劉瑞寧1，2，王福明1，李　強2
(1　北京科技大學　冶金與生態工程學院，北京　100083；2　石家莊鋼鐵公司　技術中心，河北　石家莊　050031)
　　摘 要:介紹了微合金非調質鋼的發展及其應用現狀，開發微合金非調質鋼符合鋼鐵產業發展政策和石鋼公司的“邊緣-精進”戰略。
　　關鍵詞:微合金；非調質鋼；發展；應用
1　前言
　　石家莊鋼鐵有限責任公司是中國汽車用鋼(棒材)專業化生產企業，現年產鋼能力近260萬t，產品結構以優質碳素結構鋼、合金結構鋼、齒輪鋼、軸承鋼等五大系列汽車用鋼(棒材規格為Φ14～180mm)為主，其熱軋汽車棒材主要供鍛造廠鍛造成汽車零配件(如汽車前橋、半軸、轉向節、發動機曲軸、連桿等)。微合金非調質鋼是一種理想的節約能源、節約資源的經濟型新材料，符合鋼鐵產業發展政策要求，其用途十分廣泛:凡是加工過程中需要調質的鋼(如45，40Cr等)均可用非調質鋼替代；省略調質工序，可省去占調質鋼生產總成本6%的熱處理(淬火+高溫回火)費用，德國人估計用49MnVS3非調質鋼代替調質鋼做連桿可節約總成本的38%。日本愛知公司分析，微合金非調質鋼因省略調質處理這一工序，就可使熱鍛產品的成本降低18%[1]。
2　微合金非調質鋼的發展
　　微合金非調質鋼強化機理不同于調質鋼。調質鋼是將軋、鍛后鋼材重新加熱淬火再經高溫回火獲得所需組織性能。而微合金非調質鋼是在軋制溫度下，使鋼中V，Nb，Ti等合金碳氮化合物較充分溶入奧氏體，使奧氏體充分合金化，在軋、鍛冷卻過程中析出大量微細彌散分布的合金碳氮化合物，并發生沉淀強化及先共析鐵素體呈細、小、彌散析出，分割和細化奧氏體晶粒使鋼的強度與硬度增加，基體組織顯著強化。為此，獲得相當調質鋼經調質處理后的綜合力學性能，由于省去了調質處理工序，因此稱之為微合金非調質鋼。
2.1　國外微合金非調質鋼的開發及應用
　　20世紀60年代發展起來的微合金化技術為非調質鋼的產生提供了理論和生產基礎，70年代初期發生的能源危機直接促成非調質鋼的出現及發展。1972年德國THYSSEN公司開發了第一個非調質鍛鋼49MnVS3(鐵素體-珠光體，抗拉強度850MPa)取代了調質CK45鋼制造汽車曲軸，提高了鍛件成品率、切削加工性能、疲勞性能、生產效率，降低了成本，此鋼種很快在德國、瑞典等歐洲國家用于汽車曲軸、連桿等鍛件的生產。德國奔馳汽車曲軸使用非調質鋼代替40CrMn調質鋼制造，瑞典Volvo汽車制造廠在20世紀90年代初期年用量就3萬多噸，其目標是除滲碳件外，所有鍛件全部采用非調質鋼生產。隨后英國鋼鐵公司建立了Vanard(850～1100MPa)熱鍛用非調質鋼系列，法國SAFE公司開發了一系列METASAFE鋼(800～1000MPa)[2]。此外，美國福特、意大利菲亞特及俄羅斯伏爾加汽車都采用非調質鋼制造汽車的曲軸、連桿等零件。近年來日本研究微合金非調質鋼最為活躍，處于世界先進水平，新日鐵、神戶制鋼、愛知制鋼、山陽特殊制鋼等相繼建立了自己的微合金非調質鋼系列，廣泛應用于汽車的行走部件和汽車發動機的曲軸、連桿鍛造等。
2.2　中國微合金非調質鋼的開發進程
　　中國微合金非調質鋼的開發在“六五”起步，“七五”列入國家攻關項目，“八五”期間進行了重點推廣工作，“九五”和“十五”主要是面向轎車用非調質鋼的開發并擴大非調質鋼的應用數量和范圍。石鋼自2003年開始進行非調質鋼的研究和開發工作，主要進行了SG45、F40MnV和36Mn2V等微合金非調質的生產，產量實現6200噸，主要用于機械行業和無縫鋼管的生產。
