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铌微合金化钢的开发现状及发展趋势

在过去的10年中，国际管线工程的工作压力已提高到120bar。深海管线要求壁厚超过40mm，管径可能提高到1620mm。当前管线用钢的主流产品还是标准的X70，用于壁厚1520 mm的管子时，它的原始成分足0.10%C，1.55%Mn，0.007%S，0.03%Nb，0.05%V。90年代X70级钢的碳含量和硫含量分别降低到了0.08%和0.005%。为了把强度提高到X80级，同时又不牺牲太多的韧性，就要增加锰含量，必要时也可加钼或镍以提高钢的淬透性，通过加入化学当量比的钛含量来固定氮，增强铌对奥氏体调节和相转变的影响，得到更多的贝氏体组织。
　 管线钢的开发不只是提高强度。最近几年高硫化氢含量的新油气田越来越多，这就要求管线钢有高的抗氢脆性能。要得到高的抗氢脆性能，钢的硫含量必须低于10ppm，形态也必须控制。为得到均匀的组织，一般要使碳含量低于0.05%，同时也要限制锰的含量。近年来，在CBMM公司资助下，国外一些钢铁公司研究开发了适用于高温轧钢工艺的低碳高铌的(0.03%C—0.10%Nb)的高韧性，抗硫化氢腐蚀的高强度管线钢。
一 汽车用钢
　 国际“超轻型钢车体”(ULSAB)计划的研究，世界所有主要的钢厂都参与了这项工作，高强度钢占“超轻钢车体”的60%以上，如下这些钢类都是含铌钢：低碳IF钢、高强度IF钢、烘烤硬化钢、微合金化高强度钢、双相钢、残余奥氏体钢、复相钢。
1 汽车用热轧钢板
　　a) 热轧高强度微合金化钢
　　热轧高强度微合金化钢是在低碳—锰钢基础上添加0.03%～0.06%铌作为主要微合金化元素，以晶粒细化和析出强化为主要强化机制的热轧钢带材，屈服强度范围在350-700MPa。对屈服强度大于 550MPa、厚度大于6mm的带钢，则需要在加铌的基础上加钛和钒复合微合金化处理。
　　b) 热轧多相钢
　　热轧多相钢是另一种高强度热轧钢。研究表明，在双相钢 (0.1%C， 1%～1.5%Mn，0.1%～0.5%Si，0%～1.2%A1)中添加 0.03%铌，配合大累积变形量，利用亚动态再结晶，得到细晶组织的DP钢，强度可提高约1OMPa。
　　c) 热轧相变诱导塑性TRIP钢
　　热轧相变诱导塑性TRIP钢是这个多相家族的另一新成员。研究表明，在原TRIP钢典型成分 (0.2%C，0.3%～1.5%Si，1.0%～1.5%A1)基础上，添加少量的铌可使热加工在低于再结晶停止温度以下进行。
2 汽车用冷轧钢带
　　a) 冷轧高强度微合金化钢
　　轿车车体用钢的屈服强度大于 280MPa，特别是大于340MPa的带钢多采用铌微合金化钢为主。
　　b) 冷轧无间隙原子IF钢(或ULC钢)
　　为了得到IF钢，残余的碳必须用可形成稳定碳化物和氮化物的合金元素如钛和铌来固定。另外，仅用钛固碳，还对钢的深冲性能和点焊性能也有不利影响。钛铌复合固碳克服了上述缺点，因此Nb—Ti复合加入的合金设计越来越受到欢迎。具有高Lankford值(r值)和应变强化值的高强度IF钢一般只加铌固碳。同时，铌的加入产生细晶强化，得到更高屈服强度。
　　c) 冷轧多相钢
　　DP钢最初也不加铌，后来研究证明在DP钢中加铌可以细化晶粒，提高钢的延伸性。
　　d) 冷轧TRIP钢
　　研究表明，铌在室温温度可保持奥氏体的稳定性，并提高奥氏体中碳的富集程度保证奥氏体的稳定性。同时，铌的加入又使晶粒细化，每0.01%的铌约提高屈服强度15MPao
二 高强度焊接结构钢
　　在热机械处理TMCP的高强度结构钢的生产中，铌是首选的微合金化元素。近年来热轧钢板和卷板以及淬火+回火高强度含铌钢(屈服强度最小可达690MPa)扩大了应用范围。除了添加Nb—V钢，也使用 Nb—Ti、Nb—Mo—Ti、Cr—Mo—Nb—Ti的钢，以获得更高的强度，同时与其它性能相匹配。研究开发强度级别在690MPa甚至960MPa屈服强度的直接淬火钢表明，高达0.1%Nb的微合金化非常有优势。这个结果还有可能使含铌HSLA钢进入常规高碳淬火回火钢的领域
