低碳貝氏體鋼的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

1、低碳貝氏體鋼地研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景(1西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072;2邯鄲鋼鐵集團(tuán)公司技術(shù)中心，邯鄲056000摘要：綜述了低碳貝氏體鋼地國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出低碳貝氏體鋼性能優(yōu)良且成本低廉.并結(jié)合低碳貝氏體鋼地市場(chǎng)需求和邯鋼品種鋼地研發(fā)方向，展望了低碳貝氏體鋼地發(fā)展前景，提出低碳貝氏體鋼產(chǎn)品品種地開發(fā)及其控軋控冷工藝地研制是其研究方向關(guān)鍵詞：低碳貝氏體鋼貝氏體組織控軋控冷項(xiàng)目機(jī)械制造、架設(shè)橋梁、造船、車輛制造、航空等領(lǐng)域廣泛地使用著各種規(guī)格地鋼板.因?yàn)榉蹢l件及焊接工藝地限制，這類用途地鋼板不僅要求材料具有足夠地強(qiáng)度和塑性而且還要求具備一定地低溫韌性和優(yōu)良地焊接性能，以適

2、應(yīng)野外作業(yè)和制造工藝地要求.堅(jiān)持科學(xué)地發(fā)展觀，從資源和成本核算考慮，用戶普遍要求使用高性能、低成本地金屬材料.低碳貝氏體鋼正是為滿足這一需求而研發(fā)地，已廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、車輛、水輪機(jī)殼體、艦船、飛機(jī)構(gòu)件及其它緊固件、軸類件等方面，超高強(qiáng)度地低碳貝氏體鋼還將滿足這些構(gòu)件地減重要求.20世紀(jì)20年代末，Robertson首次在鋼中發(fā)現(xiàn)后來被命名為貝氏體地中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物.后來研究人員又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了上貝氏體、下貝氏體、粒狀貝氏體、無碳化物貝氏體、柱狀貝氏體、反常貝氏體、塊狀貝氏體、低碳低合金貝氏體、準(zhǔn)貝氏體等組織形態(tài)，形成了比較完整地貝氏體相變理論.近幾十年來，貝氏體理論地應(yīng)用研究取得了重大進(jìn)展，貝

3、氏體鋼地研究開發(fā)已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界和項(xiàng)目界地高度重視，在工業(yè)生產(chǎn)中也得到了廣泛應(yīng)用.1低碳貝氏體鋼低碳貝氏體鋼是以鋁鋼或鋁硼鋼為基礎(chǔ)，同時(shí)加入鎰、銘、饃以及其他微合金化元素(鋁、鈦、銳,從而開發(fā)出一系列低碳貝氏體鋼種.這類鋼地含碳量多數(shù)控制在0.16%以下,最多不應(yīng)超過0.120%3.因?yàn)榈吞钾愂象w組織鋼比相同含碳量地鐵素體-珠光體鋼具有更高地強(qiáng)度，因此，低碳貝氏體鋼種地研發(fā)將成為發(fā)展屈服強(qiáng)度為450800MPa級(jí)別鋼種地主要途徑.低碳貝氏體鋼中主要添加地合金元素及其作用如下：(1碳元素是強(qiáng)間隙固溶強(qiáng)化元素，可提高強(qiáng)度，但不能依靠其提高強(qiáng)度.盡量降低含碳量，即保持一定地韌性，也為了獲得良女?地焊接

4、性.(2鋁元素能夠使鋼在空冷條件下獲得貝氏體組織.鋁元素使鋼地奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線中地鐵素體析出出現(xiàn)明顯右移，但并不明顯推移貝氏體轉(zhuǎn)變，所以過冷奧氏體得以直接向貝氏體轉(zhuǎn)變，而在此前沒有或者只有部分先共析鐵素體析出，這樣也就不再發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，如圖1所示.(3利用微量硼元素，使鋼地淬透性明顯增加.鋁硼復(fù)合作用使過冷奧氏體向鐵素體地等溫轉(zhuǎn)變曲線進(jìn)一步右移，使貝氏體轉(zhuǎn)變開始線明顯突出.為了在空冷條件下得到全部低碳貝氏體組織，鋁硼復(fù)合作用十分有效，如圖1所示.(4硅元素是固溶強(qiáng)化元素，使貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在更低地溫度，并使貝氏體轉(zhuǎn)變C曲線右移.(5加入其它能夠增大鋼過冷能力地元素，如鎰、銘、饃等，以進(jìn)一步增

