中信-CBMM铌钢研究与开发项目情况介绍

中信-CBMM铌钢研究与开发项目情况介绍杨雄飞付俊岩中信-CBMM微合金化技术中心为适应中国钢铁工业结构调整和技术发展的需要，把握世界铌应用学科的前沿，促进我国铌微合金化技术的发展和含铌微合金化钢的开发，2002年中信-CBMM微合金化技术中心设立了中信-CBMM铌钢研究与开发项目基金。迄今为止，“中心”与国内钢铁企业及科研院所合作，共资助了25个项目，内容涉及铌在钢中作用机理研究、含铌HSLA钢、含铌非调质钢、含铌不锈钢的研究开发与生产、以及新型工艺如CSP与炉卷轧机生产含铌钢的开发等，同时，“中心”着眼于扩大铌在不同领域的应用，资助了铌在工具钢、弹簧钢、气阀钢、取向硅钢等方面的应用研究。自从设立研究开发项目基金以来，“中心”每年组织专家对所进行的项目进行总结、评价。2005年12月12-14日，“中心”组织项目报告会，项目主要负责人对承担的结题项目进行总结或对新的2006-2007年的项目进行汇报。在这次会上，共有“Nb在变形诱导铁素体相变中的作用机制及Nb高强度耐大气腐蚀钢中的应用”、“含铌钢的形变强化相变”、“含铌高温渗碳用齿轮钢研究”、“铌对21-4N气阀钢性能影响的研究”、“直轧中铌的力学冶金行为的研究”、“含Nb铁素体不锈钢的研究与开发”、“Nb微合金化在CSP生产HSLA钢的机理研究”、“屈服强度500N/mm2和600N/mm2级别含Nb超低碳贝氏体钢厚板开发”、“TMCP待温过程冷却中铌的析出行为及其对钢组织影响”、“高强度耐候桥梁钢高温控轧中铌的作用研究”10个研究开发项目进行了结题总结。本文将对这10个课题进行概述性介绍，以供对铌微合金化技术感兴趣的同志作参考。中信-CBMM研究与开发项目一览表标号课题名称承担单位主要负责人起止日期D01Nb在变形诱导铁素体相变中的作用机制及Nb高强度耐大气腐蚀钢中的应用钢铁研究总院刘清友2002.06-2005.06D02含铌钢的形变强化相变北京科技大学孙祖庆2002.05-2005.06D03含Nb高强韧钢组织超细化工艺（RPC）研究北京科技大学贺信莱2002.04-2004.12D04微量Nb、B应变诱导析出行为及其对中温相变组织的影响北京科技大学尚成嘉2002.04-2004.12D05含铌高温渗碳用齿轮钢研究一汽材料研究中心抚顺特钢技术中心曹正乔兵2002.10-2004.04D06微量铌对H13钢力学及热疲劳性能的影响上海大学李麟2002.05-2004.12D07铌对21-4N气阀钢性能影响的研究钢铁研究总院程世长2003.02-2005.02D08直轧中铌的力学冶金行为的研究北京科技大学刘雅政2003.03-2005.03D09低成本高性能含Nb高碳弹簧钢研究上钢五厂技术中心殷匠2003.04-2004.04D10含Nb铁素体不锈钢的研究与开发太钢技术中心王立新2003.02-2005.02D11Nb微合金化在CSP生产HSLA钢的机理研究马钢技术中心苏世怀2003.06-2005.06D12屈服强度500N/mm2和600N/mm2级别含Nb超鞍钢技术中心侯华兴2004.01-2005.12低碳贝氏体钢厚板开发D13TMCP待温过程冷却中铌的析出行为及其对钢组织影响宝钢技术中心焦四海2004.01-2005.12D14高强度耐候桥梁钢高温控轧中铌的作用研究武钢技术中心郭爱民2004.01-2005.12D15高铌低碳钢中固溶铌的强韧化与抗蚀机制北京科技大学杨善武2005.01-2006.12D16热轧铌微合金化带肋III级钢筋的开发钢铁研究总院杨忠民2005.01-2006.12D17高强度含铌热轧双相钢(F+B)的研究开发北京科技大学本钢技术中心刘雅政2006.01-2007.12D18Nb微合金化在炉卷轧机生产X70-X80管线钢中的应用及组织性能影响研究北京科技大学南京钢铁公司康永林2006.01-2007.12D19铌对取向硅钢磁性能的影响武钢技术中心叶影萍2006