熱處理節(jié)能材料
——低碳硼鋼

趙步青，鄭孟洪，徐利建，高旭華，朱敏，杜亞偉

1.本刊特約通訊員（編委） 浙江金華 321000

2.浙江金華華南汽配有限公司 浙江金華 321016

3.河南安陽(yáng)鋼廠 河南安陽(yáng) 455004

硼鋼應(yīng)用由來(lái)已久，特別在軍械上。鋼中加入微量的B，就能顯著地提高淬透性。硼在鋼中的擴(kuò)散速度很快，極易偏聚于晶界，對(duì)鋼的組織和性能產(chǎn)生一系列有益的影響。因此合理地選擇和利用硼鋼，在不降低使用性能的前提下可以簡(jiǎn)化、改變熱處理工藝，收益可觀，符合節(jié)能減排大方向。以下列舉低碳硼鋼在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用情況，可供參考。

1 降低變形抗力，省去冷變形前的預(yù)備熱處理

采用冷鐓、冷擠等工藝代替熱成形或切削加工生產(chǎn)的金屬制品，鋼材利用率高，生產(chǎn)效率高，尺寸精度高，性能穩(wěn)定，而且節(jié)能。但它的發(fā)展受到鋼種的制約，不是所有的鋼種都能實(shí)施冷鐓、冷擠工藝的。一般的冷變形鋼，特別是用于制造高強(qiáng)度螺栓的冷變形鋼，大多采用含Cr、Ni、Mo等元素的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，這類(lèi)鋼因含有較高的合金元素，韌性、塑性相對(duì)比較差，變形抗力大，有明顯的加工硬化現(xiàn)象，因此在冷變形前往往要進(jìn)行完全退火或球化處理。即使增加了預(yù)備熱處理，加工出來(lái)的產(chǎn)品也難免出現(xiàn)開(kāi)裂，且模具也易磨損，壽命也不高。

采用硼鋼，特別是低碳硼鋼代替中碳合金鋼，直接用熱軋材冷成形，可以省去退火工序，簡(jiǎn)化工藝，節(jié)能顯著。

鋼的化學(xué)成分是決定鋼冷變形抗力的主要因素，幾乎所有的合金元素都會(huì)使變形抗力提高，碳也不例外，含碳量越高，抗力越大。改善鋼形變性能的主要手段就是降低碳含量及合金元素含量，但這一舉措勢(shì)必影響鋼的淬透性和力學(xué)性能。為了彌補(bǔ)這一損失，向鋼中加硼是明智之舉。

研究表明，硼提高淬透性的能力遠(yuǎn)高于常用合金元素[1]，如0.001%～0.003%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的B，其作用分別相當(dāng)于0.6%Mn、0.7%Cr、0.5%Mo、1.5%Ni，效能要高出幾百倍甚至上千倍。因此，為了提高淬透性，所需的B量極少。GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中列出了20MnVB等13個(gè)含B鋼，B含量全部為0.0008%～0.0035%。我們?cè)谂c國(guó)外客商交往中，分析對(duì)方的幾種牌號(hào)的硼鋼，其B含量均在0.001%～0.003%。硼幾乎是唯一不提高變形抗力的元素。為了進(jìn)一步提高低碳硼鋼的淬透性，還可以加入少量對(duì)變形抗力影響不大的Mn、Cr、Ti等元素，特別是Mn，雖說(shuō)它物美價(jià)廉，但是為防止鋼晶粒粗化及回火脆性，Mn含量一般在1%左右，多則無(wú)益。

前蘇聯(lián)為取代40X、40XH等鋼制造高強(qiáng)度螺栓等零件而設(shè)計(jì)出17Г2P（相當(dāng)于中國(guó)牌號(hào)17MnB），因碳含量很低，熱軋后的強(qiáng)度、硬度比40X退火后還低得多，但塑性很高，而且退火對(duì)強(qiáng)度、硬度影響不大，其熱軋材鐓粗時(shí)的變形抗力比退火后的35鋼、40Cr鋼都低得多。