5、大鋼地淬透性,促使貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在更低地溫度，目地是獲得下貝氏體組織，增加其強(qiáng)度.(6加入強(qiáng)碳化物形成元素，即微合金化，以保證進(jìn)一步細(xì)化晶粒.同時(shí)，微合金化也可以產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化效果.奧氏體化地鋼過冷到Bs(g550C至Ms溫度范圍等溫，將產(chǎn)生貝氏體轉(zhuǎn)變，也稱中溫轉(zhuǎn)變.它是介于擴(kuò)散性珠光體轉(zhuǎn)變和非擴(kuò)散性馬氏體轉(zhuǎn)變之間地一種中間轉(zhuǎn)變.在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域沒有鐵原子地?cái)U(kuò)散，而是依靠切變進(jìn)行奧氏體向鐵素體地點(diǎn)陣重構(gòu)，并通過碳原子地?cái)U(kuò)散進(jìn)行碳化物地沉淀析出.一般貝氏體轉(zhuǎn)變會(huì)形成3種貝氏體組織：上貝氏體、下貝氏體、粒狀貝氏體.上貝氏體地形成溫度較高，呈羽毛狀，性能較差。下貝氏體地形成溫度低，其中鐵素體片較細(xì)，且

6、是位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，碳化物地彌散度也大，呈針狀，性能優(yōu)良。粒狀貝氏體地形成溫度最高，是由塊狀鐵素體和島狀地富碳奧氏體所組成，性能優(yōu)良.由不同冷卻速率下地低碳貝氏體鋼地過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線示意圖可知，對(duì)于鋁鋼，V1將發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變，V2發(fā)生上貝氏體轉(zhuǎn)變丫3發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變.而對(duì)于鋁硼鋼，其過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線明顯右移，表明在較低地冷卻速率下可發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變.所以，低碳貝氏體鋼必須控制軋制與控制冷卻工藝，特別是嚴(yán)格地控制冷卻工藝，才能得到細(xì)小地貝氏體組織，以保證獲得優(yōu)良性能.(1西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072;2邯鄲鋼鐵集團(tuán)公司技術(shù)中心，邯鄲0560002低碳貝氏體

7、鋼國際研究現(xiàn)狀國外學(xué)者根據(jù)貝氏體相變理論對(duì)貝氏體鋼進(jìn)行了大量地研究，設(shè)計(jì)了不同成分地鋼種和生產(chǎn)工藝，形成了不同系列地貝氏體鋼，大大推動(dòng)了貝氏體鋼地發(fā)展及其應(yīng)用.20世紀(jì)50年代,英國人P.B.Pickering等發(fā)明了Mo2B系空冷貝氏體鋼.Mo與B地結(jié)合可以使鋼在相當(dāng)寬地連續(xù)冷卻速度范圍內(nèi)獲得貝氏體組織.因?yàn)樯a(chǎn)成本較高，因此該鋼種地發(fā)展受到一定限制.日本東京鋼公司研制了低碳含V貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼，該鋼鍛后空冷得到以貝氏體為主及少量鐵素體和珠光體地顯微組織，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到8001000MPa,室溫沖擊韌性為50J/cm2,而-40C沖擊韌性仍高達(dá)40J/cm2.日本新日鐵公司在貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼地研

8、究開發(fā)中多添加微合金化元素，這類鋼在很寬地冷卻速度范圍內(nèi)都可獲得貝氏體組織，并可獲得更好地低溫性能適合于強(qiáng)度高、韌性好地汽車行走系部件.F.G.Caballelo等在設(shè)計(jì)高強(qiáng)度貝氏體鋼地研究中，設(shè)計(jì)了Fe20.2C22Si23Mn和Fe20.4C22Si24Ni兩種鋼成分.研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e20.2C22Si23Mn貝氏體鋼表現(xiàn)出良好地?cái)嗔秧g性，強(qiáng)度可以達(dá)到13751440MPa。而增加碳含量，即Fe20.4C22Si24Ni成分地貝氏體鋼強(qiáng)度可達(dá)15001840MPa,其斷裂韌性稍低，但仍然要高于高強(qiáng)度馬氏體鋼.這兩種鋼均需回火處理.美國聯(lián)邦鐵路管理局與Tuskegee大學(xué)聯(lián)合開發(fā)地低碳貝氏體鋼

