1. 馬氏體時效不銹鋼成分 性能用途資料大全
馬氏體時效不銹鋼是由低碳馬氏體相變強化和時效強化兩種強化效應疊加的高強度不銹鋼,是20 世紀60 年代後期發展起來的新鋼類。它具有馬氏體時效鋼的全部優點,又具有馬氏體時效鋼所不具備的不銹性,同時還對沉澱硬化不銹鋼的某些性能進研了改進。現已廣泛應用於航空、航天、機械製造、原子能等重要領域。
近30 年來,馬氏體時效不銹鋼的開發和研究取得了很大的進步。上海秉爭實業有限公司將從馬氏體時效不銹鋼的成分、性能、組織結構等多方面反映馬氏體時效不銹鋼目前的研究概況。
1 馬氏體時效不銹鋼的成分與性能
1961 年美國Carpenter Technology Co. 研製了第一個含鈷的Pyroment X-12 馬氏體時效不銹鋼,以後又先後開發了不含鈷的Custom 450、Custom455 及X-15 、X-23 。此時期美國一些公司先後開發了AM363、Almar326、In736、PH13-8Mo 、UnimarCR 等。德國於1967、1971 年先後研製成功了Ul2trofort 401-403 等鋼種。我國在上世紀70 年代也曾開展了一些馬氏體時效不銹鋼的研究工作。例如,研製了00Cr13Ni8Mo2NbTi。至20世紀末,我國已有10 多個馬氏體時效不銹鋼獲得廣泛應用。表1～表3 給出了目前典型馬氏體時效不銹鋼的化學成分和力學性能。
表1 國外典型馬氏體時效不銹鋼的化學成分/%
Table 1 Chemical compositions of overseas typical maraging stainless steels/%
鋼種 C Cr Ni Co Mo Ti Al Cu 其它
Pyroment X-15 < 0.030 15.00 - 20. 00 2. 90 - - - -
Pyroment X-23 < 0.030 10.00 7. 00 10. 00 5. 50 - - - -
Ultrofort 401 < 0.020 12.00 8. 20 5. 30 2. 00 0. 8 - - B、Zr
Ultrofort 402 < 0.020 12.50 7. 60 5. 40 4. 20 0. 5 0. 05 - -
Ultrofort 403 < 0.020 11.00 7. 70 9. 00 4. 50 0. 4 0. 15 - -
MNBI < 0.030 12.50 5. 50 6. 80 3. 00 - - - -
MA-164 0.02 12.50 4. 5 12. 5 5. 0 - - - -
AM367 0.025 14 3. 5 15. 5 2 0. 4 - - -
PH13-8Mo 0.03 12.75 8. 2 - 2. 2 - 1. 10 - 0. 005N
SUS630 0.02 16 3. 9 - - - - 3. 8 0. 8Si ,0. 8Mn ,0. 2Nb
A steel 0.01 10.2 9. 2 - 3. 0 0. 7 - - 1. 5Si
NSSHT1770M 0.04 13.8 7. 0 - 0. 8 0. 3 - 0. 7 1. 5Si
Custom 450 0.035 14.9 6. 5 - 0. 8 - - 1. 5 0. 75Nb
Custom 455 0.03 11.75 8. 5 - - 1. 2 - 2. 25 0. 30Nb
Almar 362 ≤0.03 14.5 6. 5 - - 0. 80 - - -
AM363 ≤0.05 11.50 4. 5 - - 0. 40 - - -
11Cr9Ni2MoTi < 0.015 11 9 - 2 1. 2～1. 6 - - B < 0. 005
表2 國內典型馬氏體時效不銹鋼的化學成分/%
Table 2 Chemical compositions of domestic typical maraging stainless steels/%
