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微合金化技术综述(上)

微合金化技术综述(上) 2011年12月04日 来源： 摘要60年代以来，微合金化技术得到了迅速发展。每一种微合金化元素，Nb，V和Ti均有其特点，冶金学家根据其特点设计出综合性能非常好的钢种。微合金化技术已经应用于非常广泛的钢材中，无论是板材还是长材。本文总结了微合金化的重要性、主要微合金化元素的效果和微合金化技术在钢产品中的应用。同时本文总结了从60年代至今微合金化钢产品的发展过程。AbstractSince the early 60's microalloying technology has been intensively developed. Each of the principal microalloying elements, Nb,V and Ti has its own characteristics and by making proper use of them the metallrugist can design steels with excellent combination of properties.Microalloying technology has been applied to a wide number of steels, both flat and long products. In this paper it is suummarized the importance of microalloying technology to steel products. It is also described about the development of the production of microalloyed steels since the early 60's till current days.简介为什么要微合金化提高钢的强度既简便又便宜的方法是增加碳含量。然而，这种方法使其他所希望的性能遭到消弱，如成型性，焊接性，韧性和其他一些性能。如图1显示了韧性是如何随碳含量的增加而降低，图2显示的是一个实际范例，管线钢的含碳量是如何随着时间降低的，然而强度水平却连续升高。因此，在上述几个性能都重要的情况下的几种应用，碳含量必须保持在低水平。在低碳钢中为了获得高强度并同时保持高水平的综合性能最经济的方法是应用微合金化技术。

为什么要高强度应用高强度钢可以降低板厚度从而在许多应用中降低重量。在汽车工业，车体减轻可以节省燃油从而保护环境（减少排气量）。在造船工业，船体减轻可以装载更多的货物。图3显示的是管道在管线结构中的应用。对于一个18m长，外径1000mm的管道，当用高强度钢X70代替低强度钢时其重量可以从14t降低到6t。另一个重要的例子是民用建筑，如图4所示，的建筑形式，用460MPa的高强度钢代替低强度钢（235MPa）可以节省材料40%，重量降低超过50%，焊接材料可以节约超过70%。

微合金化的效果图5表明了主要微合金化元素Nb，V和Ti对提高强度和韧性的作用以及其强化机理。这三个元素均是通过细化晶粒和沉淀强化提高强度，但每种机理强化程度不同。Nb具有最强的晶粒细化强化效果，而V具有最强的沉淀强化效果，Ti介于上述两者之间。如图6所示，晶粒细化是唯一的能够同时提高韧性的强化机理。因此，当同时需要高强度和高韧性综合性能时就需要添加铌，譬如管线钢和结构钢。在图5中还可以反映出铌是经济有效的。如要使低碳钢的屈服强度提高100MPa，需要添加0.02%的铌，而钒则需要添加两倍的量。

铌的晶粒细化引起的强烈效果与其在轧制时通过固溶，特别是碳氮化铌析出延迟奥氏体再结晶有关系。图7显示了分别含Nb，V，Ti钢的效果。铌阻止在轧制最后阶段奥氏体的再结晶，促进了扁平晶粒的变形，从而导致非常细的铁素体晶粒。

铌的另一个重要影响是在中低碳钢中降低转变温度促使贝氏体组织的形成，这一研究已经比较多了，如图8所示。降低转变温度是由于在轧制过程中仍有一部分铌留在固溶体中而没有发生沉淀反应。这一效果在同时加入Nb和Mo或同时加入Nb和B时由于协同作用而加强，如图所示。其中一个实际例子是X80管线钢，铁素体-低珠光体组织在得到韧性要求的同时却达不到强度级别。

微合金化不仅仅对轧制产品有作用。V可以在热处理级别钢种提高强度，而铌可以细化晶粒。如图9所示，在正常热处理之后，铌明显的细化了晶粒。

为了得到所希望的高水平性能，在炼钢时很好的控制杂质含量如S、N、P等也是非常重要的，特别是对需要高韧性的板材产品。图10表明了S是如何影响冲击性能的。为了把S含量控制在低的水平，应用硫化物形状控制（通常用钙处理）对于避免生成对横向韧性有损害的延长硫化镁是非常重要的。

如图11所示，氮对热影响区的韧性的损害是非常大的，因此低氮是值得提倡的。这一损害可以用钛固定游离的氮以降低其影响。氮化钛在高温时非常稳定，因此它可以阻止晶粒的增长。图12显示了钛固氮处理提高热影响区韧性的益处。然而用钛需要很好的控制手段。加入到钢中的钛的量要以固定氮所需要的量为上限。如果多加了钛将促使形成碳化钛，这样对热影响区的韧性有损害，如图13所示。氮对焊接金属的韧性也是有影响的，如图14。

板材产品的微合金化板材产品方面的技术进展可以作如下描述：50年代后期： Nb的引入60年代： 控制轧制的试验探索70年代： 全面实行微合金化和控制轧制80年代： 实行加速冷却90年代： 实行直接淬火图15表示的是微合金化元素Nb、V和Ti在不同的冷却工艺下在板材中的强化效果，Nb的提高强韧性的效果尤为突出。

微合金化板材有着非常广泛的应用，如管线钢，造船钢，海洋平台，民用建筑（桥梁、高架桥，建筑）以及其它领域。如表1所示，管线钢产品的发展，表明虽然碳的含量在不断降低，但其强度却在增加，这一原因前面已经说明。提高到X80级的产品已经进行商业生产，一些钢铁公司已经开发了X100级别。提高抗氢致裂纹需要更严格的炼钢工艺并需要非常低的碳和硫含量，如表2所列的工业产品。

最后，表3对几种管线钢进行了总结，包括热轧和炉卷产品。在表中我们可以注意到一些钢中的含铌量高于正常情况的含铌量，在0.07~0.09%之间。这些钢最近几年在北美已经进行商业生产。高铌含量可以把奥氏体再结晶延迟到更高的温度（如图7所示），这使控轧工艺更加宽松，如高的终轧温度，这对有功率限制的钢板轧机是有益的。而且，这些超低碳高Nb钢具有非常好的韧性特性。

对于海洋平台和造船业来讲，自70年代以来的趋势是降低含碳量，特别是在高焊接工作量并需要提高焊接性能的情况下。表4显示的是分别通过正常的热处理和加速冷却工艺生产的335MPa级的典型的化学成分。

在民用建筑方面，图16表明了在瑞典现代桥梁应用的高强度微合金化钢。用高强度钢，屈服强度460MPa级，热机械工艺（TMCP）可以降低重量15，000t，降低费用2500万美元。表5显示的是50mm厚结构板材产品典型的化学成分，工艺分别为正常情况（N），控轧（TM），淬火和回火（QT），热机械工艺（TMCP）和直接淬火（DQ）。最近几年，安全防火变得越来越重要。如图17所示，防火结构钢已经发展起来，该钢添加Nb和Mo以提高高温强度。

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