再如，日本用最常用的高強(qiáng)度螺栓材料20CrMnB鋼（0.22%C、0.61%Cr、0.76%Mn、0.0014%B）替代SCM3中碳合金結(jié)構(gòu)鋼冷鐓件獲得成功，省去了球化退火工序。

實(shí)踐證明，低碳硼鋼鍛軋態(tài)的強(qiáng)度和硬度低、塑性好、變形抗力小，因此可以經(jīng)完全退火或球化處理直接用熱軋材冷變形制造各種零部件，不僅大量節(jié)能，估計(jì)可降低總成本約25%，而且提高勞動(dòng)生產(chǎn)力，工模具的磨損小，使用壽命提高達(dá)50%[2]。

由于低碳硼鋼有很多優(yōu)點(diǎn)，世界各國(guó)都非常重視。現(xiàn)在世界上用低碳硼鋼制造各種緊固件和汽車(chē)、農(nóng)機(jī)、機(jī)械等零件。我國(guó)也在加速發(fā)展。GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》就列出了15MnVB、20MnTiB、25MnTiBRE等6個(gè)低碳牌號(hào)，國(guó)內(nèi)一些鋼廠還生產(chǎn)15MnB、20CrTiB、20MnB等若干個(gè)鋼號(hào)供不同廠家選用。從這些成分和性能分析，低碳硼鋼完全具備了不進(jìn)行預(yù)備熱處理而直接冷成形的條件。展望未來(lái)，我國(guó)的冷變形硼鋼前途無(wú)量。

2 正火代替淬火節(jié)能

一般情況下，硼鋼都在淬火、回火后使用，但在某些情況下，硼鋼也可在正火后使用。硼在淬火鋼中能促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變，正火冷卻速度沒(méi)有淬火快，正火時(shí)能促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變。雖然貝氏體組織的性能比回火馬氏體遜色，但只要選取適量的正火工藝，仍可達(dá)到相當(dāng)高的性能水平。而且，通過(guò)合金化、形變熱處理等手段，還可以進(jìn)一步提高貝氏體的性能。

有人研究證實(shí)[2]，即使鋼中僅含3×10-6的B，正火后晶界上也看到有明顯的硼偏聚，可保證鋼中有很高的淬透性，而如此微量的B在淬火鋼中是很難發(fā)揮作用的，但在正火鋼中卻可發(fā)揮奇效。含0.05%C的B-Nb鋼通過(guò)控制終軋溫度，可使轉(zhuǎn)變溫度降低幾十?dāng)z氏度，空冷或正火后均可顯著地改變鋼的韌性。

硼鋼經(jīng)過(guò)正火取代淬火處理，直接制造零件，有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）硼鋼淬透性高，焊接性能不降低，低溫裂紋敏感性小。

2）減少熱處理變形、開(kāi)裂的危險(xiǎn)。

3）簡(jiǎn)化了熱處理工藝，如能把鍛軋等熱加工與正火有機(jī)結(jié)合起來(lái)，可收到更大的經(jīng)濟(jì)效益。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，正火硼鋼的應(yīng)用并不多，并不代表正火代替淬火工藝有問(wèn)題，而是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)從“必然王國(guó)”向“自由王國(guó)”的過(guò)渡，它確實(shí)是一種切實(shí)可行的途徑。深信正火硼鋼的應(yīng)用領(lǐng)域定會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 淬火后不回火