鋼種 C Cr Ni Nb Mo Si Mn 其它
00Cr14Ni6Mo2AlNb < 0.03 14 6 0.4～0.7 2 ≤0. 5 ≤0. 5 0.1～0.4Al
00Cr15Ni6Nb < 0.03 15 6 0.5～0.8 - ≤0. 5 ≤0. 5 -
10Cr-7Ni-10Co-5. 5Mo 0.004 10 7 - 5. 5 - - 10 Co
12Cr-8Ni-Be < 0.03 11.7 8 - - - - 0.18Be
00Cr12Ni9Cu2TiNb < 0.03 12 9 0.2～0.3 - - - 微量RE 2Cu
12Cr5Ni2MnMoCu < 0.03 12 5 - - - - 2Mn
13Cr-25Co-5Mo < 0.03 13 - - 5 - - 25Co
表3 典型馬氏體時效不銹鋼的力學性能
Table 3 Mechanical properties of typical maraging stainless steels
鋼種 拉伸強度/MPa 延伸率/% 硬度
SUS630 1430 12 HV 450
Croloy16-6PH 1310 15 HV 412
12-6PHX 1310 13 -
17-4PH 1310 14 HRC 42
15-5PH 1310 14 HRC 42
PH13-8Mo 1550 12 HRC 47
Custom 450 1350 14 HRC 42
Custom 455 1645 10 HRC 49
Pyroment X-15 1550 17 HV 484
NSSHT 1700M 1790 5 HV 530
A steel 1980 1 HV 587
AM 363 840 10 -
Almar 362 1330 13 -
Ultrofort 401 1700 11 -
MA-164 1830 14. 7 -
00Cr12Ni9Cu2TiNb 2050 2. 2 HV 558
12Cr5Ni2MnMoCu 1640 4. 5 -
2 合金化
上海秉爭實業有限公司馬氏體時效不銹鋼的合金化元素主要有三類,一類是與抗腐蝕性能有關的元素,如Cr ;一類是形成沉澱硬化相的強化元素,如Mo 、Cu、Ti 等;一類是平衡組織以保證鋼中不出現或控制δ2鐵素體元素,如Ni 、Mn、Co 等。
2. 1 合金元素的作用
鉻是不銹鋼的主要合金元素,對耐蝕性起著決定作用。其耐蝕性按照nP8 規律作躍進式的突變,隨著Cr 含量的增加,不銹鋼在氧化性介質中耐腐蝕能力相應增加。Cr 能有效地提高鋼的點蝕電位值,降低鋼對點蝕的敏感性。當Cr與Mo 配合使用時,抗點蝕效果更好。Cr 是強鐵素體形成元素和縮小奧氏體區元素,對於馬氏體時效不銹鋼來說,Cr 含量一般在10. 5 %～18 %之間 。如果Cr含量過高,則固溶處理後將得不到全馬氏體組織(含有部分鐵素體組織) ,而鐵素體的存在則會影響鋼的熱塑性,降低鋼的強度並惡化鋼的橫向韌性和鋼的耐蝕性。另一方面,Cr 是降低Ms 點元素,因此,Cr 含量一般控制在10. 5 %～12. 5 %。
同樣,鎳也是馬氏體時效不銹鋼中不可缺少的元素。鎳是奧氏體相形成元素,擴大奧氏體穩定區,隨鋼中鎳含量的提高,奧氏體相區向高Cr 方向移動,即鋼中的Cr 可以提高而不至於形成單一的鐵素體組織。為保證在815～1 100 之間的奧氏體結構在冷卻到室溫後完全轉變為馬氏體結構,在馬氏體時效不銹鋼中鎳含量應在4 %～20 %,但鎳同樣會降低Ms 點,並且比Cr的作用還要強烈。如鎳含量過多,Ms 點降低,冷
卻時會導致殘余奧氏體的形成,從而得不到全馬氏體組織,使時效後的強度降低。因此,馬氏體時效不銹鋼中的鎳含量一般控制在5. 6 %～10 %,最高達12 %。
