应用氧化物冶金技术开发高强高韧性热锻用非调质钢.pdf

3 6～ ’ 嘞 习 ， 氛 沪昌科技 1 9 9 6年第 5期 ‘ 应用氧化物冶金技术开发高强度高韧性热锻用非调质钢 旅扣 堂 - 绪言 下称调质钢 。 过去， 汽车 用 的大 部分 零 件都 是 以棒 采用非调 质 钢 。 不 仅 在零 件 制造 过 程 ． 钢作 为坯料 ， 经 热锻 成 型后进 行淬火， 回火 中可省略热处 理工 序， 而且 可 以消除淬裂 、 的调质处理 以提 高 强 度和 韧性 ， 然后投 入 淬火应 力等， 具 有降低 成本 、 提 高质 量两 方 使用 。但近 年来， 已经 开 发 使 用 了热 锻 状 面的优点 见 图 1 。 态下获得必 要强 度 的热 锻 用非 调 质钢 以 I 6 O O I 柚 O 1 2 0 0 ■l 1 0 0 0 赠Ⅲ 咀往的 非调质 钢 圉 1 热锻一 调质工 艺和非调质工艺 然而 由于 以往 的非 调质 钢 部 件的 组 织是 明显粗 大的铁 素体 、 珠 光体组织 ， 因而 韧性非常低， 若要将其应用于对韧性有较 高要求 的行走零 部件 等， 则有诸 多限制 。 所 以在工 业生产 中总不 能充分地获 得效益。 另外 ， 为 了保 护地球环 境， 强 烈要求 通 过实现车辆轻量化来降低汽 车的燃料 费 用． 因而在非 调质零 部件 方 面也 要求 使用 超越 以往强度等级的高 强度钢 。 在此 背景 下 ， 笔 者 立 足 于被 称之 谓 氧 化物冶金 的新观点． 运 用组 织控制 手段， 开 发了热锻状 态下 实 现高 强 度 、 高 韧性 的 铁 素体 、 珠光体型非调 质钢 。 本开 发中 的 氧化 物 冶 金 原理 是 炼钢 时， 利用氧化物使许 多细微 的 Mn S粒 子结 晶析出， 进而在热锻后的冷却过 程中将析 出在 Mn s粒子 上 的 VN作 为形 棱 区， 促进 晶内铁 素体 以下 称 I GF 相 变。笔 者查 明 了这些连 续结 晶析 出的特 点， 并积 极地 将 其应用于非调 质钢 。 利用 这 种 技 术， 开 发 了 强 度 极 限 达 1 0 0 0 MP a且 具 备 可适 用 于 汽 车 行 走 部件 韧性 的铁 索 体 、 珠 光 体 型非 调 质 钢 见 囝 2 。 对降低零部件的制造成本， 实现车辆轻 量化 和降低燃 料 费用 作 出了贡献 。 I 本开发钢 的冶金 1 利用 Ti N、 Mn s防 止锻造 加热 时奥 氏体 组织 的粗大 化。 为 了防止 锻造加热 时的奥 氏体组织粗 大化 ， 在高 温 锻造 加热 温度 区中借助 于在 维普资讯 沪 昌科技 3 7 。 - 捌 目 量 赠 坚 抗拉强度 l l P a 图 2 开 发 钢所 占的地 位 钢 中不固溶 的结 晶析 出粒子 来对奥 氏体 晶 粒 的生 长进 行钉札 是有 效 的 ； 但 在 将 AI N 作为析 出粒 子 的普 通钢 中， 奥 氏体 组织 变 得粗大 了， 其结 果， 相变后 的组织 也成 了 以 非常粗大 的珠光体为 主的组织 。 因此 ， 在本 开发钢 中， 通过 同时应 用高 温 下溶解度 非常 小 的 Ti N和 Mn S ， 即 使在 1 5 0 0 K锻造加 热 温度 时 ， 也 成功 地 达 到 了 6级 以上 的 度 。 2 利用 Mn S 、 VN 促进 晶 内铁 素 体相 变 通过 促进 锻造 后冷 却过程 中 的晶 内铁 素体相变 ， 使铁 素体 、 珠 光体组 织细 化是 本 开发 的最 重要 的技 术。 