大家都知道合金鋼淬油、碳鋼淬水，而且淬火后必須回火。這里要挑戰(zhàn)兩項(xiàng)技術(shù)：①硼鋼不油淬。②硼鋼水淬后可以不回火。

低碳硼鋼制件，除對(duì)變形要求特別嚴(yán)格外，都可以實(shí)施水淬，而且不會(huì)出現(xiàn)裂紋，并可省去回火處理，從而達(dá)到節(jié)能效果。這是由于硼鋼有極強(qiáng)的淬透性能力，比常加入鋼中的Cr等合金元素強(qiáng)上數(shù)百倍，極微量的硼就能代替大量合金元素。因此硼鋼淬火時(shí)，馬氏體形變的體積效應(yīng)以及由此而產(chǎn)生的相變應(yīng)力相應(yīng)降低。另外，鋼中加入的合金元素大多都降低Ms點(diǎn)。而B(niǎo)幾乎不影響Ms。因此，淬透性相當(dāng)、而低C、微B鋼的Ms比一般合金鋼要高幾十?dāng)z氏度乃至上百攝氏度。因此，在淬火后期可實(shí)現(xiàn)“自回火”，即在淬火中形成的馬氏體所處的溫度較高，隨即被回火，所以水淬也不會(huì)致裂?，F(xiàn)在世界上低碳硼鋼水淬的應(yīng)用比較廣泛，比如拖拉機(jī)、推土機(jī)履帶、推刀、銷(xiāo)子、履帶襯套、鏈輪、離合器控制桿及汽車(chē)防滑鏈等，還有低碳硼鋼經(jīng)過(guò)氣體滲碳水淬后，表面得到很高的硬度，中心都保持韌性狀態(tài)，形成較陡的硬度梯度，在零件表面層內(nèi)產(chǎn)生有益的殘余壓應(yīng)力，對(duì)提高疲勞強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。

因?yàn)榇慊饝?yīng)力小，又可以自身回火，所以低碳硼鋼制造出來(lái)的許多零件，無(wú)論是滲碳后淬火，還是形變熱處理以低碳馬氏體強(qiáng)韌化，淬水后均可不回火，各項(xiàng)性能都能滿足使用要求。

為了使低碳硼鋼水淬和“自回火”收到良好效果，防止淬火裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)關(guān)注淬火用水的溫度、壓力、水量，以及淬火件入水的溫度、工件出水的溫度等一系列問(wèn)題，保證淬得硬、淬得透、淬得勻。隨著科技的迅速發(fā)展，智能化、自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用，硼鋼水淬一定會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

滲碳后不回火與滲碳后180℃×2h回火性能對(duì)比：

1）表面硬度高2~3HRC。

2）滲層厚度增加0.20~0.25mm。

3）破斷力下降25%~50%。

這里應(yīng)該特別強(qiáng)調(diào)的是，水淬不回火的硼鋼工件，后續(xù)若要鍍鋅或電鍍其他者，不宜水淬不回火，以防氫脆。

4 硼提高淬透性的主要原因

硼是強(qiáng)力提高淬透性的重要元素，在高溫加熱后的冷卻過(guò)程中，溶入奧氏體的硼能延緩先共析鐵素體在奧氏體晶界上形核、推遲上貝氏體轉(zhuǎn)變鐵素體領(lǐng)先形核，從而增大亞共鋼的淬透性；但是，硼并不顯著影響先共析鐵素體和上貝氏體的長(zhǎng)大速度，也不阻止珠光體轉(zhuǎn)變。有關(guān)硼影響鋼淬透性的幾種機(jī)理認(rèn)為，硼之所以能抑制下貝氏體在奧氏體晶界形核，是由于在淬火冷卻過(guò)程中，溶于奧氏體的B元素在奧氏體的晶界上發(fā)生了偏聚，因而降低了奧氏體晶界的自由能。

低碳硼鋼不論是滲碳直接淬火，還是低碳馬氏體強(qiáng)化淬火，其加熱溫度大多為880～900℃，此時(shí)B在奧氏體中的溶解度約為0.001%[3]，這樣會(huì)有一部分B保留在未溶的硼化物中。在淬火冷卻的過(guò)程中，伴隨著奧氏體中B溶解度的降低，溶解在奧氏體中的B逐步向奧氏體晶界偏聚。硼的晶界偏聚可在先共析鐵素體和下貝氏體析出前形成并阻礙這些相變形核，因而提高了鋼的淬透性。