　　微合金非調質鋼先后經歷了鐵素體-珠光體型組織(第一代)、低碳貝氏體組織(第二代)和低碳馬氏體組織(第三代)三個階段的發展[3]。與調質鋼相比，傳統熱鍛用非調質鋼的強度有余而韌性不足，限制了它在強沖擊條件下的應用，因此，非調質鋼的發展重點是在保證強度的基礎上提高韌性。近年來，冶金科技工作者為了提高微合金非調質鋼韌性開發并應用了一系列新技術，完善了微合金非調質鋼的產品系列。
　　(1)鐵素體-珠光體型微合金非調質鋼。鐵素體-珠光體型微合金非調質鋼目前用量最大，約占總用量的60%以上。為了利用碳化物析出強化來達到所要求的高強度，通過增加碳含量來增加組織中珠光體的百分數，因此韌性難以滿足要求。為此，應用了一系列新技術來提高鐵素體-珠光體微合金非調質鋼的韌性。
　　晶粒細化技術。細化晶粒能有效提高鋼的韌性，而且能保持高強度。非調質鋼中常加入鋁、鈦等元素，通過析出細小的氮化鋁、氮化鈦來釘扎奧氏體晶界，防止加熱時晶粒長大或抑制形變過程中的奧氏體再結晶，細化奧氏體晶粒。成分為0.32C-1.0Mn-0.12V-0.024Ti的非調質鋼加熱到1250℃時，奧氏體晶粒仍能保持在5級以上，就是因為均勻分布的粒徑0.1μm的氮化鈦顆粒起到了釘扎奧氏體晶界、防止晶粒粗化的作用。
　　晶內鐵素體技術。非調質鋼鍛件在冷卻過程中發生相變時，鐵素體易沿奧氏體晶界首先形核長大，隨后奧氏體的其余部分轉變為珠光體。如果沿珠光體晶粒形成網狀鐵素體就會嚴重損害鋼的韌性。日本鋼鐵公司的研究人員發現[4]，通過適當控制生產工藝，在奧氏體晶內提供大量鐵素體形核位置，則相變時鐵素體不僅在晶界上形核，也能在奧氏體晶內形成，故能得到細小且分布均勻的鐵素體，使鋼的韌性顯著提高。
　　IGF的析出與MnS以及MnS上析出的VN或TiN粒子有關，而MnS的析出與分布又與鋼中微細氧化物核心有關，因此鋼中氧化物的特征、種類、數量、大小就決定了MnS的數量和大小。脫氧元素不同，所形成氧化物的種類、數量及分布都不一樣，鋼中的硫含量要在0.06%左右，有利于析出IGF。硫在此處的目的不是改善切削性能，而是為了和氧化物形成復合夾雜促進IGF的形成。新日鐵高村等人提出的氧化物冶金技術就是這樣的一種思路。
　　(2)貝氏體微合金非調質鋼。獲得高強度和良好韌性的非調質鋼，對獲得低碳貝氏體組織比較有利。此外，為了確保高強度還必須有一定的碳含量。為了空冷得到貝氏體組織，必須在鋼中加入鉬、錳、硼等合金元素，這是因為鉬對中溫轉變的推遲作用顯著低于高溫轉變；錳達到一定含量時可使奧氏體等溫轉變曲線呈ε形，使鋼的上下C曲線分離；硼可以顯著推遲鐵素體轉變。因此，鉬-硼或錳-硼相結合可使鋼在相當寬的冷卻范圍內得到貝氏體組織；同時錳可以降低相變溫度，改善韌性、提高強度。為了彌補碳含量降低引起的強度下降，低碳貝氏體鋼中通常加入釩、鉻等元素，確保其高強度。寶鋼生產的12Mn2VB貝氏體鋼，用于生產汽車的前橋，該鋼在軋態或經回火的力學性能指標為:бb≥686MPa，бs≥490MPa，δ5≥17%，ψ≥45%，ak≥78J/cm2。
　　(3)馬氏體微合金非調質鋼。1988年美國ChaparralSteel的P1H1Wright首次提出了第三代微合金非調質鋼的概念，此類鋼具有低碳回火馬氏體組織。與貝氏體微合金非調質鋼相似，得到低碳馬氏體非調質鋼也能兼顧高強度和高韌性的要求，目前已經在汽車行走部件和建筑機械方面得到應用。同時，繼鐵素體-珠光體(F-P)型、貝氏體(B)型、馬氏體(M)型微合金非調質鋼開發應用以后，F-B型、F-M型復相微合金非調質鋼因成本低，性能優而逐漸被開發利用。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——摘自《中國金相分析網》