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    在過(guò)去的10年中，國(guó)際管線工程的工作壓力已提高到120bar。深海管線要求壁厚超過(guò)40mm，管徑可能提高到1620mm。當(dāng)前管線用鋼的主流產(chǎn)品還是標(biāo)準(zhǔn)的X70，用于壁厚1520 mm的管子時(shí)，它的原始成分足0.10%C，1.55%Mn，0.007%S，0.03%Nb，0.05%V。90年代X70級(jí)鋼的碳含量和硫含量分別降低到了0.08%和0.005%。為了把強(qiáng)度提高到X80級(jí)，同時(shí)又不犧牲太多的韌性，就要增加錳含量，必要時(shí)也可加鉬或鎳以提高鋼的淬透性，通過(guò)加入化學(xué)當(dāng)量比的鈦含量來(lái)固定氮，增強(qiáng)鈮對(duì)奧氏體調(diào)節(jié)和相轉(zhuǎn)變的影響，得到更多的貝氏體組織。

　　管線鋼的開(kāi)發(fā)不只是提高強(qiáng)度。最近幾年高硫化氫含量的新油氣田越來(lái)越多，這就要求管線鋼有高的抗氫脆性能。要得到高的抗氫脆性能，鋼的硫含量必須低于10ppm，形態(tài)也必須控制。為得到均勻的組織，一般要使碳含量低于0.05%，同時(shí)也要限制錳的含量。近年來(lái)，在CBMM公司資助下，國(guó)外一些鋼鐵公司研究開(kāi)發(fā)了適用于高溫軋鋼工藝的低碳高鈮的(0.03%C—0.10%Nb)的高韌性，抗硫化氫腐蝕的高強(qiáng)度管線鋼。

　　汽車(chē)用鋼

　　國(guó)際“超輕型鋼車(chē)體”(ULSAB)計(jì)劃的研究，世界所有主要的鋼廠都參與了這項(xiàng)工作，高強(qiáng)度鋼占“超輕鋼車(chē)體”的60%以上，如下這些鋼類(lèi)都是含鈮鋼：

　　·低碳IF鋼

　　·高強(qiáng)度IF鋼

　　·烘烤硬化鋼

　　·微合金化高強(qiáng)度鋼

　　·雙相鋼

　　·殘余奧氏體鋼

　　·復(fù)相鋼

　　1  汽車(chē)用熱軋鋼板

　　a)熱軋高強(qiáng)度微合金化鋼：是在低碳—錳鋼基礎(chǔ)上添加0.03%— 0.06%鈮作為主要微合金化元素，以晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化為主要強(qiáng)化機(jī)制的熱軋鋼帶材，屈服強(qiáng)度范圍在350-700MPa。對(duì)屈服強(qiáng)度大于 550MPa、厚度大于6mm的帶鋼，則需要在加鈮的基礎(chǔ)上加鈦和釩復(fù)合微合金化處理。

　　b)熱軋多相鋼：這是另一種高強(qiáng)度熱軋鋼。研究表明，在雙相鋼 (0.1%C，  1%—1.5%Mn，0.1%- 0.5%Si，0%—1.2%A1)中添加 0.03%鈮，配合大累積變形量，利用亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，得到細(xì)晶組織的DP鋼，強(qiáng)度可提高約1OMPa。

　　c)熱軋相變誘導(dǎo)塑性TRIP鋼：是這個(gè)多相家族的另一新成員。研究表明，在原TRIP鋼典型成分 (0.2%C，0.3%—1.5%Si，1.0%— 1.5%A1)基礎(chǔ)上，添加少量的鈮可使熱加工在低于再結(jié)晶停止溫度以下進(jìn)行。

