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什麼是低合金鋼

什麼是低合金鋼?

中國鋼產量已突破1億噸,鋼材數量不再是主要衝突,鋼材品種結構不合理的衝突十分突出。當前行業的主要任務是努力提高產品的市場競爭力,站在可持發展的新起點上,把大力開發低合金鋼列入發展戰略的重要內容。許多普鋼企業在鋼材品種結構調整和編制科技發展規劃中,已意識到低合金鋼生產是提高產品技術含量和附加值的關鍵,對低合金鋼開發中碰到的種種問題心中無數,一些科技管理幹部覺得“成也低合金鋼,敗也低合金鋼”,迫切要求對低合金鋼有個全面的瞭解。

按國際標準,把鋼區分為非合金鋼和合金鋼兩大類,非合金鋼是通常叫做碳素鋼的一大鋼類,鋼中除了鐵和碳以外,還含有爐料帶入的少量合金元素Mn、Si、Al,雜質元素P、S及氣體N、H、O等。合金鋼則是為了獲得某種物理、化學或力學特性而有意添加了一定量的合金元素Cr、Ni、Mo、V,並對雜質和有害元素加以控制的另一類鋼。

原則上講,合金鋼分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼,顧名思義,以含有合金元素的總量來加以區分,總量低於3%稱為低合金鋼,5~10%為中合金鋼,大於10%為高合金鋼。在國內習慣上又將特殊質量的碳素鋼和合金鋼稱為特殊鋼,全國31家特鋼企業專門生產這類鋼,如優質碳素結構鋼、合金結構鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、軸承鋼、不銹鋼、耐熱鋼、電工鋼,還包括高溫合金、耐蝕合金和精密合金等等。在鋼的分類上,近年雖努力向國際通用標準靠攏,但還有許多不同之處。

①隨著特鋼向“特”、“精”、“高”發展,向深加工方向延伸,特鋼的領域越來越窄。美國特鋼協會將特鋼定位在工模具鋼、不銹鋼、電工鋼、高溫合金和鎳合金。日本把結構鋼和高强度鋼歸併在特鋼範疇。隨著我國普鋼企業的技術改造和工藝進步,特鋼企業的產品領域也在縮小,1999年普鋼廠已生產特鋼產品總量的34%。

②國外的低合金鋼,實際上是我們所熟悉的低合金高强度鋼,屬於特殊鋼範疇,在美國叫做高强度低合金鋼(HSLA—Steel),俄羅斯及東歐各國稱為低合金建築鋼,日本命名為高張力鋼。而在國內,首先是把低合金鋼劃入了普鋼範圍,概念上的區別導致在產品品質上的差异。在名稱上也幾經變化,如低合金建築鋼、普通低合金鋼、低合金結構鋼,至1994年叫做低合金高強度結構鋼(GB/T1591—94)。到目前為止,從發表的資料文獻來看,低合金鋼的名稱仍然隨著國家、企業和作者而异。

③低合金鋼與碳素鋼、低合金鋼與合金鋼之間,明確劃出的概念是不存在的。在國外,50年代曾給低合金鋼下過定義,總的意思是,凡是合金元素總量在3%以下,屈服强度在275Mpa以上,具有良好的可加工性和耐腐蝕性,以型、帶、板、管等鋼材形狀,在熱軋狀態直接使用的軟鋼的替代品。當然,在科技發展行程中,低合金鋼不論在合金含量、效能水准和交貨狀態,已經有了很大的變化。

在我國,低合金鋼是一個更加籠統的鋼類,鋼材品種不僅含有低合金焊接高强度鋼,還包容了低合金衝壓鋼、低合金耐腐蝕鋼、低合金耐磨損鋼、低合金低溫鋼、甚至還納入了低、中碳含量的低合金建築鋼和中、高碳含量的低合金鐵道軌鋼。具有中國特色,但帶來的一個問題是缺乏與國外統計資料的可比性。

早期低合金鋼的發展

低合金鋼的出現可以追溯到19世紀的1870年,一種碳含量0.64~0.9%和鉻含量0.54~0.68%、抗拉强度685Mpa、彈性極限410Mpa鋼,第一次被採用於工程結構,建造了跨度158.5m的拱形橋樑。但這種鋼不理想也是十分明顯的,需要軋後熱處理,難以機械加工,耐蝕性又不良。隨後的1個多世紀的時間,世界各國不斷探索,大體上可以把低合金鋼區劃為三個不同特徵的發展階段,在20世紀20年代以前,20~60年代及60年代以後。前兩個階段姑且合稱為傳統的低合金鋼發展階段,後一階段可以稱為現代低合金鋼發展階段(後面我們稱它為微合金鋼Microalloyed Steel)。

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前一時期低合金鋼的重大發展有三個標誌:

①由單一元素合金化向多元素合金化發展

1895年曾採用0.40~0.56%C和3.5%Ni的鋼建造了俄國的“鷹”級驅逐艦,該鋼的加工性比初期的鉻鋼要好得多,屈服强度在355Mpa。20世紀初還用8000多噸含鎳的鋼建造了跨度為448m的橋樑,美中不足的是這種鋼的合金資源有限,成本又高。此後開發了1.25%Si的低合金鋼,建造了橫渡大西洋的船舶和跨度110m的橋樑,俄國利用鐵銅混生礦源,曾開發了0.7~1.1%Cu的低合金鋼用於造船、建橋,這種鋼導電性好,抗腐蝕性優良。

