减小20%。用3.5%Cr-0.06%Nb钢制造的吊车轮与传统的C—Mn钢制造的吊车轮相比,使用寿命至少可以提高两倍。
   美国已经开发了含有微合金元素Nb的中碳钢用于热轧板带轧机上铸造支撑辊。在钢中添加了0.1%的Nb代替添加0.15%的V来控制晶粒尺寸。这类铸造轧辊的重量在40-60t之间,化学组成为:0.4%C-0.45%Si-1.0%Mn-2.O%Cr-0.8%Mo-0.1%Nb。
    典型的轧辊退火工艺为:925度×30h。轧辊在室温下的抗拉强度通常在1300~1400MPa之间,其从轧辊表面到轧辊12.5cm处的硬度达到46-48Rc,夏比V形缺口冲击功(CVN)为65J。如果钢中不添加微合金元素Nb,那么钢在室温下的冲击功只有10J。
    4.Nb在冲压和冷锻钢中的应用
    4.1铁索体-珠光体钢
    应用于汽车锻件、农业和工业机械锻件、紧固件和其它冷镦件等的微合金钢不仅具有优良的力学性能,而且成本显著降低。这是因为与传统合金钢相比,在许多情况下微合金钢在生产过程中可以省略诸如淬火、回火、矫直、消除应力等重要处理过程,这种成本的降低实际上比合金费用降低更经济。
    为汽车锻件开发的第一个微合金钢是V-N(49MnVS3)型的。虽然该钢的强度随V含量增加呈线性增加,但钢的韧性会降低。
    汽车制造商们出于对安全方面的考虑,改善钢的韧性很快成为微合金钢锻件的一个重要的目标。由此在法国、德国和意大利拓展Nb-V钢,后来在德国还开发了V-Ti钢。后一种钢的成分设计能够获得较好的强韧性配合,只要钢中0.1%的最低V含量与较高N含量配合,同时Ti:N比满足化学当量比。
    Nb-V锻钢的发展主要利用Nb的3个作用:晶粒细化、降低珠光体片层间距和沉淀强化。“METASAFE”钢已成为Nb-V微合金锻钢的主要家族。根据钢牌号的不同,它们的C含量在0.15%~0.45%的范围内变化,这一数值与V-Ti-N钢相比降低了很多,这也是钢的韧件得到改善的一个主要因素。较低的含C量也保证了钢具有良好的焊接性。
    研究表明,METASAFE1000钢(最低抗拉强度为1000MPa)在1250度下均热1.5h,就会有大约0.03%~0.04%的Nb固溶。因此,Nb-V锻钢的成分设计应该是保证大约0.02%的Nb不会固溶,以有效地细化晶粒,而固溶的Nb起降低珠光体片层间距和沉淀强化的作用。当钢中含0.03%Nb时,因Nb产生的沉淀强化效果,屈服强度可以提高约150MPa。等量的V的效果只可以使钢的屈服强度提高50MPa。要使V的沉淀强化效果达到0.03%Nb的效果,大约需要添加0.08%V。
    因此,Nb的最佳含量应是稍微超出固溶量。在METASAFE1000钢的情况下,这个值应该是0.05%~0.06%。仅仅大约0.02%未溶的Nb对于奥氏体晶粒尺寸所起作用。
    值得注意的是,实验表明钢的疲劳寿命与原始奥氏体晶粒尺寸之间呈线性关系。因而,细的奥氏体晶粒尺寸除了可以改善钢的韧性外,对于提高钢的抗疲劳寿命也是很有益的。
    除了METASAFE钢外,其它的Nb-V微合金化锻钢也已工业化生产。这类钢的应用是很广泛的,除了比较普通的应用,如连杆、曲轴、凸轮轴和转向节之外,其它如反向连接杆、后桥轴、反应杆和转动轴杆支撑盖也在生产。
    4.2低碳多相钢
    多相钢是在低碳钢的基础上用Mn、Mo和Nb合金化生产的。北美开发的这种钢的两个牌号分别为BHS-1和FreeformTM,其化学成分如表1所示。
    往钢中添加Nb是为了在热加工过程中进行奥氏体调节和控制在冷却过程中的相变行为。为了控制钢的相变,也向钢中加入Mn(1.4%~2.O%)和Mo(1.4%~2O%)。
    利用BHS-1钢所做的工业化实验包括连接杆、操纵杆和低位控制杆的制造。后一种构件是在热锻之后直接淬火,并且不需要其它任何后续的热处理。
    多相钢具有较高的强度、相当的韧性和无与伦比的抗疲劳性能。从生产角度来说,多相钢也可以不需要进行增加成本的二次加热、淬火和回火等工艺处理。
    Mn-Mo-Nb钢所展现出的铁素体-贝氏体-马氏体多相组织的应力-应变特性是最适合于冷拔和冷镦加工的。连续的加工硬化特性和快的加工硬化速度使该钢在微量变形之后强度有显著的提高。而且,这种钢高的塑性也消除了冷加工过程中发生断裂的可能性,也保证了阴模可以完全被充满。
    在40%的冷变形之后,钢的塑性仍然很好,并且最终构件具有足够的韧性,从而保证在服役过程中不会发生断裂现象。较高的冷拔变形率增加了钢的强度和疲劳抗力。含有较高Mn量和Mo量的钢(BHS-1)具有较大的加工硬化速度。然而,这两种钢,即使合金化程度较低的FreeFormTM钢http://www.forging1.com


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