三 高强度结构型钢
　　2001年，结构型钢的生产开始采用控制轧制和在精轧后加速冷却新工艺技术。如由Arbed设计了“分级水冷系统”(WSC)，可以减少或消除在凸缘宽度方向上及凸缘和较厚型钢的幅板间的温度差，因此保证力学性能均匀。另一种是“淬火—自回火”加速冷却系统(QST)。较理想的工艺路线是把WSC和QST结合起来。这些新的工艺允许使用较低的碳含量，从而改善了钢的韧性和焊接性。按照需要的强度水平，加入 (0.01%—0.05% ) Nb 或 Nb (0.04%)+V(0.06%—0.10%)补偿由于降碳造成的强度损失。
　　80年代，美国钢铁业发展了近终形连铸含铌结构型钢／梁的技术，并已商业化。
四 铌作为微合金化元素在长型钢材中的应用
　　到上世纪80年代以后，冶金和材料专家们根据铌的物化特性将铌在板带材的物理冶金的知识应用到棒线材，型材，锻件和铸钢等的工程用的热处理钢材上，进一步扩大和发展了铌应用科学与技术。
　　目前，在我國有一个技术认识上的误区，认为铌微合金化仅仅适用于板带钢材，只有钒微合金化钢适于长型材，但并未注意到只要在深入理解铌的物理冶金的特性的基础上，界定显微组织类型、控制适宜的均热温度，终轧温度和轧后的冷却制度，棒线材和大断面长型材采用铌或铌—钒复合微合金化同样是优化的选择。
　　1 微合金化非调质钢(热／冷锻材)
　　a）微合金化非调质铁素体—珠光体钢
　　大部分用途的传统锻钢基本成分范围为0.25%～0.50%C，0.3%—0.6%引，0.7%～1.3%Mn。加入约0.1%钒使钢中先共析铁素体和珠光体中的铁索体通过VN析出得到强化，锻态抗拉强度可以提高到800～1000MPa水平。上世纪70—80年代，欧洲早期就开发了中碳—V—N微合金化非调质钢49MnVS3，当时人们就认识到提高钒加入量可使这些钢的强度呈线性增加，但由于晶粒粗大而恶化了韧性。为适应汽车制造厂对安全性的要求，改善钢强韧性成为微合金化非调质钢一项主要的技术要求。上世纪90年代，由ASCOMETAL(法国)生产的Nb—V非调质钢，利用了铌的晶粒细化降低珠光休片层间距，控制相变和析出强化的三重作用，使METASAFE钢成为Nb—v非调质钢家族的主要成员。
　　b) 微合金化非调质多相钢
　　2000年左右，在北美地区开发和生产低碳—铁素体+贝氏体+马氏体(F+B+M)的“多相”钢BHS—1和FreeformTM钢。多相微合金非调质钢是低C—Mn—Mo—Nb类钢，降低含碳量为0.10%～0.15%C，添加 0.05%—0.12%Nb。加铌的目的是为了加工过程中奥氏体调节以及在控制冷却过程中的相变特性，以得到一定数量的贝氏体和马氏体。 Mn—Mo—Nb钢表现出来的多相组织所具有的连续屈服应力—应变特性对冷冲与冷锻生产来说是非常理想的。使用多相钢可直接淬火，省去传统钢所需的球化退火和再加热和调质工序。
　　c) 直接淬火—自回火马氏体微合金锻钢
　　铌在这类钢中的作用是弥散分布未溶的Nb(C，N)颗粒可以阻止再结晶，避免在锻造、调整过程中以及在进入淬火介质之前的停留过程中奥氏体晶粒长大。在锻造温度高达1290℃的条件下，钢的晶粒尺寸仍然能保持超过ASTM晶粒度5级的水平。固溶的铌可以有效地提高钢的淬透性，使钢的强度提高20%。
2 　微合金化非调质高强度钢棒线材(紧固件用钢)
　　发展高强度紧固件用钢的主要技术路线可以概括为，采用微合金化非调质棒线材制造非热处理紧固件，对需要热处理材钢种要减少合金元素含量来防止高强度紧固件的延迟断裂
　　a) 低C—Nb／V—Nb铁素体—珠光体钢：
