铌在钢铸件与锻件中的应用

铌在钢铸件与锻件中的应用GeoffreyTitherReferenceMetalsCompany,Inc.，1000OldPondRoad，Bridgeville,PA15017-0217,U.S.A.摘要：近20年来，含铌的微合金钢在铸钢中的应用越来越多。本文对这种钢的进展尤其是对其在海上工业中和在要求提高高温特性的应用方面作了详细的描述。同时，还讨论了含铌合金钢在锻造中,特别是在汽车部件和紧固件中应用的发展。1引言微合金化钢消耗了世界铌总产量的80%，其产量占世界产钢总量的大约10%（世界年产钢量大约在8亿吨以上），注意到这一点非常重要。除了汽车、管线、建筑和结构等用量大的领域外，微合金化的含铌钢还越来越多地应用于诸如铸件、锻件、汽车锻件和紧固件等小批量的领域。为上述应用开发的所有钢都表现出较高的韧性、焊接性能和强度。微合金钢也表现出良好的高温性能，因此其潜在的应用领域扩大了。此外，对于某些应用上，如海上构件用连接头（offshorenodes），由于降低了应力集中，含铌铸钢在疲劳性能方面有了很大的改善。尽管已经取得了很好的进展，但是铸造和锻造业仍然不完善，还需要我们集中精力来完善这门“相对新的”技术。本文综述了在铸造和锻造领域中的一些昀新进展。2微合金钢的设计微合金钢是典型的含有少量的铌、钒、钛和铝的中低碳钢，这些合金元素或者单独加入或者复合加入。大多数商业化微合金钢的物理冶金学以及机械性能改善方面的进展已在文献（1-9）中详细地讨论了，这里只做简要的总结：（1）晶粒细化以提高强度和韧性；（2）比较低的碳含量（0.003%~0.15%）以改善韧性和焊接性能；（3）正火处理、终轧后冷却、或淬火或正火后时效处理过程中沉淀析出产生强化；（4）由于针状铁素体、贝氏体或马氏体等低温相变产物引起亚结构强化；（5）固溶强化，尽管这种强化方法由于昀有效的固溶元素——碳、氮、磷和硅对钢的韧性产生极坏的影响而受到限制。低碳高强高韧钢（HSLA钢）的基础是通过相变形成细小的铁素体晶粒。细化晶粒是唯一一种使韧性显著提高的同时能够提高强度的方法。然而，在中碳钢中，珠光体团的尺寸和片层厚度决定其韧性。前者受奥氏体晶粒尺寸的影响，而后者受含碳量的影响。含碳量越低，渗碳层的厚度越薄，钢的韧性越好。另一方面，珠光体钢的强度由其片层间距决定，而片层间距反过来由珠光体的相变温度决定。相变温度越低，片层间距越小，强度越高。添加铌的原理在于它能在低中碳钢中形成碳氮化合物析出。这种析出相在重新加热过程中可全部或部分溶解。溶解的程度取决于温度、时间、加热和冷却速率以及溶解度积[Nb][C,N]。因此，Nb(C,N)的析出动力学将控制铌添加可获得的效果，而处于固溶状态的铌的含量将决定相变的温度。3钢铸件中的铌绝大部分微合金钢，可能在98%以上，用于锻造产品，而在铸造业的应用尽管40年前就已开始但进展十分缓慢。与锻造产品可以利用铌的碳氮化物析出来抑制轧制过程中的回复和再结晶不同，铸钢为获得昀佳的机械性能，必须依靠奥氏体晶粒细化、奥氏体向铁素体转变的相变温度控制以及铁素体的析出强化。铌对铸造HSLA钢显微组织，因而对其机械性能的影响示意性地表示在图1中。图中表明了铸造和重新加热过程与铌的碳氮化物粒子的析出以及晶粒细化、相变控制和沉淀强化之间的作用关系。图1：铌对铸造微合金HSLA钢在各种处理过程中显微组织的影响在从铸造温度冷却的过程中，由于没有外部的塑性变形，Nb(C,N)析出几乎不会发生。然而，一些细小的Nb(C,N)可以在奥氏体向铁素体的相变过程中（形成析出相列）和铁素体内析出。析出的程度取决于铸造过程的冷却速率。如果铸件在正火前紧接着进行均匀化处理（通常仅对于大铸件才进行），温度可以升到1100℃，或者更高，这样会使Nb(C,N)全部或部分溶解。没有溶解的Nb(C,N)粒子可有效地钉扎奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒长大，从而获得极大的晶粒细化效果。