微合金化钢知识讲座

微合金化钢知识讲座东涛孟繁茂傅俊岩著中信微合金化技术中心中信金属公司目录第一部分基础知识1.1低合金钢由来················································11.2早期低合金钢的发展·······································31.3我国低合金钢的发展·······································51.4现代低合金钢重大进展····································8第二部分低合金钢主要品种2.1焊接高强度钢···············································112.2低合金冲压钢···············································142.3低合金耐腐蚀钢············································182.4低合金耐磨损钢············································202.5低合金耐低温钢············································222.6低合金建筑筋钢············································242.7低合金钢轨钢···············································26第三部分微合金钢技术基础3.1钢的微合金化，微合金化钢和微处理钢·············293.2我国微合金化钢发展方向································313.3发展微合金化钢的资源优势·····························343.4铌、钒、钛微合金化元素的特性·······················363.5微合金化钢冶炼············································383.6微合金化钢精炼特点······································403.7防止微合金化钢连铸裂纹································433.8微合金化钢不宜采取常规轧制··························453.9微合金化钢再结晶控轧···································463.10微合金化钢常化控轧······································473.11微合金化钢等板坯连铸连轧优势·······················493.12微合金化钢铁素体区轧制································503.13固溶强化不是微合金化钢主要强化手段·············513.14微合金化钢晶粒细化的强化机制·······················523.15微合金化钢析出强化的机制·····························533.16微合金化钢的相变强化···································55第四部分微合金化钢生产技术要点4.1管线钢的生产技术·········································574.2造船钢的生产技术·········································584.3桥梁钢的生产技术·········································604.4高层钢结构建筑用钢的生产技术·······················624.5汽车用钢的生产技术······································654.6集装箱用钢的生产技术···································674.7工程机械用钢的生产技术································69第五部分钢材品种结构调整5.1钢材品种结构调整之一：大力发展微合金钢·······715.2钢材品种结构调整之二：扁平材的市场需求·······735.3钢材品种结构调整之三：长型材的市场需求·······765.4钢材品种结构调整之四：企业的产品分工··········805.5钢材品种结构调整之五：工艺流程优化·············815.6低（微）合金钢在开发中的地位·······················83内容简介《微合金化钢知识讲座》是在1998年和1999年由中国金属学会举办的两期“钢材品种结构调整”研讨班上的讲稿基础上编写的。自2000年8月30日起，以冶金工人专业知识问答的形式连载发表于《中国冶金报》周三科技版上，反馈的大量信息要求以单行本方式尽快提供给钢铁企业的科技、管理人员和第一线的广大工人，以配合各企业的钢材品种结构调整工作的进行。为此“中信微合金化技术中心”特编辑出版此书。《讲座》包括五个部分共40节，本书也供设计和使用部门、大专院校师生参考，以对我国低合金钢和微合金化钢的发展有较完整的了解。微合金化钢知识讲座东涛孟繁茂傅俊岩著北京理工大学印刷厂印刷*850毫米×1168毫米32开本2.875印张64.4千字2001年2月第一版印数0001~3000册第一部分基础知识1.1低合金钢由来中国钢产量已突破1亿吨，钢材数量不再是主要矛盾，钢材品种结构不合理的矛盾十分突出。当前行业的主要任务是努力提高产品的市场竞争力，站在可持发展的新起点上，把大力开发低合金钢列入发展战略的重要内容。许多普钢企业在钢材品种结构调整和编制科技发展规划中，已意识到低合金钢生产是提高产品技术含量和附加值的关键，对低合金钢开发中碰到的种种问题心中无数，一些科技管理干部觉得“成也低合金钢，败也低合金钢”，迫切要求对低合金钢有个全面的了解。