　　2  汽車(chē)用冷軋鋼帶

　　a)冷軋高強(qiáng)度微合金化鋼：轎車(chē)車(chē)體用鋼的屈服強(qiáng)度大于 280MPa，特別是大于340MPa的帶鋼多采用鈮微合金化鋼為主。

　　b)冷軋無(wú)間隙原子IF鋼(或ULC鋼):為了得到IF鋼,殘余的碳必須用可形成穩(wěn)定碳化物和氮化物的合金元素如鈦和鈮來(lái)固定。另外，僅用鈦固碳，還對(duì)鋼的深沖性能和點(diǎn)焊性能也有不利影響。鈦鈮復(fù)合固碳克服了上述缺點(diǎn)，因此Nb—Ti復(fù)合加入的合金設(shè)計(jì)越來(lái)越受到歡迎。具有高Lankford值(r值)和應(yīng)變強(qiáng)化值的高強(qiáng)度IF鋼一般只加鈮固碳。同時(shí)，鈮的加入產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化，得到更高屈服強(qiáng)度。

　　c)冷軋多相鋼：DP鋼最初也不加鈮，后來(lái)研究證明在DP鋼中加鈮可以細(xì)化晶粒，提高鋼的延伸性。

　　d)冷軋TRIP鋼：研究表明，鈮在室溫溫度可保持奧氏體的穩(wěn)定性，并提高奧氏體中碳的富集程度保證奧氏體的穩(wěn)定性。同時(shí)，鈮的加入又使晶粒細(xì)化，每0.01%的鈮約提高屈服強(qiáng)度15MPao

　　高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼

　　在熱機(jī)械處理TMCP的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)中，鈮是首選的微合金化元素。近年來(lái)熱軋鋼板和卷板以及淬火+回火高強(qiáng)度含鈮鋼(屈服強(qiáng)度最小可達(dá)690MPa)擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。除了添加Nb—V鋼，也使用 Nb—Ti、Nb—Mo—Ti、Cr—Mo—Nb—Ti的鋼，以獲得更高的強(qiáng)度，同時(shí)與其它性能相匹配。研究開(kāi)發(fā)強(qiáng)度級(jí)別在690MPa甚至960MPa屈服強(qiáng)度的直接淬火鋼表明，高達(dá)0.1%Nb的微合金化非常有優(yōu)勢(shì)。這個(gè)結(jié)果還有可能使含鈮HSLA鋼進(jìn)入常規(guī)高碳淬火回火鋼的領(lǐng)域。

　　高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)型鋼

　　2001年，結(jié)構(gòu)型鋼的生產(chǎn)開(kāi)始采用控制軋制和在精軋后加速冷卻新工藝技術(shù)。如由Arbed設(shè)計(jì)了“分級(jí)水冷系統(tǒng)”(WSC)，可以減少或消除在凸緣寬度方向上及凸緣和較厚型鋼的幅板間的溫度差，因此保證力學(xué)性能均勻。另一種是“淬火—自回火”加速冷卻系統(tǒng)(QST)。較理想的工藝路線是把WSC和QST結(jié)合起來(lái)。這些新的工藝允許使用較低的碳含量，從而改善了鋼的韌性和焊接性。按照需要的強(qiáng)度水平，加入 (0.01%—0.05%  )  Nb  或  Nb (0.04%)+V(0.06%—0.10%)補(bǔ)償由于降碳造成的強(qiáng)度損失。

　　80年代，美國(guó)鋼鐵業(yè)發(fā)展了近終形連鑄含鈮結(jié)構(gòu)型鋼／梁的技術(shù)，并已商業(yè)化。

　　鈮作為微合金化元素在長(zhǎng)型鋼材中的應(yīng)用

　　到上世紀(jì)80年代以后，冶金和材料專家們根據(jù)鈮的物化特性將鈮在板帶材的物理冶金的知識(shí)應(yīng)用到棒線材，型材，鍛件和鑄鋼等的工程用的熱處理鋼材上，進(jìn)一步擴(kuò)大和發(fā)展了鈮應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)。

　　目前，在我國(guó)有一個(gè)技術(shù)認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，認(rèn)為鈮微合金化僅僅適用于板帶鋼材，只有釩微合金化鋼適于長(zhǎng)型材，但并未注意到只要在深入理解鈮的物理冶金的特性的基礎(chǔ)上，界定顯微組織類(lèi)型、控制適宜的均熱溫度，終軋溫度和軋后的冷卻制度，棒線材和大斷面長(zhǎng)型材采用鈮或鈮—釩復(fù)合微合金化同樣是優(yōu)化的選擇。