9、軌鋼，其極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率分別為1500MPa、1100MPa和13%,比相同條件下地珠光體鋼性能要高，且具有良好地?cái)嗔秧g性（KIc=150MPa?m1/2,其值是相同條件下珠光體鋼斷裂韌性地115倍.低碳微合金化控軋控冷貝氏體鋼研制成功后，受到項(xiàng)目界地注意，逐步得以推廣應(yīng)用在此基礎(chǔ)上發(fā)展了超低碳地控軋控冷貝氏體鋼（ULCB鋼,含碳量小于0.05%.McEvily于1967年研制出采用Mn、Mo、Ni、Nb合金化地ULCB鋼,經(jīng)熱機(jī)械控制（TMCP處理后，屈服強(qiáng)度達(dá)到700MPa,且具有良好地低溫韌性和焊接性能.日本鋼鐵公司研制了X70和X80超低碳控軋貝氏體鋼，其屈服強(qiáng)度高于500M

10、Pa,脆性轉(zhuǎn)變溫度（FATT小于-80C,它既可以作為低溫管線鋼，也可作為艦艇系列用鋼.DeArDo等開發(fā)出ULCB2100型超低碳貝氏體中厚鋼板（含碳量低于0.03%,通過控軋控冷處理和高度合金化實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化與位錯(cuò)強(qiáng)化地綜合作用.該鋼種以80%累積變形量進(jìn)行精軋并隨后空冷淇屈服強(qiáng)度可高達(dá)700MPa,且FATT可提高到-50C.巴西學(xué)者通過模擬高強(qiáng)低合金貝氏體鋼地控軋控冷工藝過程，研究了控軋控冷工藝參數(shù)對(duì)其微觀組織和力學(xué)性能地影響，發(fā)現(xiàn)軋制后冷卻速率與終軋溫度是主要地控制工藝參數(shù).波蘭學(xué)者研究了在熱軋、淬火及回火加工條件下超低碳貝氏體鋼地微觀組織與力學(xué)性能，研究表明，可以獲得屈服強(qiáng)

11、度大于650MPa、低溫沖擊性能為200J（213K地應(yīng)用于造船、海上石油鉆采平臺(tái)、壓力容器及高性能結(jié)構(gòu)部件地超低碳貝氏體鋼板近代工業(yè)發(fā)展對(duì)熱軋非調(diào)質(zhì)鋼板地性能要求越來越高，除了具有高強(qiáng)度外，還要具有良好地韌性、焊接性能及低地冷脆性.目前世界上許多國家都利用（超低碳地控軋控冷貝氏體鋼生產(chǎn)高寒地區(qū)使用地輸油、輸氣管道用鋼板、低碳含鋁地低合金高強(qiáng)度鋼板、高韌性鋼板，以及造船板、橋梁鋼板、壓力容器用鋼板等.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)高強(qiáng)度鋼地發(fā)展大約比國外落后數(shù)十年，目前我國鞍鋼、武鋼、舞鋼、濟(jì)鋼和寶鋼等企業(yè)均生產(chǎn)過低碳貝氏體鋼板.總體上講，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)基本上是跟蹤國外地技術(shù)，采用與國外類似地合金化體系，技

12、術(shù)上主要采用微合金化和控軋控冷技術(shù).清華大學(xué)方鴻生等在C曲線分研究中發(fā)現(xiàn),Mn在一定含量時(shí)，可使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線上存在明顯地上、下離,發(fā)明了Mn2B系空冷貝氏體鋼.他突破了空冷貝氏體鋼必須加入Mo、W地傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，研制出中高碳、中碳、中低碳、低碳Mn2B系列貝氏體鋼.西北工業(yè)大學(xué)康沫狂等通過多年地研究提出了由貝氏體鐵素體（即低碳馬氏體和殘余奧氏體組成地準(zhǔn)（非典型或無碳化物貝氏體，并成功研制了系列準(zhǔn)貝氏體鋼.與一般結(jié)構(gòu)鋼相比，新型準(zhǔn)貝氏體鋼具有更好地強(qiáng)韌性配合，其力學(xué)性能超過了典型貝氏體鋼、調(diào)質(zhì)鋼和超高強(qiáng)度鋼.山東工業(yè)大學(xué)李風(fēng)照等根據(jù)貝氏體相變?cè)恚ㄟ^合理控制成分和優(yōu)化冷卻制度，并運(yùn)用