.01-2007.12D20含铌汽车曲轴非调质钢的研制开发一汽材料研究中心抚顺特钢技术中心曹正乔兵2006.01-2007.12D21超低碳高Nb高Cu钢中Nb、Cu的相互作用及对综合性能影响的初步分析USTB-CITIC-CBMM铌钢联合实验室郭晖2006.01-2007.12D22低成本高性能紧固件用铌微合金化非调质钢线材的研究开发马钢技术中心孙维2006.01-2007.12D23炉卷轧机生产X70/X80管线钢的开发研究钢铁研究总院安阳钢铁公司刘清友2006.01-2007.12D24马钢CSP铌微合金化X52～X56管线钢开发及商业化生产和马钢新区传统热轧生产线铌微合金化X70～X80管线钢研究和开发马钢技术中心北京科技大学马玉平2006.01-2007.12D25汽车用铌系列非调质钢研究石钢技术中心李强2006.01-2007.121、Nb在变形诱导铁素体相变中的作用机制及在Nb高强度耐大气腐蚀钢中的应用本项目采用0.094%C-1.45%Mn-0.045%Nb微合金钢，利用Gleeble2000热变形模拟试验机，实验室研究了（1）Nb在加热、变形和冷却过程中的固溶、析出规律及沉淀析出热力学和动力学理论；（2）Nb对奥氏体再结晶和细化的影响规律；（3）Nb沉淀析出与变形诱导相变及铁素体动态再结晶的耦合关系；（4）研究在热连轧变形诱导相变控制过程中Nb的溶解与析出规律，Nb与变形诱导铁素体相变形核、长大和铁素体动态再结晶，Nb对变形诱导相变控制轧制后中温相变产物的影响；以及（5）Nb对超细晶粒钢力学行为的影响研究。通过实验室模拟研究的结果，指导开发含Nb超细晶粒耐侯钢合金化与热连轧工艺技术集成。在实验研究过程中发现，含铌钢比普通碳素钢的形变诱导铁素体的晶粒尺寸更细小。同时，发现（1）在780℃预变形：变形后奥氏体在保温120s时仍未发生再结晶，恒温保持初期，变形诱导铁素体数量变化很小，一旦沉淀析出开始，变形诱导铁素体数量出现显著增加的特点；（2）在880℃预变形：变形诱导铁素体数量随保持时间延长出现先增加而后减少的曲线特征，峰值拐点发生在变形奥氏体发生静态再结晶的开始时间处；（3）在900-950℃预变形：变形后奥氏体发生再结晶的速度较快，变形诱导铁素体数量出现了随保持时间延长而单调下降的趋势。研究结果表明，Nb的碳氮化物有利于DIFT，系正相关因素；变形奥氏体再结晶因释放形变储能使体系自由能降低，抑制DIFT，系负相关因素。Nb对变形奥氏体再结晶的抑制作用十分有利于DIFT，同时，Nb的碳氮化物析出可显著促进变形诱导铁素体相变形核，对DIFT是十分有益的。（4）随变形量增加，变形诱导铁素体出现先缓慢增加而后快速增加的曲线特征。利用这些实验室研究结果，本项目成功地开发出屈服强度470MPa的耐大气腐蚀钢。2、含铌钢的形变强化相变微合金钢组织细化一般是利用微合金元素对不同热加工阶段再结晶、相变及晶粒长大的作用，通过对轧制工艺及随后冷却的控制实现的。“形变强化相变”已被系统的实验证实为一种在低碳钢中有效细化铁素体晶粒的途径，利用形变强化相变机制可使低碳钢铁素体晶粒细化到2~3μm。本项目主要研究含铌钢是否可以利用形变强化相变机制以及铌在细化铁素体晶粒中所起到的作用。主要研究内容包括（1）低碳微量铌钢形变强化相变的组织演变；（2）低碳微量铌钢过冷奥氏体形变过程中的碳氮化物析出；（3）低碳微量铌对形变强化相变动力学的影响；（4）低碳微量铌钢在形变过程中动态相变的特点；（5）低碳微合金化铌钢中的铁素体动态再结晶；（6）粗大奥氏体含铌低碳钢动态再结晶过程中的组织演变和模拟。实验用钢为含铌低碳钢和与其对比的低碳锰钢，其化学成分分别为Fe-0.093%C-0.12Si-1.18Mn-0.010P-0.064S-0.0036N-0.024Nb和0.11C-1.24Mn-0.17Si-0.0092P-0.0073S(wt%)。