在馬氏體時效鋼中,鈷雖固溶於基體中但並不形成金屬間化合物,而與鉬產生協作效應(synergistic effect) 。其作用在於減少鉬在馬氏體中的固溶度,從而促進含鉬金屬間化合物(如Ni3Mo 、Fe2Mo) 的析出; 另外,鈷可以抑制馬氏體中位錯亞結構的回復,為隨後的析出相形成提供出更多的形核位置,因而使析出相粒子更為細小而又分布均勻,減少析出相粒子間距。
在馬氏體時效不銹鋼中對強度、韌性和耐蝕性都有利的合金元素是鉬。時效初期析出的富鉬析出物,在強化的同時保持鋼的韌性中起著重要作用 。馬氏體時效鋼中合金元素Mo 的存在,也可以阻止析出相沿原奧氏體晶界析出,從而避免了沿晶斷裂、提高了斷裂韌性。在某些還原性介質中,鉬能促進Cr 的鈍化作用。故鉬能提高鉻鎳不銹鋼在硫酸、鹽酸、磷酸及有機酸中的耐蝕性,並有效地抑制氯離子的點腐蝕傾向,提高鋼的抗晶間腐蝕能力。但過量添加鉬同過量添加鎳一樣,也會生成殘留奧氏體。在馬氏體時效不銹鋼中鉬含量應控制在5 %以下。
銅是一種較弱的奧氏體形成元素。加入少量銅不致引起不銹鋼組織的明顯變化。在腐蝕介質中,含銅鋼在氧化層下形成銅的富集層,它能阻止氧化鐵繼續向金屬內部深入,故在馬氏體時效不銹鋼加入銅,能提高鋼在鹽酸和硫酸中的耐蝕性,加銅也能提高鋼的耐應力腐蝕能力。但過多的銅含量會引起熱加工時的銅脆。
在傳統的馬氏體時效鋼中,Mn 一直是作為雜質元素而存在的,其含量受到了嚴格的控制( ≤0.1 %) 。不過,由於在Fe-Mn 系合金中,可以在較寬的冷卻速度范圍內形成板條或塊狀馬氏體組織,所以Fe-Mn 合金也為時效強化提供了良好的基礎。Mn 是擴大γ區的元素,在鋼中Mn 的穩定奧氏體組織的能力僅次於Ni ,是強烈提高鋼的淬透性元素。因此,在馬氏體時效不銹鋼中,Mn可以部分取代Ni 。但錳的加入會稍微降低鉻量較低的不銹鋼的耐蝕性能。當鋼中含鉻量足夠高時(17 %Cr) ,錳對鋼的耐蝕性並無有害影響。
鋁通常是作為脫氧劑加入到鋼中,是鐵素體形成元素,促進鐵素體形成能力約為鉻的2. 5～3倍。鋁在馬氏體時效不銹鋼中的主要作用是時效強化作用。同時,加鋁能在鋼表面形成一層緻密的氧化膜Al2O3 ,提高不銹鋼抗氧化能力。
鈦在馬氏體時效不銹鋼中常常使用。鈦在馬氏體時效不銹鋼中是最有效的強化合金元素。適量的鈦具有顯著的時效強化作用。增加鈦含量,降低不銹鋼一般耐蝕性。在某些介質中使焊接件出現刀口腐蝕。
硅是強烈的強化鐵素體元素。硅對提高鐵基、鎳基耐蝕合金在強氧化介質中的耐蝕性有明顯作用。在高溫下或在強氧化性介質中(如發煙硝酸) ,鋼中加一定量的硅,可在表面形成一層富硅的表面層SiO2 ,從而使鋼的抗氧化性或抗腐蝕能力顯著提高。加硅對耐硫酸腐蝕也有一定作用。加硅還可以抑制不銹鋼在氯離子介質中的點腐蝕傾向。但當含硅量高達4 %時,鋼的脆性顯著升高,而使工業使用發生困難。
將稀土元素加入不銹鋼中,能提高馬氏體時效不銹鋼的抗腐蝕性能。但關於稀土元素對馬氏體時效不銹鋼的耐蝕性能的影響,目前研究還較少,需進一步研究。
上述合金元素相互之間有時會發生新的物理化學作用,往往會引起強化力學性能的作用。各種合金元素對馬氏體時效不銹鋼組織結構和性能的影響見表4。
表4 合金元素對馬氏體時效不銹鋼組織結構和性能的影響
Table 4 Effect of alloying elements on structure and properties of maraging stainless steel
合金 對組織結構的影響 對性能的影響
元素 形成鐵素體 形成奧氏體 防止晶間腐蝕 增加耐腐蝕性 提高抗氧化性 提高高溫強度 增強時效硬化 細化晶粒
鋁
鉻
鈷
鈮
銅
錳
鉬
鎳
硅
鉭
鈦
鎢
注: ———作用較強; ———作用中等; ———作用較弱。
2. 2 合金元素對不銹鋼組織的影響
不銹鋼中穩定奧氏體元素的作用居於主要方面時,不銹鋼的組織就以奧氏體為主,很少以至沒有鐵素體;在不銹鋼中所含穩定奧氏體元素鎳、錳、銅的作用程度還不能使鋼的奧氏體保持至室溫時,不穩定的奧氏體在冷卻時即發生馬氏體轉變,鋼的組織則為馬氏體;如果形成鐵素體元素的作用成為主要方面的話,鋼的組織則以鐵素體為主,根據鎳當量和鉻當量可得出不銹鋼組織圖。各元素的鎳或鉻當量為 :
