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铌在锻造钢中的作用和效果
K. Hulka, F. Ueisterkamp
Niobium Products Company GmbH
摘要:锻造钢传统上属于普通碳素或合金钢,最终性能在淬火和回火后实现,而最终形状
由机加工完成。生产普通锻件时除了基本材料、锻造过程和热处理费用,机加工的费用占
50% 以上。用作锻件的微合金钢的开发大约 1971 年开始,当时中碳钢中用钒或铌作为析出
硬化元素。这些钢与淬火回火钢相比,最终产品具有相同的疲劳抗力、更好的机械加工性
和小的变形。但是,韧性依然较低。因此,这些钢在汽车工业中的应用仅限于如客车的曲
轴等特定零部件。
尽管拉伸性能随珠光体量的增多、珠光体片间距的减小和析出硬化的增强而提高,而
与此同时韧性降低。可以通过减小渗碳体片的厚度、铁素体晶粒尺寸和珠光体团的尺寸来
改善韧性。这些因素是原始奥氏体晶粒尺寸和形状的函数,可以通过奥氏体调节来进行优
化,奥氏体调节在低碳微合金钢中的应用已经十分清楚,其中铌起主导作用。
因为现代锻造车间可以采用低的锻造温度,从而使高度变形的奥氏体转变成珠光体,
提高强度和改善韧性。添加少量铌抑制奥氏体再结晶起关键作用,同时提供了一种经济的
解决方案。
如果感应硬化不是必须,含碳量可降到大约 0.05% ,这样低的碳含量能有效地发挥铌
的效果。由于加入了能抑制铁素体形成的合金元素,生成低碳贝氏体和马氏体组织,得到
强度和韧性的良好配合,以及好的机械加工性和焊接可能性。本文给出一些关于这类钢的
例子。
引言
生产汽车用最终零部件的传统方法是通过机加工淬火回火钢,这仍然是现今最常用的
方法,即使也出现如精密铸造和温锻或冷锻等工艺。
全世界范围内的淬火回火钢有着十分相似的成分和性能。图 1 的例子给出这类德国标
准的钢化学成分对性能的影响[1] ,较高的合金元素含量,得到较好的强度和韧性配合。而
增加碳含量则损害冲击性能。因此,安全的部件宁愿使用昂贵的合金钢。
图1 按DIN 17200 淬火回火钢额定的强度和韧性
生产各种合金成分的典型汽车用锻件的成本示于图2[2] 。从图可以看出材料成本加上锻
造和热处理费用与机加工的成本处于相同的数量级,甚至还低。起始于德国的微合金钢锻
件的开发使得成本全面下降[3,4] 。原因有两个:首先,不需要热处理,第二,保证好的机
加工性能的珠光体和铁素体钢的显微组织,对车削加工方法有正面影响[5] 。它们在全世界
的汽车工业中已得到应用。然而,它们的韧性如夏比冲击或 K1C 值比淬火回火钢要低得多
[6] ,导致它们的应用限于特定的部件如客车的曲。要渗入到其他锻件的应用需要重新考虑
合金设计。
应用 活塞杆 曲轴 齿轮轴
合金设计 C C, Cr C, Cr, Mo
锻件重量 1.24kg 5.00kg 2.19kg
产品重量 0.87kg 3.87kg 1.62kg
57%
42%
42% 车削
30%
25% 30% 锻造
28% 热处理
18%
28% 材料
图2 传统汽车锻件的成本分配
中碳钢的组织-性能关系
已
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