通过一系列的模拟研究，得出如下一些主要结论：(1)与低碳钢相对比，含铌钢形变强化相变的孕育期变长，而且完成相变所需的形变量增大，使铌钢的转变动力学曲线向高应变方向平行移动。(2)含铌钢的转变动力学曲线可划分为两个阶段：第一阶段固溶Nb阻碍了铁素体相变,使孕育期推迟；而第二阶段中在形变过程中动态析出的Nb(CN)既为铁素体相变提供了大量的形核位置，又钉扎了铁素体晶界,并且阻碍铁素体晶粒的长大，使铁素体晶粒大大细化。(3)形变过程中Nb(CN)的析出也需要孕育期，但与等温过程相比，应变诱导Nb(CN)析出使孕育期大幅提前；当形变量积累到一定值时，大量弥散分布的Nb(CN)颗粒在铁素体晶界以及位错上析出。并且Nb(CN)析出的体积分数随着应变量的增加而增大，而颗粒长大的现象却不明显。（4）铌对转变动力学的影响是十分显著的。低碳钢过冷奥氏体形变过程中的转变动力学过程由三个阶段组成。第一阶段对应整个奥氏体晶界上的铁素体形核过程，符合Cahn“位置饱和”机制，n值为4；第二阶段为铁素体在铁素体/奥氏体相界前沿奥氏体高畸变区反复高速形核，相变快速进行的过程，n值在1~2之间；第三阶段对应少量残余奥氏体相变形核过程，n值为第二阶段的一半以下。而铌钢则是在第二阶段铁素体以爆发式形核方式产生，n值迅速达到4。（5）减小铁素体原始晶粒尺寸的同时增大含铌粒子的尺寸可以对热变形过程中铁素体动态再结晶过程产生明显地促进作用。细小含铌粒子对铁素体动态再结晶行为的阻碍作用，而较粗大含铌粒子对铁素体动态再结晶行为的促进作用。3、含铌高温渗碳用齿轮钢研究随著汽车工业的不断发展，生产厂家之间在质量和成本上的竞争日趋激烈，对零部件的制造工艺提出了更高的要求。一方面要提高零件制造质量，提高零件的机械强度和使用寿命；另一方面要提高生产效率，降低生产成本，提高汽车销售的竞争力。在汽车零件的热处理中，以齿轮为主的渗碳淬火热处理是一个耗能大、时间长、生产效率相对较低的工艺。改进和提高渗碳质量，降低渗碳工艺的生产成本，对汽车零件的生产和热处理行业的进步都具有非常重要的意义。通常为保证零件渗碳工艺的产品质量，规定了金相组织检验标准。对组织中的马氏体、残余奥氏体和碳化物的等级进行了限制。对齿轮零件，规定马氏体和残余奥氏体在1～5级为合格，碳化物在1～4级为合格。为了得到合格的金相组织，在购进齿轮用钢材时均规定了钢材的本质晶粒度验收准则。一般规定材料的本质晶粒度大于5级为合格。同时规定了本质晶粒度的检测方法。如20CrMoH钢的订货技术协议中规定本质晶粒度按YB/T5148的规定评级，经930℃×6h渗碳后空冷，奥氏体晶粒度不粗于五级。渗碳工艺温度在渗碳工艺过程中是一个重要的参数。如果提高渗碳温度会加快渗碳速度、缩短渗碳时间、提高生产效率，降低生产成本。但同时可能会得到粗大的晶粒和不合格的金相组织，降低零件的机械性能。如果降低渗碳温度会降低渗碳速度、延长渗碳时间和降低生产效率。在现有的钢材生产和使用的技术状况下，由于钢厂生产的钢材不能保证超过930℃加热保温后仍能得到细晶粒，就不能将渗碳加热保温的温度定在930℃以上。如果必须将渗碳加热保温的温度定在930℃以上，必须采取措施保证钢材的本质晶粒度在高于930℃检测时仍能保证奥氏体晶粒度不粗于5级。目前，欧洲、日本对齿轮材料本质晶粒度的要求为优于7级。含铌的微合金化钢提高钢材机械性能的研究已经很多了，并且已经有了大量的应用实例。同时发现铌可细化钢材在高温下晶粒尺寸的现象。本项目通过在CrMo系齿轮钢的基础上，添加微合金元素Nb，使钢材的晶粒得以细化，提高钢材的质量。通过高温渗碳试验，探讨提高渗碳温度的可能性，以达到缩短渗碳时间，降低生产成本的目的。本项目针对在齿轮钢中加入金属铌后，其材料的性能和工艺性方面进行了试验研究，主要结论如下：（1）晶粒的长大与加热温度和保温时间有关，加热温度低时保温时间长，加热温度高时保温时间短。20CrMoH钢在980℃下加热保温8小时，晶粒完全长大；在1050℃下加热保温2小时，晶粒完全长大。（2）铌的加入可以提高钢的晶粒粗化温度。2