若要提 高 8 0 0 MP a以上高 强度钢 的韧 性 ， 光 防止奥 氏体 组织粗 大化是 不 够的， 必 须在热锻 后的玲却过 程 中使大 多 数晶 内铁 素体 相变 。 笔者 搞 清 了 下 述 晶 内铁 素 体 相 变 机 理 ， 并积 极将 其 用于 实 践 中。用 透射 电子 显微镜 观察 晶内 铁 素体 ， 笈现 大部 分 晶 内 铁素体 内有 Mn S微 粒 见 图 3 。另外 ， 根 据不 同 v、 N 含量 的钢 0 ． 2 5 ％C一0 ． 2 5 ％ S i 一 1 ． 5 ％ Mn一0 ． 0 6 ％ S一0 ． 3 ％ C r 在 1 5 2 3 K加热 冷却后所 得 的组 织 见 图 4 可 知， 晶 内铁 素体相 变 中， 在 存在 Mn S的 同 时， 存在 v 及 N 是 必 要 的。 也就 是 说 ， 可 以认为 v和 N 在 Mn S颗 粒上 以 vN形 式 析 出 见 图 5 ， 成 为 晶 内铁 素 体 的 相变 形 核 区 。 图 3晶 内铁 索 体 豳 钢 1 r r , v 1 ． g 2 3 I 1 钢 2 0 ． i 3 V -口 ． e 0 2 ,N 铜 3 0 ． I V 一0 Q 2 1 I／ 圉 ●v、 N 对 晶 内铁 索 体 相变 的影 响 ’ 另外 ， VN 和 晶 内铁 素体 的 结 晶 方 位 关 系的解析 结晶表 明， 两者 的 O 叭 晶面有 着 B a k e r Nu t ti n g关 系。在 此 情 况 下， 由 于 VN 和 晶内铁 素体 各 自的 0 0 1 晶 面 的 错 配率 很小， 不超过 2． 1 ％， 晶格 的共 格性 极 高， 因而 界面表面 能变小 ， 铁素体 形核 的 自由能 也变 低 。也 就是说 ， 由于 在 Mn S上 析 出的 vN 和 晶内铁 索体 的 晶格共格性 维普资讯 3 8 1 9 9 6年第 5期 图 5 Mn S上析 出的 v 高， 因而两 者的界 面能变小 ， 所 以可 以认 为 VN 成了晶 内铁 素体 的相变形 核区。 因此 ． 为了通 过 晶 内铁 素体 相 变来 细 化组织 ， 应 该 生 成 足 够 数 量 的 VN； 为此 ， 有必要提高 v 和 N 的含量 。 3 以复 合 氧 化 物 作 为形 核 区的 Mn S 的细 微析出 。 正如从上 述 机 理 中 可 以知道 的 那 样， 作 为 VN 析 出 区 的 Mn S的分 散状 态 很重 要 。 根 据高村等 所示 的氧化物 冶金的考虑 方法 ， 估 计 Mn S在 阳 离 子 空 穴 型氧 化物 Mn S 、 F e O等 上结 晶析 出。另外认 为 ， 由 于 Mn O、 F e O 是 弱脱 氧元 素 的 氧 化物 ， 因 此 在脱氧 时先形成 的 Ab 等强脱 氧 元素 的氧化物 上结 晶析 出 ， 形成复 合氧化物 。 图 6是根据反 射 电子强度所鉴 定出的 存在于本开 发 钢 中 Mn S晶粒 断 面 上 的化 合物 图。可 以 看 出， 正 如 所 预 测 的 那 样 ， Mn S内存在着 A I 2 和 Mn O的复合氧化物 。 图 6 Mn S粒子 断 面的 反射 电子 图 因此， 可望通 过 控 制钢 中氧化 物 的 组 成和个 数可 以结 晶析 出许 多 细微 的 Mn S ； 在这 种 情 况 下 ， Ak 作 为 Mn O 的 析 出 区， 其 弥散 度是很重要 的。 添加的 AI 量 由 于决 定 着钢水 中的 氧 含量 ， 因此 可 以 认 为 也 支配 着 Mn O 生成量。 