按国际标准，把钢区分为非合金钢和合金钢两大类，非合金钢是通常叫做碳素钢的一大钢类，钢中除了铁和碳以外，还含有炉料带入的少量合金元素Mn、Si、Al，杂质元素P、S及气体N、H、O等。合金钢则是为了获得某种物理、化学或力学特性而有意添加了一定量的合金元素Cr、Ni、Mo、V，并对杂质和有害元素加以控制的另一类钢。原则上讲，合金钢分为低合金钢、中合金钢和高合金钢，顾名思义，以含有合金元素的总量来加以区分，总量低于3%称为低合金钢，5～10%为中合金钢，大于10%为高合金钢。在国内习惯上又将特殊质量的碳素钢和合金钢称为特殊钢，全国31家特钢企业专门生产这类钢，如优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、碳素弹簧钢、合金弹簧钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢、电工钢，还包括高温合金、耐蚀合金和精密合金等等。在钢的分类上，近年虽努力向国际通用标准靠拢，但还有许多不同之处。①随着特钢向“特”、“精”、“高”发展，向深加工方向延伸，特钢的领域越来越窄。美国特钢协会将特钢定位在工模具钢、不锈钢、电工钢、高温合金和镍合金。日本把结构钢和高强度钢归并在特钢范畴。随着我国普钢企业的技术改造和工艺进步，特钢企业的产品领域也在缩小，1999年普钢厂已生产特钢产品总量的34%。②国外的低合金钢，实际上是我们所熟悉的低合金高强度钢，属于特殊钢范畴，在美国叫做高强度低合金钢（HSLA—Steel），俄罗斯及东欧各国称为低合金建筑钢，日本命名为高张力钢。而在国内，首先是把低合金钢划入了普钢范围，概念上的区别导致在产品质量上的差异。在名称上也几经变化，如低合金建筑钢、普通低合金钢、低合金结构钢，至1994年叫做低合金高强度结构钢（GB/T1591—94）。到目前为止，从发表的资料文献来看，低合金钢的名称仍然随着国家、企业和作者而异。③低合金钢与碳素钢、低合金钢与合金钢之间，明确划出的概念是不存在的。在国外，50年代曾给低合金钢下过定义，总的意思是，凡是合金元素总量在3%以下，屈服强度在275Mpa以上，具有良好的可加工性和耐腐蚀性，以型、带、板、管等钢材形状，在热轧状态直接使用的软钢的替代品。当然，在技术发展进程中，低合金钢不论在合金含量、性能水平和交货状态，已经有了很大的变化。在我国，低合金钢是一个更加笼统的钢类，钢材品种不仅含有低合金焊接高强度钢，还包容了低合金冲压钢、低合金耐腐蚀钢、低合金耐磨损钢、低合金低温钢、甚至还纳入了低、中碳含量的低合金建筑钢和中、高碳含量的低合金铁道轨钢。具有中国特色，但带来的一个问题是缺乏与国外统计数据的可比性。1.2早期低合金钢的发展低合金钢的出现可以追溯到19世纪的1870年，一种碳含量0.64～0.9%和铬含量0.54～0.68%、抗拉强度685Mpa、弹性极限410Mpa钢，第一次被采用于工程结构，建造了跨度158.5m的拱形桥梁。但这种钢不理想也是十分明显的，需要轧后热处理，难以机械加工，耐蚀性又不良。随后的1个多世纪的时间，世界各国不断探索，大体上可以把低合金钢区划为三个不同特征的发展阶段，在20世纪20年代以前，20～60年代及60年代以后。前两个阶段姑且合称为传统的低合金钢发展阶段，后一阶段可以称为现代低合金钢发展阶段（后面我们称它为微合金钢MicroalloyedSteel）。前一时期低合金钢的重大发展有三个标志：①由单一元素合金化向多元素合金化发展1895年曾采用0.40～0.56%C和3.5%Ni的钢建造了俄国的“鹰”级驱逐舰，该钢的加工性比初期的铬钢要好得多，屈服强度在355Mpa。20世纪初还用8000多吨含镍的钢建造了跨度为448m的桥梁，美中不足的是这种钢的合金资源有限，成本又高。此后开发了1.25%Si的低合金钢，建造了横渡大西洋的船舶和跨度110m的桥梁，俄国利用铁铜混生矿源，曾开发了0.7～1.1%Cu的低合金钢用于造船、建桥，这种钢导电性好，抗腐蚀性优良。长达30多年的生产和应用经验的积累，发现多元合金化的低合金钢综合性能更佳，经济上更划算，开发了二元合金化的Ni-Cr、Cr-Mn、Mn-V低合金钢，和三元复合合金化的Cr-Mn-V、Cr-Mn-Si、Mn-Cu-P等低合金钢。用途上也扩大到了锅炉、容器、建筑和铁塔等方面。20世纪20年代全世界的低合金钢产量达到200万吨。②赋予低合金钢的第一特征：低碳、可焊接在工程结构广泛采用焊接技术之后，给低合金钢发展带来深远的影响。为减小焊接热影响区硬化和开裂、焊接接头延性恶化，把低合金钢的碳含量由0.6%降到0.4%，随后又降至0.2%，至60年代末再降至0.18%，提出了焊接碳当量的可焊性判据。为了获得高强度钢不断增高的强度需求，出现了两条发展途径，一个是提高合金含量，另一个是热处理手段，各有利弊，至今屈服强度高于600Mpa的钢仍采用热处理，E级和F级船板仍规定正火状态使用，再如铁路钢轨仍有合金化轨和全长淬火轨的两种生产方式。③注意到钢的冷脆倾向性和时效敏感性二次世界大战期间大量“自由”轮在运行中断裂及许多锅炉、容器的失效，注意到了钢冷脆倾向与钢的粗晶结构和有害元素P、S的含量有关，而钢的时效倾向是由钢中N所致，从而采取了降硫、铝细晶化和控制终轧温度等优化工艺。为了钢结构的安全使用和寿命，同时还开发了低温夏氏V型缺口冲击、温度梯度双重拉伸、零塑性转折落锤及BDWTT落锤撕裂等试验方法及制订了相应的断裂韧性判据。20～60年代间，工业发达国家的低合金钢开发带来了经济的繁荣和现代化。据不完全统计，全世界成熟的低合金钢钢种牌号有2000余个，形成了5大合金成分系列：(1)以德国St52钢为代表的C-Mn钢系列，日本的SM400、我国的16Mn属于这类钢。(2)以美国Vanity钢为代表的Mn-V-（Ti）钢系列，构成了现代微合金化的先驱。(3)美国的含P-Cu钢系列，代表钢种有