硼提高淬透性的效果隨著B(niǎo)含量的變化而變化，并非是B含量越高越好，而是在一個(gè)很窄的范圍內(nèi)波動(dòng)，變化曲線具有先增后減的特征，不同研究者所得曲線有差別，如圖1所示。

圖1 硼的淬透性效果與硼含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的關(guān)系

盡管不同科研人員得出的結(jié)論有差異，但處于0.0003%～0.003%公認(rèn)為是合適的B含量，也有人認(rèn)為，在正常的淬火溫度下，能夠固溶的B量?jī)H為0.001～0.002%[4]。也稱之為最佳的B含量，加入更多的B無(wú)助于淬透性的提高，相反會(huì)有過(guò)剩的B沿奧氏體晶界以Fe23（C，B）6（簡(jiǎn)稱硼相）的形式沉淀析出，當(dāng)B含量高（>0.003%）時(shí)，硼相的數(shù)目自然會(huì)增加，在鋼中形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，使鋼的力學(xué)性能變差，特別是沖擊韌度低，即出現(xiàn)了硼脆現(xiàn)象。

5 硼含量與aK的關(guān)系

硼鋼屬節(jié)能型鋼種，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，硼鋼究竟含多少B，國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)知基本一致，認(rèn)為B含量在0.0008%～0.003%較妥。但也有人主張?jiān)?.0005%～0.0025%[5]，并認(rèn)為B含量在0.001%時(shí)鋼的淬透性最高，也有人說(shuō)，B含量在0.0008%～0.0025%為宜[6]，更有人提出更嚴(yán)苛的要求，認(rèn)為B含量在0.001%～0.002%最佳[7]。在與國(guó)內(nèi)外客商交往中，有的單位和鋼廠簽訂的技術(shù)協(xié)議有的只有下限（≥0.0008%），有的沒(méi)有下限（＜0.005%），都是不妥的，應(yīng)該有一個(gè)明白的數(shù)字化指標(biāo)。

硼鋼中B含量對(duì)aK值有何影響？撫順?shù)搹S曾對(duì)66爐121批40MnB鋼進(jìn)行力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為B含量應(yīng)≤0.003%，否則aK值明顯下降。昆明鋼廠中心實(shí)驗(yàn)室對(duì)50B鋼中B含量與aK值的關(guān)系作了深入的研究，也認(rèn)為B含量不得超過(guò)0.003%[7]。

原廣西桂林星火機(jī)械廠工程技術(shù)人員對(duì)50B、50BA鋼原材料，除進(jìn)行化學(xué)成分分析外，還進(jìn)行了沖擊性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：凡B<0.0030%者，aK值均在9.4～14.1kg·m/cm2（840℃油淬，600℃回火），遠(yuǎn)高于國(guó)家規(guī)定的≥5kg·m/cm2指標(biāo)，制造出來(lái)的槍械零件也佳[8]。

加入較多（實(shí)際微量）的B為什么會(huì)引起aK值的下降？眾所周知，B在鋼中的溶解度十分有限，910℃時(shí)B在奧氏體中的溶解度為0.21%[6]，超過(guò)這個(gè)溶解度的B，就會(huì)有B相沿奧氏體晶界析出，B相多到一定程度時(shí)，便會(huì)形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，使鋼的性能變差。

從以上分析可知，在一切硼鋼中，硼能極大地提高鋼的淬透性，硼在鋼中的含量很窄，又微量，以0.001%～0.003%較宜，最佳為0.001%～0.002%。低碳硼鋼是節(jié)能型材料，它降低變形抗力，可以省去冷變形前的預(yù)備材料；部分產(chǎn)品可以用正火代替淬火；滲碳后淬水不會(huì)開(kāi)裂，淬火后可以不回火，節(jié)能又環(huán)保；鍛軋等熱加工后直接淬水，一舉多得。我們應(yīng)該積極推廣節(jié)能材料——低碳硼鋼。