在 改变 S含 量 为 0 ． 0 6 ％钢 中的 AI 脱 氧 程度 的情 况下 ， 对控 制 Mn S分 布状 况进 行 了试验 ， 试验 结果 见图 7 。 由该 图 可知 ， 通过脱 氧程 度最 佳 化． 可使大 多数 Mn S弥 散分布 。可 以推 测 ， 在最 佳脱氧状态 下， 成 为 Mn S结晶 析 出 区 的多 数复 合 氧 化 物呈 弥 散 状 态 。 _ 图 7脱 氧 程度 对 Mn S晶粒 的 个 数 和 大 小的影 响 1 6 D I _ 口 I 2 0 l 0 0 B O蟥 6 0 ‘ 0 2 O O 在本开 发钢 中， 通过 调整脱 氧程度， 形 成具 有积极 意 义的复 合 氧化物 是 非常重 要 的 ， 因为通过 大 量 Mn s的弥散 分 布可 以促 进 多数 晶内铁 素体发 生相变 。 4 通过调 整成 分 提高 铁 素体 、 珠 光体 钢的强 度。 在 通过 降低碳含 量来提高钢 的韧性 的 情况 下 ， 为 了 保证 强 度， 必 须 添 加 合 金 元 素， 但随 着合 金元 素的增加 ， 贝氏体 容易发 生相变 。 由于 贝氏体 的发 生会成 为使屈服 强度降 低等 材质 不 稳 定的 因素 ， 因 此设 计 出既降 低碳含 量又难 以发 生 贝氏体 转变 的 合 金是很 重要 的。为 此， 提 高铁 素 体 稳定 维普资讯 沪昌科技 化元 素 s i 的 含 量， 降 低 Mn 、 C r含 量 是有 根 据上述 思路所设 计 的钢 的成 分如表 效 的 。 1 所 示 。 表 1 开发 的热锻非调 质钢的成分 ％ 2开 发材的特 点 开发钢 和 以往 7 0 0 MP a级 非调质 钢 的 热锻状 态组 织 的 比较 见 图 8 。 以往 的钢 ， 主要是粗大 的 珠光 体组 织 ， 而本 开 发钢 获 得了非常细 的组织。 其结果 ， 在 实际 锻 钢部 件上 获 得 的抗 拉 强 度接 近铁 素体 、 珠 光 体 钢 的极 限， 达 9 6 6 MP a ， 低温 冲击值 为 3 5 J ／ c 见表 2 。 另外 ， 疲劳极 限 比与调质钢 相 等， 达 0 ． 4 6 。 I j 1 图 8以往 的 非 调 质钢 a 和 开 发 钢 b 的 显微组 织 表 2开发钢 锻造品的 力学 性能 由于 用本 开发钢所制 造的非 调质钢 部 件具 有上述 高强 度和 高 韧性 ， 因而 可 以应 用于 以往 的钢 不能适 用 的 汽 车 行走 部 件， 同时 也能实现 部 件 的轻 量 化， 合 理 地适 应 社会 对 降低汽 车燃 费的要 求。 3实用化 及未来发展 的趋势 本开 发钢 已作 为汽 车行走部 件用钢应 用于小型 客车 和 普通 乘 用 车上 ， 而 且 由 于 其具 有上述优 良特性 而可 望今后进 一步扩 大应 用范 围。 如上所述 ， 本开发 主要通过 应用“ 氧化 物冶金 ” 这 一 新 思路 ， 促 进 晶 内铁 素 体 转 变 ， 成功地 开发 了热 锻 状态 下 实现 钢 制 品 组织 细化的技 术 ， 在 提 高非 调质 钢 产 品 强 度 的同时， 实现 了高 韧性 。 其 结果， 本 开 发 钢 的零 部件 达 到 了铁 素体 、 珠 光体 钢 的 极 限 强 度 I O 0 0 MP a ； 与 此 同时， 作 为汽 车用 行走部 件， 达 到 了足够 的韧性 ， 并 已投 入 实际应 用。今 后 ， 结 合社 会对 降低汽 车燃 料 费用 的要求 ， 可 望将 本 开 以钢 用于各种零 部件 。 张新 宝译 杨博校 维普资讯