13、細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等主要強(qiáng)韌化機(jī)制及其迭加效應(yīng)，采用微合金變質(zhì)處理，開發(fā)了隱晶或細(xì)針狀貝氏體地高品質(zhì)貝氏體或高級(jí)貝氏體鋼我國低碳貝氏體鋼地控軋控冷研究和應(yīng)用相對(duì)較晚，在20世紀(jì)80年代初才開始這方面地工作.武鋼于1999年開始試制板厚1230mm、抗拉強(qiáng)度達(dá)到590MPa、685MPa級(jí)別地低（超低碳貝氏體結(jié)構(gòu)板，產(chǎn)品采用鐵水預(yù)脫硫、RH真空處理工藝降低C含量，增添Mo2B2V2Nb等合金元素，且需熱處理.濟(jì)鋼研制開發(fā)了一種新型地貝氏體高強(qiáng)鋼（C2Si2Mn2Cr系,其特點(diǎn)是鋼中不加入昂貴地Ni、Mo、B等元素，而用少量普通元素V、Mn、Cr合金化，以低廉地合金成本代價(jià)就能使鋼板TMCP處理后

14、空冷自硬，從而節(jié)約大量熱處理費(fèi)用，降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)難度.攀枝花鋼鐵公司與清華大學(xué)、二汽合作開發(fā)地貝氏體微合金非調(diào)質(zhì)鋼12Mn2VB代替45調(diào)質(zhì)鋼制造汽車前軸，效果良好.寶鋼研究了Mn2Mo2Nb2B系超低碳貝氏體鋼地鋼坯加熱、控制軋制、控制冷卻、時(shí)效處理諸因素與鋼力學(xué)性能地關(guān)系，生產(chǎn)了620MPa、690MPa、780MPa等3個(gè)級(jí)別地鋼板.鞍鋼采用控軋控冷工藝試制了HQ590DB超低碳貝氏體鋼板.其終軋溫度為800850C,控制終冷溫度為590630C,獲得鐵素體和板條狀貝氏體組織，鋼板抗拉強(qiáng)度達(dá)650690MPa,屈服強(qiáng)度達(dá)490590MPa,延伸率為20%,并具有良好地成形性能.采用

15、奧氏體再結(jié)晶、未再結(jié)晶、奧氏體與鐵素體兩相區(qū)三段控軋工藝并配合相應(yīng)地壓下率，舞鋼試制成功了低碳貝氏體鋼WDB620、DB690及WH70.實(shí)踐證明，采用合金化與控軋控冷工藝技術(shù)是生產(chǎn)強(qiáng)度高、韌性好、可焊性優(yōu)良且成本低地貝氏體鋼板地最好辦法.國內(nèi)對(duì)低碳貝氏體鋼地研發(fā)大部分停留在實(shí)驗(yàn)研究階段，只有個(gè)別廠家成功生產(chǎn)出性能優(yōu)良、成本低廉地低碳貝氏體鋼板.（1西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072;2邯鄲鋼鐵集團(tuán)公司技術(shù)中心，邯鄲0560004低碳貝氏體鋼地發(fā)展前景4.1 市場(chǎng)需求前景高強(qiáng)度低碳貝氏體鋼被國際上公認(rèn)為21世紀(jì)鋼種，國外在20世紀(jì)80年代才開始進(jìn)行研制.與普通低合金鋼相比，該

16、鋼種因?yàn)樘己肯陆?，在保證高強(qiáng)度地條件下，仍能保持很高地韌性，并在惡劣環(huán)境下能滿足焊接性能，其應(yīng)用范圍廣泛，可用于石油管線、艦船、大型結(jié)構(gòu)件及海洋設(shè)施等方面.近些年，在機(jī)械、汽車等行業(yè)，非調(diào)質(zhì)鋼替代傳統(tǒng)地調(diào)質(zhì)鋼已經(jīng)獲得了廣泛地應(yīng)用制造大型貯罐及運(yùn)輸船都采用非調(diào)質(zhì)處理鋼和微合金化中厚板鋼.汽車工業(yè)發(fā)達(dá)地日本，其非調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展最為活躍，川崎制鐵開發(fā)出具有耐大氣腐蝕性地非調(diào)質(zhì)低碳貝氏體型中厚鋼板.空冷貝氏體鋼屬于非調(diào)質(zhì)鋼中地一類.在生產(chǎn)中可將熱加工成型工序與熱淬火工序合并，空冷自硬，省去了淬火工序，不僅節(jié)約了能源，簡(jiǎn)化了工藝，提高了生產(chǎn)效率，而且可以避免因?yàn)榇慊鹨鸬刈冃?、開裂及氧化、脫碳等熱處理缺陷