　　1  微合金化非調(diào)質(zhì)鋼(熱／冷鍛材)

　　·微合金化非調(diào)質(zhì)鐵素體—珠光體鋼

    大部分用途的傳統(tǒng)鍛鋼基本成分范圍為0.25%～0.50%C，0.3%—0.6%引，0.7%～1.3%Mn。加入約0.1%釩使鋼中先共析鐵素體和珠光體中的鐵索體通過(guò)VN析出得到強(qiáng)化，鍛態(tài)抗拉強(qiáng)度可以提高到800～1000MPa水平。上世紀(jì)70—80年代，歐洲早期就開(kāi)發(fā)了中碳—V—N微合金化非調(diào)質(zhì)鋼49MnVS3，當(dāng)時(shí)人們就認(rèn)識(shí)到提高釩加入量可使這些鋼的強(qiáng)度呈線性增加，但由于晶粒粗大而惡化了韌性。為適應(yīng)汽車(chē)制造廠對(duì)安全性的要求，改善鋼強(qiáng)韌性成為微合金化非調(diào)質(zhì)鋼一項(xiàng)主要的技術(shù)要求。上世紀(jì)90年代，由ASCOMETAL(法國(guó))生產(chǎn)的Nb—V非調(diào)質(zhì)鋼，利用了鈮的晶粒細(xì)化降低珠光休片層間距，控制相變和析出強(qiáng)化的三重作用，使METASAFE鋼成為Nb—v非調(diào)質(zhì)鋼家族的主要成員。

　　·微合金化非調(diào)質(zhì)多相鋼

　　2000年左右，在北美地區(qū)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)低碳—鐵素體+貝氏體+馬氏體(F+B+M)的“多相”鋼BHS—1和FreeformTM鋼。多相微合金非調(diào)質(zhì)鋼是低C—Mn—Mo—Nb類(lèi)鋼，降低含碳量為0.10%～0.15%C，添加 0.05%—0.12%Nb。加鈮的目的是為了加工過(guò)程中奧氏體調(diào)節(jié)以及在控制冷卻過(guò)程中的相變特性，以得到一定數(shù)量的貝氏體和馬氏體。 Mn—Mo—Nb鋼表現(xiàn)出來(lái)的多相組織所具有的連續(xù)屈服應(yīng)力—應(yīng)變特性對(duì)冷沖與冷鍛生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是非常理想的。使用多相鋼可直接淬火，省去傳統(tǒng)鋼所需的球化退火和再加熱和調(diào)質(zhì)工序。

　　·直接淬火—自回火馬氏體微合金鍛鋼

　　鈮在這類(lèi)鋼中的作用是彌散分布未溶的Nb(C，N)顆粒可以阻止再結(jié)晶，避免在鍛造、調(diào)整過(guò)程中以及在進(jìn)入淬火介質(zhì)之前的停留過(guò)程中奧氏體晶粒長(zhǎng)大。在鍛造溫度高達(dá)1290℃的條件下，鋼的晶粒尺寸仍然能保持超過(guò)ASTM晶粒度5級(jí)的水平。固溶的鈮可以有效地提高鋼的淬透性，使鋼的強(qiáng)度提高20%。

　　2 微合金化非調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼棒線材(緊固件用鋼)

　　發(fā)展高強(qiáng)度緊固件用鋼的主要技術(shù)路線可以概括為，采用微合金化非調(diào)質(zhì)棒線材制造非熱處理緊固件，對(duì)需要熱處理材鋼種要減少合金元素含量來(lái)防止高強(qiáng)度緊固件的延遲斷裂。

