铌在汽车业工程用钢中的应用

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1、铌在汽车工程用钢中的应用ChristianKlinkenberg等摘要：在过去十年中，欧洲汽车用带钢和薄板中铌的用量增长了三倍。不断地提高强度与优良的抗疲劳性、成形性和焊接性相结合，是带材和板材用高强度钢和先进高强钢开发的重点。目前为止，微合金化钢的巨大潜力在锻件和弹簧应用方面仍未得到发挥。本文通过汽车传动装置、悬架和弹簧等部件介绍特殊钢的新材料方案，其加工工艺的使用性能得到优化。对低、中、高碳铌微合金化钢的加工、应用以及冶金背景给予了特殊考虑。铌冶金技术能在减碳的情况下保证钢的强度，使高强度与优良的韧性、抗疲劳强度和焊接性能相结合，以较经济的成本满足用户苛刻的要求。关键词：

2、锻件工程用钢表面硬化铁素体-珠光体钢微合金化铌1．前言微合金化钢薄板和中厚板已成为管线、汽车和建筑用钢的标准材料，自从上世纪六十年代以来，微合金化钢种得到了快速发展，使不断提高的强度与优良的韧性和焊接性能完美地结合在一起。然而，在汽车业工程用钢方面微合金化高强度钢的潜力却一直没有发挥出来，而另一方面，用户和钢铁生产商正希望这项成熟技术能够进一步减轻汽车重量。一辆普通乘用车一般包含约180kg的特种长条钢材，另外排气系统还用不锈钢部件。本文介绍铌微合金化钢应用于汽车用锻件、弹簧和排气系统的冶金背景和实例。铌对钢的机械性能具有三重影响：热机械成形过程中细化晶粒，降低γ→α的转变温

3、度（Ar3）以及析出硬化。晶粒细化是同时增加强度、韧性和延性的唯一机理，这使铌成为最有效的微合金化元素，即使添加量很小亦表现出明显效果，如图1所示[1]。铌的晶粒细化作用主要是由于在最后热成形阶段延迟或阻止再结晶；伸长晶粒和奥氏体较高的位错密度促进铁素体成核；同时，通过降低γ→α的转变温度固溶铌增强铁素体的成核速率并减缓晶粒增长速率。这种综合作用产生了一个特别细晶的转变组织。为了充分发挥铌的冶金潜力，必须以足够的加热温度在热成形之前溶解Nb（C、N）析出物，使铌成为固溶体。图1微合金化元素对0.08%C、0.90%Mn钢延性和强度的作用；强度和韧性的提高得益于沉淀和晶粒细化工

4、程用钢主要指锻造用钢，如冷镦钢、弹簧钢和滚珠轴承钢以及表面淬硬钢、调质钢（QT）等。因为工程用钢的碳含量较高，所以必须确保前述机理在碳含量范围内起作用，即0.2质量%（表面淬硬钢）至0.7质量%（弹簧钢）。另外，包括几个热处理工序（如软退火、调质、消除应力退火）的汽车部件加工工艺与钢带和钢板生产工艺有明显区别。图2示意性描述了部件制造前后的热处理工艺。与低碳微合金化钢加工过程相比，这些热处理工艺要求A3以上的高退火温度和/或长达数小时的处理时间。在整个处理过程中必须考虑微合金化的不同作用。本文以表面淬硬钢为例探讨工程用钢微合金化的基本原理。转变温度T35J的增量（℃）、屈服强

5、度增量（N/mm2）、/析出、/晶粒细化图1微合金化元素通过析出和晶粒细化对0.08%C、0.90%Mn钢延性和强度的作用2．锻造用钢表面淬硬钢。汽车部件（如传动装置）必须满足复杂的要求。这种锻件的表面通常接受渗碳和淬火处理，给坚韧的内芯增添一个坚硬的表面，将优良的耐磨性能与疲劳强度相结合。常规的渗碳工艺施加880～930℃的奥氏体化温度，保持20h后获得一个约2mm厚的渗碳层。将渗碳温度提高至1050～1100℃可使处理时间减少近60%[2]。不过，温度提高后将导致相当多的奥氏体晶粒长大。除化学成分和淬透性以外，奥氏体晶粒尺寸是影响表面淬硬钢的另一个重要因素。它影响淬硬区和

6、工件芯部的转变行为，显微组织和机械性能；均匀的奥氏体细晶尺寸分布减少淬火后机械性能的散布；更加均匀的硬度分布减少工件的变形。过去，通常用Al和N进行钢微合金化，以实现足够的细晶稳定性。近年来，有关添加铌和钛产生的效果屡见报道[如3]。微合金化可能既阻止晶粒长大，又能产生更加均匀的细晶组织。表1给出了欧标《EN10084》规定的典型渗碳钢16MnCr5的化学成分和不同微合金化变量的示例。该规范允许根据用户协议添加微合金化元素。为评估和确定晶粒粗化对表面淬硬钢机械性能的影响，必须界定晶粒尺寸分布的目标区域。根据钢材用户的通常做法，晶粒粗化温度（GCT）与以下限制有关：所有晶粒必须

7、为ASTM晶粒度第5级或更细；ASTM第4和第3级晶粒最多容忍至10%的体积分数；ASTM第2级或更粗的晶粒是不允许的。表1渗碳钢化学成分；灰色区域指用于晶粒细化的合金化方案钢号CSiMnNiCrMoAlNTiNb基材（16MnCr5）0.180.221.050.140.920.060.0330.008--基材+Nb0.160.281.120.121.010.030.0220.013-0.032基材+Al、N、Nb0.190.230.75-1.190.020.0400.026-0.045基材+N、Ti、