17、.空冷貝氏體鋼具有良好地綜合力學(xué)性能，不僅提高了產(chǎn)品地質(zhì)量，而且延長了產(chǎn)品地使用壽命，應(yīng)用前景非常廣闊.空冷貝氏體鋼應(yīng)用于制造汽車前軸，因?yàn)槠錈峒庸ば阅芰己?，同時(shí)因?yàn)榫哂袃?yōu)良地強(qiáng)韌度配合，故可提高前軸地質(zhì)量及壽命.因此,對(duì)汽車前軸這類關(guān)鍵地保安件來說，采用空冷貝氏體鋼制造，不僅經(jīng)濟(jì)效益顯著，而且對(duì)保證汽車質(zhì)量具有重要意義.1998年重汽集團(tuán)公司與唐山貝氏體鋼總廠聯(lián)合開發(fā)了斯太爾汽車前軸用貝氏體鋼24,其性能優(yōu)良，力學(xué)性能可達(dá)到：屈服強(qiáng)度R500MPa,抗拉強(qiáng)度R900MPa,延伸率R17%,斷面收縮率R61%.耐磨鋼球是廣泛用于礦山、冶金、電力、建材和化工等行業(yè)地重要易耗件，國內(nèi)年耗量高達(dá)10

18、0萬噸，國際市場(chǎng)容量在500萬噸.目前使用地各種材料不僅成本高，而且因?yàn)橛捕雀?、韌性差而使破碎率高.低碳貝氏體耐磨鋼球從表面到心部都具有高硬度、高韌性、低破碎率,且工藝簡(jiǎn)單，低成本，生產(chǎn)效率高.低碳貝氏體鋼還可應(yīng)用于制作塑料模具、模塊、貝氏體鋼彈簧、建筑用高強(qiáng)度鋼筋、鐵路道岔、油田用抽油桿和作為項(xiàng)目結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)件用鋼等.總之，低碳貝氏體鋼種地研制與開發(fā)越來越引起材料界和工業(yè)行業(yè)地極大興趣.目前國內(nèi)各特殊鋼廠都相繼研制開發(fā)出一系列低碳貝氏體鋼.低碳貝氏體鋼地應(yīng)用也正在不斷深入國內(nèi)各工業(yè)行業(yè)，所產(chǎn)生地經(jīng)濟(jì)效益也日益得到人們地認(rèn)可.4.2 邯鋼品種結(jié)構(gòu)發(fā)展方向隨著國際、國內(nèi)經(jīng)濟(jì)地飛速發(fā)展和我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

19、地調(diào)整，國內(nèi)外鋼材市場(chǎng)消費(fèi)發(fā)生了較大地變化，其中低合金高強(qiáng)度鋼地市場(chǎng)需求增加幅度越來越大目前，邯鋼中板生產(chǎn)線已能大量生產(chǎn)普碳鋼、Q345，也能生產(chǎn)少量地船板、容器板、鍋爐板等系列產(chǎn)品，并取得了良好地技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但生產(chǎn)低合金高強(qiáng)度鋼板地品種較為單一.邯鋼“十一五”鋼材品種生產(chǎn)及科技發(fā)展規(guī)劃指出邯鋼中長期鋼材品種地發(fā)展方向和目標(biāo)：到2007年板帶比由50%提升至80%,板帶材以建筑、造船、項(xiàng)目機(jī)械用熱軋中厚鋼板和板卷，汽車、家電、集裝箱用薄板系列為主體地品種結(jié)構(gòu)。到20.0年實(shí)現(xiàn)板帶比達(dá)85%,最終形成以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)為主導(dǎo)地板帶品種研發(fā)基地.邯鋼新近引進(jìn)了大板坯連鑄機(jī)與新中板軋機(jī)等新設(shè)備，以調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高工藝設(shè)備水平，為提高邯鋼產(chǎn)品地市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供了設(shè)備保證.很明顯，低碳貝氏體鋼地研發(fā)符合邯鋼