　　·低C—Nb／V—Nb鐵素體—珠光體鋼：

　　在1980年，新日鐵首先開(kāi)發(fā)一種Nb—V—Ti非調(diào)質(zhì)鋼線材用來(lái)生產(chǎn)冷鐓螺栓，其強(qiáng)度水平達(dá)到 700MPa而不需進(jìn)行球化退火、淬火或回火。鋼的化學(xué)成份為低碳 0.10%C—1.5%Mn，添加少量的 Nb、V和Ti，在控軋控冷條件下，獲得適當(dāng)?shù)蔫F素體和珠光體組織。另外一種低C—Nb／V—Nb鐵素體—珠光體鋼，利用鈮的沉淀析出以及晶粒細(xì)化作用也可以滿足級(jí)別為 8.8緊固件的技術(shù)要求。

　　·低C—Mri—Nb—B貝氏體鐵素體非調(diào)質(zhì)鋼

　　為生產(chǎn)搞拉強(qiáng)度800～1000MPa的高強(qiáng)度螺栓緊固件,傳統(tǒng)工藝需要很多熱處理步驟：球化退火、淬火回火(調(diào)質(zhì)處理)。Heritier等報(bào)道：使用具有低碳貝氏體組織和一定數(shù)量的均勻分布的馬氏體組織的鈮微合金化低C—Mn—Nb—B非調(diào)質(zhì)鋼 (0.12%C—1.65%Mn—0.08% Nb—B)可以省去這些高成本熱處理工藝，生產(chǎn)強(qiáng)度水平在1000—1200MPa范圍的線棒材。添加鈮是利用了鈮的晶粒細(xì)化和中間相沉淀析出的強(qiáng)化作用。硼的加入使鋼具有高的淬透性，在軋后冷卻初期促進(jìn)低碳的貝氏體形成。上述組織是硼／鈮對(duì)鋼相變特性的復(fù)合作用的結(jié)果，可以拉絲和冷鐓。

　　·低C—Mn—Mo—Nb多相鋼

　　BHS—1和FreeformTM鋼 (Mn—Mo—Nb)的鐵素體—貝氏體—馬氏體多相組織的應(yīng)力—應(yīng)變特性是最適合于冷拔和冷鐓加工。連續(xù)的加工硬化特性和快的加工硬化速度使鋼在微量變形之后強(qiáng)度有顯著的提高。而且，這種鋼高的塑性也消除了冷加工過(guò)程中發(fā)生斷裂的可能性，也保證了陰模可以完全被充滿。

　　由Mn—Mo—Nb鋼制造的緊固件，除強(qiáng)度和韌性指標(biāo)外，其疲勞性能也優(yōu)于由傳統(tǒng)的淬火回火的C— Mn鋼((Mo)如AISl 1038或者 AISI4037制造的產(chǎn)品。此外，日本還開(kāi)發(fā)了一種Mn—Mo—Nb和Mn— Cr—Nb針狀鐵素體鋼，適于冷鍛。

　　·低C—Cr—Ti—Nb—B非調(diào)質(zhì)鋼

　　日本研發(fā)新的含硼鋼種25% C—0.05%Si—1.0%Mn—0.3% Cr—0.05%Ti—0.025%Nb— 20ppmB，以軋制狀態(tài)交貨，在冷鐓時(shí).不需進(jìn)行軟化處理。甚至在軋制狀態(tài)這種鋼的變形抗力都是小到足以進(jìn)行冷成型，這是由于減少了強(qiáng)化鋼基體的合金元素C、Si和Cr的含量水平所至。添加合金元素硼和鈮分別是為了彌補(bǔ)淬透性的下降和得到細(xì)化的晶粒。

　　·Cr—Mo—Nb淬火—回火合金鋼

　　當(dāng)緊固件的抗張強(qiáng)度超過(guò) 1200MPa時(shí)，一般的淬火—回火合金鋼都有在服役環(huán)境中易受到氫攻擊的弱點(diǎn)而導(dǎo)致延遲斷裂。為了減少對(duì)延遲斷裂的敏感性，建議減少鋼中雜質(zhì)在原奧氏體晶界含量、加上細(xì)化奧氏體晶粒以及改變碳化物沉淀粒子在晶界析出的形態(tài)。一種能抵抗延遲斷裂，抗張強(qiáng)度為 1500MPa的鋼，推薦的化學(xué)成分為： 0.35%C—0.20%Si—0.35%Mn—0.010%P—0.010%S—1.25% Cr—0.40%Mo—0.02%Nb。