　　在1980年，新日铁首先开发一种Nb—V—Ti非调质钢线材用来生产冷镦螺栓，其强度水平达到 700MPa而不需进行球化退火、淬火或回火。钢的化学成份为低碳 0.10%C～1.5%Mn，添加少量的 Nb、V和Ti，在控轧控冷条件下，获得适当的铁素体和珠光体组织。另外一种低C—Nb／V—Nb铁素体—珠光体钢，利用铌的沉淀析出以及晶粒细化作用也可以满足级别为 8.8紧固件的技术要求。
　　低C—Mri—Nb—B贝氏体铁素体非调质钢
　　为生产搞拉强度800～1000MPa的高强度螺栓紧固件,传统工艺需要很多热处理步骤：球化退火、淬火回火(调质处理)。Heritier等报道：使用具有低碳贝氏体组织和一定数量的均匀分布的马氏体组织的铌微合金化低C—Mn—Nb—B非调质钢 (0.12%C—1.65%Mn—0.08% Nb—B)可以省去这些高成本热处理工艺，生产强度水平在1000～1200MPa范围的线棒材。添加铌是利用了铌的晶粒细化和中间相沉淀析出的强化作用。硼的加入使钢具有高的淬透性，在轧后冷却初期促进低碳的贝氏体形成。上述组织是硼／铌对钢相变特性的复合作用的结果，可以拉丝和冷镦。
　　b) 低C—Mn—Mo—Nb多相钢
　　BHS—1和FreeformTM钢 (Mn—Mo—Nb)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。连续的加工硬化特性和快的加工硬化速度使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。
由Mn—Mo—Nb钢制造的紧固件，除强度和韧性指标外，其疲劳性能也优于由传统的淬火回火的C— Mn钢((Mo)如AISl 1038或者 AISI4037制造的产品。此外，日本还开发了一种Mn—Mo—Nb和Mn— Cr—Nb针状铁素体钢，适于冷锻。
　　c) 低C—Cr—Ti—Nb—B非调质钢
　　日本研发新的含硼钢种25%C、0.05%Si、1.0%Mn、0.3%Cr、0.05%Ti、0.025%Nb、20ppmB，以轧制状态交货，在冷镦时.不需进行软化处理。甚至在轧制状态这种钢的变形抗力都是小到足以进行冷成型，这是由于减少了强化钢基体的合金元素C、Si和Cr的含量水平所至。添加合金元素硼和铌分别是为了弥补淬透性的下降和得到细化的晶粒。
　　d) Cr—Mo—Nb淬火—回火合金钢
当紧固件的抗张强度超过 1200MPa时，一般的淬火—回火合金钢都有在服役环境中易受到氢攻击的弱点而导致延迟断裂。为了减少对延迟断裂的敏感性，建议减少钢中杂质在原奥氏体晶界含量、加上细化奥氏体晶粒以及改变碳化物沉淀粒子在晶界析出的形态。一种能抵抗延迟断裂，抗张强度为 1500MPa的钢，推荐的化学成分为： 0.35%C，0.20%Si，0.35%Mn，0.010%P，0.010%S，1.25% Cr，0.40%Mo，0.02%Nb。
　　应当再次指出的是，在微合金化非调质钢中，铌有助于保证钢具有高强度和良好韧性，而V可以提供额外的沉淀强化效果。Mo和Nb的协同作用，通过形成Nb(Mo)(C， N)颗粒提高钢的沉淀强化效果。由于铌也有助于相变过程的控制，因此直接淬火的Mn—Mo—Nb锻钢展现出特别高的屈服强度和良好的韧性。
3　 含高强度捧线材—建筑用Nb／V热轧带肋螺纹钢筋
　　屈服强度大于400MPa的高强度棒材和钢筋多采用含V，Nb的微合金化钢，但是，当钢中碳和氮含量较高时，以钒微合金化更有效，而且，含钒钢生产工艺最稳定。在无特殊性能要求，钒铁价格低迷时的情况下，生产含钒钢还是最佳的选择。但是，在钒铁价格高价运行的情况下，采用微合金化技术路线应是最经济的方案。
　　1981年以前，在步进式加热炉出现前，由于难以保证坯料上下面加热均匀，铌在上下面的溶解和析出程度产生差异，导致轧后棒材的侧弯问题一直困扰着铌在热轧钢筋钢中的应用。研究和生产实践证明：要发挥铌的最大效果，必须在降碳的同时选择合理的加热温度，保证全部或至少大部分铌在轧钢前固溶到奥氏体中，在轧钢过程中一部分铌以NbC析出，阻止再结晶和晶粒长大，得到的细化晶的室温组织，具有好的韧性和可弯曲性。保留的固溶铌在随后的冷却过程中均匀析出，进一步强化室温组织。在合理的工艺条件下，0.01%～0.02%Nb作用相当于0.02%～0.03%V。对提高可焊接热轧钢筋(-0.02%C)钢的屈服强度，铌的作用比钒作用更有效。