这种效果在正火处理过程中会更加明显，因为在这种情况下重新加热的温度较低（900℃－1000℃），Nb(C,N)粒子更加稳定，奥氏体晶粒长大的驱动力被降低。在抑制晶粒在高温下粗化方面，铌比钒和铝效果更佳，如图2所示（10）。在正火处理的钢中，这种效果意味着铌是一个昀有效的晶粒细化剂，尤其在低浓度（0.02%-0.04%）范围，如图3所示（11）。如果要用钒产生同样的细化效果，将需要加入0.10%的钒，并且还需氮的浓度高达0.020%。在铸钢中，钛形成粗大的氮化物颗粒，这对于晶粒细化来说是没有明显效果的。图2：各种微合金化钢的奥氏体晶粒粗化特征（10）图3：铌、钒和钛对正火处理的HSLA钢晶粒尺寸的影响（11）在从正火温度冷却的过程中，铌可以产生两种主要的影响，这取决于冷却前处于固溶状态的铌的量和随后的冷却速度。首先，处于固溶状态的铌可明显提高钢的淬透性，尽管由于较低的正火温度这种作用有限，以及在某钟程度上会被晶粒细化的作用抵消。即使这样，铌还是能降低奥氏体向铁素体转变的相变温度，如图4所示（12）。事实上，在所有的微合金化元素中，在给定的晶粒尺寸条件下，处于固溶状态的铌在降低奥氏体向铁素体转变的相变温度方面是昀为有效的。图4：含铌和不含铌低碳钢的连续冷却转变曲线。交叉阴影线区域表示碳氮化物析出的区域。在冷却时间为100秒时，添加0.043%Nb使铁素体开始温度降低大约50℃。处于固溶状态的铌可以与钼（或硼）相结合使用，在空冷铸件中产生针状铁素体或贝氏体。钼的存在可以保证整个大的铸件所要求的机械性能。Nb(C,N)可以在奥氏体向铁素体的转变过程中和生成的铁素体相内析出，这将取决于从重新加热温度开始的冷却速率。这种细小弥散分布的析出相可提高钢的屈服强度。Nb(C,N)粒子析出的时间-温度范围示于图4中的CCT曲线上（12）。以固溶状态保持在铁素体中的铌在随后的回火（时效）处理过程中将以弥散细小的Nb(C,N)颗粒形式析出，从而使屈服强度升高。由于在时效过程中Nb(C,N)的析出而产生的析出强化效果比淬火后的效果要明显得多，因为在比较快的冷却速率条件下被保持在固溶状态的铌量增加，这将使随后的Nb(C,N)的析出更多。此外，钼已经被证明能延缓Nb(C,N)在奥氏体中的析出（13，14），这使得更多的铌可以固溶状态保留在中，并能增加Nb(C,N)在铁素体中的析出，这样强化效果更为明显。钼本身也被证明存在于析出相中，这会通过增加共格应变和（或）增加析出相的体积分数来增加强化的效果（15）。昀近的工作表明（16），在铌－钼钢中，钼能强烈地偏聚在Nb(C,N)与铁素体基体的交界面，从而阻止铌原子自铁素体基体中向Nb(C,N)颗粒中扩散。这样，即使在高温，也能保持细小的析出相尺寸，从而带来强度的增加。总之，向铌（钒）钢中加入钼，在不损坏韧性的前提下能够有效地提高屈服强度。4微合金化铸钢的发展微合金钢在过去的二三十年间已经得到了广泛的应用，包括用于住宅、牵斗、连接器、海上连接头和其它海上构件、铁路联结器、渣罐及轧机的轧辊的Mn-Mo-Nb(±V)钢。在20世纪70年代建立的两个直接的用途是：用于支持重达665千克的核反应堆支架的连接部件（图5）和用于每件重达120千克的建筑机械（NB+V钢）的焊接构件（图6）。从直径为350毫米的核反应堆支承件连接件的中心取样测定的机械性能如表I所示（20）。图5：由0.40%Mo-0.04%Nb-0.06%V钢铸造的重达665千克的核反应堆支架的连接部件（20）。蒂森-基塞勒AG授权图6：由0.04%Nb-0.06%V钢铸造的机械部件（20）。蒂森-基塞勒AG授权表I铸造0.40%Mo-0.04%Nb-0.06%V微合金化钢核反应堆支架的连接部件的机械性能（20）冲击吸收能（DVM）**屈服强度MPa抗拉强度MPa延伸率%硬度HB+20℃J-20℃J-40℃J平均值昀小值420390540510151116015092767049298*由直径350mm（14英寸）铸件中心截取的试样。