　　應(yīng)當(dāng)再次指出的是，在微合金化非調(diào)質(zhì)鋼中，鈮有助于保證鋼具有高強(qiáng)度和良好韌性，而V可以提供額外的沉淀強(qiáng)化效果。Mo和Nb的協(xié)同作用，通過(guò)形成Nb(Mo)(C， N)顆粒提高鋼的沉淀強(qiáng)化效果。由于鈮也有助于相變過(guò)程的控制，因此直接淬火的Mn—Mo—Nb鍛鋼展現(xiàn)出特別高的屈服強(qiáng)度和良好的韌性。

　　3 含高強(qiáng)度捧線材—建筑用Nb／V熱軋帶肋螺紋鋼筋

　　屈服強(qiáng)度大于400MPa的高強(qiáng)度棒材和鋼筋多采用含V，Nb的微合金化鋼，但是，當(dāng)鋼中碳和氮含量較高時(shí)，以釩微合金化更有效，而且，含釩鋼生產(chǎn)工藝最穩(wěn)定。在無(wú)特殊性能要求，釩鐵價(jià)格低迷時(shí)的情況下，生產(chǎn)含釩鋼還是最佳的選擇。但是，在釩鐵價(jià)格高價(jià)運(yùn)行的情況下，采用微合金化技術(shù)路線應(yīng)是最經(jīng)濟(jì)的方案。

　　1981年以前，在步進(jìn)式加熱爐出現(xiàn)前，由于難以保證坯料上下面加熱均勻，鈮在上下面的溶解和析出程度產(chǎn)生差異，導(dǎo)致軋后棒材的側(cè)彎問(wèn)題一直困擾著鈮在熱軋鋼筋鋼中的應(yīng)用。研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明：要發(fā)揮鈮的最大效果，必須在降碳的同時(shí)選擇合理的加熱溫度，保證全部或至少大部分鈮在軋鋼前固溶到奧氏體中，在軋鋼過(guò)程中一部分鈮以NbC析出，阻止再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，得到的細(xì)化晶的室溫組織，具有好的韌性和可彎曲性。保留的固溶鈮在隨后的冷卻過(guò)程中均勻析出，進(jìn)一步強(qiáng)化室溫組織。在合理的工藝條件下，0.01%～0.02%Nb作用相當(dāng)于0.02%～0.03%V。對(duì)提高可焊接熱軋鋼筋(-0.02%C)鋼的屈服強(qiáng)度，鈮的作用比釩作用更有效。

　　一般來(lái)說(shuō)，在控制晶粒尺寸方面，鈮比釩作用更為效。但是，在較高C和高N鋼中，由于后者的有效性，而有直接的沖突。為了獲得鈮的最佳作用，應(yīng)當(dāng)采用足夠高的均熱溫度，以在軋鋼之前確保絕大部分的鈮溶解進(jìn)奧氏體中。在軋鋼過(guò)程中，鈮以NbC質(zhì)點(diǎn)析出阻止再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，從而得到具有良好的延性和可彎曲性的室溫組織。到80年代后，步進(jìn)式加熱爐的的推出，使鋼坯的均熱溫度更加均勻，這有利于鈮的應(yīng)用,從而消除了過(guò)去在較高碳的含鈮的棒材生產(chǎn)中令人頭痛的棒材歪扭問(wèn)題。但是，在低碳 (0.20%C)可焊接的鋼筋中，鈮比釩對(duì)提高鋼筋的屈服強(qiáng)度更為有效。因此，為獲得一定的強(qiáng)度水平，可以用更少量的鈮替代釩。

