Nb對高性能汽車鋼的作用及影響機(jī)理

康華偉

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司鋼鐵研究院，山東 日照276800）

1 前 言

我國正處于汽車發(fā)展的普及期，汽車市場在未來的很長時間內(nèi)仍將呈持續(xù)增長態(tài)勢，但因汽車引起的環(huán)境污染與安全事故也將帶來巨大的壓力，因此，汽車的輕量化、安全性和低成本要求汽車用鋼向高強(qiáng)度、高韌性和更易于加工方向發(fā)展。含Nb汽車鋼的發(fā)展應(yīng)用，大幅提升鋼的強(qiáng)度與韌性，Nb微合金是目前汽車用鋼中添加最廣的微合金元素之一。

20世紀(jì)80年代是汽車用含Nb鋼高漲的年代，我國雖然發(fā)展較慢，但對含Nb 汽車鋼的使用也越來越廣泛。目前歐洲典型的汽車含Nb 量約100 g/輛，如此微量的Nb 就能在汽車安全和輕量化方面達(dá)到非凡的效果。據(jù)統(tǒng)計，目前世界平均噸鋼的Nb消耗量為50 g左右，而中國僅約為23 g。隨著含Nb 合金鋼的良好組織結(jié)構(gòu)與突出性能表現(xiàn)，目前許多鋼鐵廠都在加大對微合金Nb 鋼的研究與應(yīng)用，以適應(yīng)高強(qiáng)高韌鋼的發(fā)展趨勢。

圖1 微合金含量對低碳鋼晶粒大小的影響

2 微合金Nb對鋼的影響機(jī)理

在鋼的各種微合金化元素中，Nb是最有效的微合金化元素，104個鐵原子中有1個鈮原子就能達(dá)到改善鋼性能的目的，實際上鋼中加入0.001%～0.1%的Nb就足以改變鋼的力學(xué)性能。Nb作為微合金化元素加入鋼中并不改變其結(jié)構(gòu)，而是與鋼中的C、N、S結(jié)合改變鋼的顯微結(jié)構(gòu)。Nb對鋼的強(qiáng)化作用主要為細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化，Nb能和鋼中的C、B生成穩(wěn)定的碳化物和碳氮化物，還可以使碳化物分散并形成具有細(xì)晶化的鋼［1］，因此，晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化是微合金鋼最重要的兩種強(qiáng)化方式。

生產(chǎn)汽車用鋼的微合金化元素一般有Nb、V、Ti、Zr 和B 等。其中Nb、V、Ti 等微合金元素的加入，既能阻止奧氏體晶粒長大，又能阻止奧氏體再結(jié)晶，從而細(xì)化了鐵素體晶粒，其結(jié)果如圖1 所示［2］。從圖1 中可看出，Nb 的細(xì)化晶粒效果最明顯，因此本研究主要是針對Nb 微合金對汽車鋼的影響作用。

微合金元素主要是以細(xì)化晶粒為目的而添加到鋼中，同時也伴隨著沉淀強(qiáng)化以及改善夾雜物形狀等作用。微合金元素Nb、V、Ti 在鋼中與C、N 強(qiáng)烈反應(yīng)形成相應(yīng)的碳化物、氮化物或碳氮化物，統(tǒng)稱為微合金碳氮化物M（CN）。此化合物加熱到高溫時溶解，而在低溫時又彌散析出，對鋼材的強(qiáng)韌性產(chǎn)生重大影響。同時，此化合物在冷軋后的退火過程中阻礙再結(jié)晶及晶粒長大，從而改善冷軋鋼的機(jī)械性能［3］。Nb 鋼在加熱過程中，加熱到1 200 ℃時保溫10 min，鋼中的Nb大部分都溶于奧氏體中，析出的Nb 質(zhì)點非常小；在軋制過程中，高溫變形（再結(jié)晶區(qū)域，如1 050 ℃）時，Nb（C，N）化物顆粒是沿奧氏體晶界析出，而在晶內(nèi)析出量很少；低溫變形（未再結(jié)晶區(qū)域，如800～900 ℃）時，由于奧氏體未發(fā)生再結(jié)晶，具有較高的畸變能，位錯密度高，因而加速了C和Nb的擴(kuò)散速度，在晶界上、晶內(nèi)和亞晶界上均有Nb（C，N）化物顆粒析出，故析出的顆粒較小。控制軋制就是應(yīng)用微細(xì)的Nb（C，N）化物析出質(zhì)點固定在亞晶界而阻止奧氏體晶粒再結(jié)晶，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的［4］。對Nb 在鋼中奧氏體與鐵素體的作用機(jī)理，進(jìn)行了歸納總結(jié)，如圖2所示。

圖2 Nb在奧氏體與鐵素體中的作用機(jī)理

3 微合金Nb對汽車鋼的作用

通過對微合金Nb 對鋼的機(jī)理研究分析，可得出Nb 對汽車鋼的主要作用有：1）提高汽車鋼的強(qiáng)度。2）提高汽車鋼的韌性。3）提高汽車鋼及構(gòu)件的疲勞性能。4）提高汽車鋼的擴(kuò)孔性能。5）提高汽車鋼的彎曲性能。6）降低帶狀組織以及偏析。7）減緩汽車構(gòu)件的氫致脆裂。8）提高汽車鍍鋅鋼板的鋅層附著力。9）提高汽車鍍鋅鋼板的工藝可行性。

含Nb 高性能鋼在乘用汽車的車身覆蓋件、結(jié)構(gòu)件、保安件等大量使用，如目前大量使用的IF鋼、HSLA 鋼、DP 鋼、BH 鋼、TRIP 鋼以及超高強(qiáng)度熱沖壓成型PH鋼等汽車用鋼，微合金Nb在其中發(fā)揮了明顯的作用，如表1所示。

表1 微合金Nb高性能鋼在汽車中的作用

4 結(jié) 語

微合金Nb 的應(yīng)用，對金屬的組織、性能、加工和工程應(yīng)用都起到了潛在的影響，微合金化鋼的工藝技術(shù)將因人類對能源需要的不斷增長而受到巨大影響。在當(dāng)今國內(nèi)汽車發(fā)展迅速期，Nb 在汽車鋼的應(yīng)用中起到了突出的作用，如何低成本高效地發(fā)揮Nb 在汽車鋼中的最大貢獻(xiàn)，仍需技術(shù)人員不懈地研究。