長達30多年的生產和應用經驗的積累,發現多元合金化的低合金鋼綜合效能更佳,經濟上更划算,開發了二元合金化的Ni-Cr、Cr-Mn、Mn-V低合金鋼,和三元複合合金化的Cr-Mn-V、Cr-Mn-Si、Mn-Cu-P等低合金鋼。用途上也擴大到了鍋爐、容器、建築和鐵塔等方面。20世紀20年代全世界的低合金鋼產量達到200萬噸。

②賦予低合金鋼的第一特徵:低碳、可焊接

在工程結構廣泛採用焊接技術之後,給低合金鋼發展帶來深遠的影響。為减小焊接熱影響區硬化和開裂、焊接接頭延性惡化,把低合金鋼的碳含量由0.6%降到0.4%,隨後又降至0.2%,至60年代末再降至0.18%,提出了焊接碳當量的可焊性判據。為了獲得高强度鋼不斷增高的强度需求,出現了兩條發展途徑,一個是提高合金含量,另一個是熱處理手段,各有利弊,至今屈服强度高於600Mpa的鋼仍採用熱處理,E級和F級船板仍規定正火狀態使用,再如鐵路鋼軌仍有合金化軌和全長淬火軌的兩種生產方式。

③注意到鋼的冷脆傾向性和時效敏感性

二次世界大戰期間大量“自由”輪在運行中斷裂及許多鍋爐、容器的失效,注意到了鋼冷脆傾向與鋼的粗晶結構和有害元素P、S的含量有關,而鋼的時效傾向是由鋼中N所致,從而採取了降硫、鋁細晶化和控制終軋溫度等優化工藝。為了鋼結構的安全使用和壽命,同時還開發了低溫夏氏V型缺口衝擊、溫度梯度雙重拉伸、零塑性轉折落錘及BDWTT落錘撕裂等試驗方法及制訂了相應的斷裂韌性判據。

20~60年代間,工業已開發國家的低合金鋼開發帶來了經濟的繁榮和現代化。據不完全統計,全世界成熟的低合金鋼鋼種牌號有2000餘個,形成了5大合金成分系列:

(1)以德國St52鋼為代表的C-Mn鋼系列,日本的SM400、我國的16Mn屬於這類鋼。

(2)以美國Vanity鋼為代表的Mn-V-(Ti)鋼系列,構成了現代微合金化的先驅。

(3)美國的含P-Cu鋼系列,代表鋼種有Corten和Mariner鋼,具有良好的耐大氣和海水腐蝕性。

(4)Ni-Cr-Mo-V鋼系列,如美國開發的淬火回火狀態T-1鋼板成功用於壓力容器的建造。

我國低合金鋼的發展

50年代原冶金工業部鋼鐵研究院劉嘉禾為首的一批冶金學專家率先研製成功了16Mn鋼和15MnTi鋼,開創了中國低合金鋼領域,在此基礎上製定了命名為低合金高强度鋼的第一個標準(YB13—58),列入12個鋼種牌號。1963年易名為低合金結構鋼(YB13—63),納入的鋼種牌號除Mn系列外,包括了結合我國富產資源所開發的V、Ti、Nb及稀土的低合金鋼,並由此派生出了橋樑、造船、容器、汽車大樑、礦用等專用鋼標準。其後修改的YB13—69,改為普通低合金鋼(簡稱普低鋼),強調“普通”的意思在說明生產低合金鋼就像生產普通碳素鋼一樣,不需要特別的生產手段,簡便容易,即可取得1噸頂1.3~1.5噸的經濟效益,此後長達20年難以消除它的負面影響,至今全國行業鋼材品種結構調整時,還往往注意到低合金鋼高附加值的一面,而忽視了低合金鋼的高技術含量一面。1988年陞級為國標時(GB—1591—88),回歸到了低合金結構鋼的名稱,1994年頒佈的現行標準更名為低合金高強度結構鋼,(GB/T1591—94),包括了屈服强度295—460Mpa 5個强度等級和A~E 5個質量等級,新標準的積極意義在於努力向國際規範靠攏。由於我國低合金鋼基礎研究日趨深入和生產規模日益擴大,在北京已連續召開了4届(1985、1990、1995及2000年)國際低合金高强度鋼會議,無疑這是對中國低合金鋼領域科技進步的肯定。

現代低合金鋼的重大進展

低合金鋼的現代進展有哪些呢?主要表現有:

(1)微合金化鋼基礎研究的新成就。

(2)工藝科技的進步

(3)低合金鋼合金設計新觀點

首先是鋼的低碳化和超低碳趨勢,例如60年代X60級管線鋼碳含量為0.19%,70年代為0.10%,80年即使X70和X80級管線鋼碳含量降至0.03%以下。

根據微合金化元素在鋼中的基本作用和次生作用,提出了“奧氏體調節”的概念,有意識地控制加入微合金化元素,使鋼適於一定的熱機械處理工藝,以發展新的效能更好的鋼種。

傳統控制軋製的合金設計:微合金化的重要目的是提高再結晶停止溫度,利用非再結晶區的形變誘導相變和析出,Nb是最理想的微合金化元素。

再結晶控制軋製的合金設計:它的目的是儘量降低再結晶停止溫度,並形成阻礙晶粒粗化的系統。其中一種辦法是以TiN為晶粒粗化封锁劑,以V(CN)作為鐵素體强化。另一種方案是Nb-Mo的微合金化,具有較寬闊的可以加工的視窗。這種工藝特別適合於不能進行低溫軋製的低功率的老舊軋機生產。

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