　　含鈮表面硬化鋼

　　新開(kāi)發(fā)鋼典型化學(xué)成分為 0.2%C—0.10%S—0.50%Mn—1.0／2.0%Cr—0.0015%B—0.05% Nb。和SCr420鋼相比，為了降低鋼熱軋態(tài)的硬度，降低了C、Si和Mn含量水平，控制硼的加入量和鉻的含量水平來(lái)調(diào)整鋼的淬透性，通過(guò)加入鈮來(lái)防止?jié)B碳時(shí)的晶粒粗化。由于NbC的釘扎作用，可使奧氏體粗化溫度大大提高。也就是說(shuō)，含鈮鋼可以用比不含鈮的鋼高很多的滲碳溫度進(jìn)行滲碳處理，在要求同樣滲碳深度時(shí)，減少處理時(shí)間而使成本大大降低，同時(shí)還減少了滲碳件的變形。

　　含鈮彈簧鋼

　　隨著設(shè)計(jì)應(yīng)力增加，高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)處理彈簧鋼要求具有合乎需要的吭張強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗下垂性和腐蝕疲勞強(qiáng)度以及延遲斷裂阻力。在1990初，為減輕客車(chē)的重量，采用高合金彈簧鋼以提高強(qiáng)度 (1300MPa)。但是，到了2000年，彈簧鋼研究的發(fā)展方向已經(jīng)又回到減少合金元素的含量上來(lái)。

　　在日本，為節(jié)約合金成本，把汽車(chē)螺旋彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力又從 1300MPa降到1200MPa，開(kāi)發(fā)了一種設(shè)計(jì)應(yīng)力1200MPa的新鋼種。成分為0.4%C一1.8%Si—0.5%Ni— 1.1%Cr—0.15%V—0.025%Nb— 0.0015%B。

　　含鈮高強(qiáng)度抗SSC油井管

　　開(kāi)采含腐蝕性硫化氫的深油氣井需要高強(qiáng)度的油井管，并要求具有良好的抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂傾向的性能SSC。理想的抗SSC的顯微組織通常是具有細(xì)小原始奧氏體晶粒和均勻分布碳化物顆粒。在這方面，日本聯(lián)合研究開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室做了很好的研究工作。過(guò)去十年間開(kāi)發(fā)的鈮微合金化高強(qiáng)度油井管鋼中系列中，通常都采用鈮微合金化技術(shù)以利用 Nb(C，N)碳氮化物阻礙晶粒長(zhǎng)大，可以在奧氏體化時(shí)形成細(xì)晶粒組織。這是鈮在獲得最佳抗SSC性能方面最重要的特性。此外，為了獲得超細(xì)晶粒組織還特別開(kāi)發(fā)了新的熱處理工藝，如軋后加速冷卻和感應(yīng)加熱。在這些新工藝中，鈮起到重要的細(xì)化晶粒作用，此外，還發(fā)現(xiàn)含鈮鋼在高溫下奧氏體化其二次析出強(qiáng)化作用可以有效提高后續(xù)。的回火軟化抗力。

　　含鈮鑄鋼

　　70年代后期，鈮微合金化的鑄鋼在諸多新的應(yīng)用方面有很大增長(zhǎng)。由于鈮在高溫有阻止奧氏體晶粒粗化和析出強(qiáng)化的作用，為鑄鋼提供了高強(qiáng)度、良好的韌性、抗疲勞性及抗蠕變性能。因此，對(duì)要求條件苛刻的鑄鋼件，常常采用鈮微合金鋼生產(chǎn)。較低碳含量的含鈮鑄鋼也具有良好的韌性和可焊接性，并可以不再預(yù)熱和焊后熱處理。因此，近年來(lái)在鑄造業(yè)中，含鈮鑄鋼的產(chǎn)量在不斷增長(zhǎng)。如煉鋼用的渣包鑄鋼(0.05-0.10%C，Ni—Cr—Mo—0.05%Nb)，加鈮可大大提高其高溫強(qiáng)度和使用壽命。另外，含Mn—Mo—Nb(十V)的(0.4%Mo—0.04%Nb—0.06%V)鑄鋼件，如汽缸、牽斗、連接件、節(jié)點(diǎn)、鐵路車(chē)輛的掛鉤和用于支撐核反應(yīng)堆框架的重665kg連接件的鑄鋼均在工程中應(yīng)用著。