热处理：950℃（1750°F）油淬+600℃（1110°F）析出硬化处理。**3mm（0.118英寸）深、1mm（0.039英寸）半径缺口的10mm（0.394英寸）正方形试样。图7说明这种钢（0.08%C）具有优异的焊接性能，还说明在正常焊接条件下，硬度低于280Hv10。只有在以异常低的热输入（7.5J/cm2）焊接后，才能获得比较高的昀大硬度。图7：热输入对NB-V钢焊接件焊缝一边硬度的影响（20）一种类似的铸钢（0.10%C、0.4%Mo、0.04%Nb，0.06%V）被提出用于生产铁路联结器，如图8所示，这种钢的昀低屈服强度和拉伸强度分别为415MPa和620MPa。对于这种细晶粒多边形铁素体钢所要求的昀小韧性为，在-40℃下V形缺口夏比冲击能（CVN）为34J。铁路联接器在服役条件下会受到高载冲击和其它动载应力，并且必须现场焊接。已经证明低碳微合金钢可非常成功地用于这一部件。自20世纪70年代以来，海上工业的发展刺激了人们发展高质量的钢来生产大量的构件，主要是海上构件用连接头。昀初，海上平台建筑用连接头完全用焊接来制造，但是由于这种方法生产的连接头对疲劳损伤敏感，所以人们的工作重点开始转向设计和发展铸造连接头（21-25）。由RiverDonCastingsLtd.（英国SheffieldForgemasters集团的一员）生产的典型的商业化铸造连接头如图9所示。当我们看到由Sheffield公司为Britoil公司制造的结构复杂的63吨重的铸造连接头原形（图10）时，就会知道铸造高强低碳合金钢在短时间内所取得的技术进步已经达到何等程度。图8：将两部分焊接在一起制成的火车车厢自动连接器，低碳微合金钢铸件（18）法国FonderiesetAcieriesd’Outreau授权图9：海上石油平台建筑用含铌铸钢连接头英国SheffieldForgemasters集团的一员——RiverDonCastings授权图10：采用Mo-Nb-V钢为Britoil铸造的63吨九根腿连接头英国SheffieldForgemasters集团的一员——RiverDonCastings授权铸钢连接头与焊接连接头头相比具有许多优点，包括：（1）极大地提高了疲劳寿命（根据接头的类型，可达4~18倍）（22）；（2）降低了应力集中；（3）在关键部位没有焊缝（或相关的微裂纹）；（4）在各个方向上有均匀的高的韧性（特别是在低温下）；（5）增加了连接的刚度（改善抗冲击性能）；（6）降低了翘曲倾向性另外，据报道，与装配式连接头相比，铸造连接头能节省成本高达20%（21）。Mo-Nb-V钢的化学成分和机械性能如表II所示。表II用于海上用铸件的微合金钢的成分和机械性能成分，wt%CMnSiSPNiCrMoAlCuNbV0.161.2-1.70.60.010.020.60.20.20.050.30.040.08碳当量昀大为0.46；除Mn外其余元素均为昀大含量屈服强度，MPa（ksi）抗拉强度，MPa（ksi）延伸率，%断面收缩率，%-40℃下夏比V形缺口冲击强度，J（ft-lb）-10℃下裂纹张口位移（COD），mm（in）340-360（49.3-52.2）480-510（69.6-74.0）307070-100（52-74）0.8-1.2（0.03-0.05）这种铸钢等级在其它方面的应用包括：（1）在海上结构的易疲劳区中的嵌入式铸件（图11）。它们在Conoco,sHutton拉腿平台上的使用能使应力集中因子从组装件情况下的8降到铸件的情况下的3。并且成本也可极大地降低。（2）海底提升机连接模块（图12），将其沉入海底，使油通过90度弯曲从带有张力的隔水管流入管线。微合金铸钢被用来生产这个复杂的高应力构件的主体，而微合金锻钢被于连接桩和管线。（3）辅助模块上升的padears（26）和支柱端。合金铸钢在高温下的应用是基于它们的拉伸特性、蠕变行为以及对热冲击和氧化的抵抗能力。两种铸造用Mo-Nb-V钢的结果列于表III（18）。表III微