　　一般来说，在控制晶粒尺寸方面，铌比钒作用更为效。但是，在较高C和高N钢中，由于后者的有效性，而有直接的冲突。为了获得铌的最佳作用，应当采用足够高的均热温度，以在轧钢之前确保绝大部分的铌溶解进奥氏体中。在轧钢过程中，铌以NbC质点析出阻止再结晶和晶粒长大，从而得到具有良好的延性和可弯曲性的室温组织。到80年代后，步进式加热炉的的推出，使钢坯的均热温度更加均匀，这有利于铌的应用,从而消除了过去在较高碳的含铌的棒材生产中令人头痛的棒材歪扭问题。但是，在低碳 (0.20%C)可焊接的钢筋中，铌比钒对提高钢筋的屈服强度更为有效。因此，为获得一定的强度水平，可以用更少量的铌替代钒。
　　五 含铌表面硬化钢
　　新开发钢典型化学成分为 0.2%C、0.10%S、0.50%Mn、1.0/2.0%Cr、0.0015%B、0.05% Nb。和SCr420钢相比，为了降低钢热轧态的硬度，降低了C、Si和Mn含量水平，控制硼的加入量和铬的含量水平来调整钢的淬透性，通过加入铌来防止渗碳时的晶粒粗化。由于NbC的钉扎作用，可使奥氏体粗化温度大大提高。也就是说，含铌钢可以用比不含铌的钢高很多的渗碳温度进行渗碳处理，在要求同样渗碳深度时，减少处理时间而使成本大大降低，同时还减少了渗碳件的变形。
　　六 含铌弹簧钢
　　随着设计应力增加，高强度调质处理弹簧钢要求具有合乎需要的吭张强度、屈服强度、疲劳强度、抗下垂性和腐蚀疲劳强度以及延迟断裂阻力。在1990初，为减轻客车的重量，采用高合金弹簧钢以提高强度 (1300MPa)。但是，到了2000年，弹簧钢研究的发展方向已经又回到减少合金元素的含量上来。
在日本，为节约合金成本，把汽车螺旋弹簧的设计应力又从 1300MPa降到1200MPa，开发了一种设计应力1200MPa的新钢种。成分为0.4%C、1.8%Si、0.5%Ni、1.1%Cr、0.15%V0.025%Nb、0.0015%B。
　　七 含铌高强度抗SSC油井管
　　开采含腐蚀性硫化氢的深油气井需要高强度的油井管，并要求具有良好的抗硫化物应力开裂倾向的性能SSC。理想的抗SSC的显微组织通常是具有细小原始奥氏体晶粒和均匀分布碳化物颗粒。在这方面，日本联合研究开发实验室做了很好的研究工作。过去十年间开发的铌微合金化高强度油井管钢中系列中，通常都采用铌微合金化技术以利用 Nb(C，N)碳氮化物阻碍晶粒长大，可以在奥氏体化时形成细晶粒组织。这是铌在获得最佳抗SSC性能方面最重要的特性。此外，为了获得超细晶粒组织还特别开发了新的热处理工艺，如轧后加速冷却和感应加热。在这些新工艺中，铌起到重要的细化晶粒作用，此外，还发现含铌钢在高温下奥氏体化其二次析出强化作用可以有效提高后续。的回火软化抗力。
　　八 含铌铸钢
　　70年代后期，铌微合金化的铸钢在诸多新的应用方面有很大增长。由于铌在高温有阻止奥氏体晶粒粗化和析出强化的作用，为铸钢提供了高强度、良好的韧性、抗疲劳性及抗蠕变性能。因此，对要求条件苛刻的铸钢件，常常采用铌微合金钢生产。较低碳含量的含铌铸钢也具有良好的韧性和可焊接性，并可以不再预热和焊后热处理。因此，近年来在铸造业中，含铌铸钢的产量在不断增长。如炼钢用的渣包铸钢(0.05-0.10%C，Ni—Cr—Mo—0.05%Nb)，加铌可大大提高其高温强度和使用寿命。另外，含Mn—Mo—Nb(十V)的(0.4%Mo、0.04%Nb、0.06%V)铸钢件，如汽缸、牵斗、连接件、节点、铁路车辆的挂钩和用于支撑核反应堆框架的重665kg连接件的铸钢均在工程中应用着。

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