Ni當量= %Ni + %Co + 0. 5 %Mn + 0. 3 %Cu +25 %N + 30 %C (1)
Cr當量= %Cr + 2 %Si + 1. 5 %Mo + 5 %V + 5. 5 %Al +1. 75 %Nb + 1. 5 %Ti + 0. 75 %W (2)
3 馬氏體時效不銹鋼的組織結構
3. 1 馬氏體
在正常化學成分和適宜熱處理條件下,為了獲得良好性能,馬氏體時效不銹鋼中的基體應為板條狀馬氏體。相鄰的馬氏體板條,基本上位向相同,而且相互之間是小傾角晶界接觸;板條寬度約為0.025~2.25μm。晶粒度對板條寬度和分布沒有影響,而捆的大小則隨著晶粒度增大有變大傾向。用透射電鏡觀察,其亞結構主要是由高密度位錯所組成,位錯密度為(0.3～0.9) ×1012 cm/cm3 。馬氏體可以變溫或等溫形成;馬氏體是體心立方結構,而且逆轉變為奧氏體時,有很大的溫度滯後,因而在較高溫度時可以發生馬氏體基體的沉澱;馬氏體的硬度為HRC25 左右,具有很好的塑性和韌性。
3. 2 殘余奧氏體
為了使馬氏體時效不銹鋼具有優良的性能,希望鋼的基體為馬氏體組織,鋼中殘余奧氏體盡量少。這就需要嚴格控制鋼的馬氏體轉變溫度Ms 和適宜的鉻當量和鎳當量。對於馬氏體時效不銹鋼而言,利用(3) 式可計算出馬氏體相變溫度,精確度可達±40 ,利用Cr 、Ni 含量對Ms 溫度影響來測定Ms 溫度,其精確度可達±20 。利用式(1) 和(2) 以及Cr 、Ni 含量與Ms 的關系可計算出不含殘余奧氏體和鐵素體的馬氏體時效不銹鋼的化學成分。但是,就提高馬氏體時效不銹鋼的韌性而言,有少量殘余奧氏體(包括逆轉奧氏體) 是有益的。
Ms = 832 - 29 %Cr - 39 %Ni - 5 %Co -36 %Mo - 0 %Ti (3)
3. 3 金屬間相
上海秉爭實業有限公司馬氏體時效不銹鋼在馬氏體基體上析出細小、彌散的金屬間化合物是使這類鋼獲得高性能的關鍵。研究表明,對於含Co 、Mo 的馬氏體時效不銹鋼,由於碳含量很低,故碳化物很少,在馬氏體基體上主要有χ相,Laves 相、Fe2Mo 、Ni3 Ti 等金屬間化合物析出。Ni3Mo 和Ni3 Ti 均呈細長的棒狀,而Fe2Mo 和NiBe 則為球形。表5 給出了馬氏體時效不銹鋼的一些時效析出物。
表5 馬氏體時效不銹鋼的析出相
Table 5 Precipitate phases in maraging stainless steel
鋼種 時效溫度P 析出相
17-4PH 480～600 富Cuε相
AM367 427～510 χ相,Laves 相,Mo 化合物,Ti 化合物
Ultrofort401 500～550 χ相,Fe2Mo ,Ni3Ti
1RK91 475～550 Ni3 (Ti ,Al) ,R 相,Laves 相,R′相
0Cr12Ni5Mn2MoAlTi 480 NiTi ,Ni3 (Al 、Ti)
00Cr12Ni9Cu2TiNbBe 450～480 NiTi ,NiBe
4 馬氏體時效不銹鋼的發展趨向
(1) 降低鋼中氣體、夾雜物和有害元素含量,改進馬氏體時效不銹鋼組織結構的均勻性,提高現有鋼種的強、韌性以及耐蝕性。
(2) 進一步研究晶粒超細化工藝。通過改善合金化、控制軋制及形變熱處理,在析出強化的同時,充分發揮形變、相變和細晶強化的綜合作用,提高鋼的綜合力學性能。
(3) 開發σ0. 2 ≥1 200 MPa 耐海水腐蝕馬氏體時效不銹鋼,提高鉻、鉬等耐腐蝕元素的含量,進一步改善馬氏體時效不銹鋼的耐腐蝕性能。
(4) 無鈷超高強度(σb ≥1 800 MPa) 馬氏體時效不銹鋼的開發及強韌化機理研究。
(5) 進一步研究高度彌散金屬間化合物的形貌、組分、結構以及殘留奧氏體的數量形貌、分布狀態對馬氏體時效不銹鋼性能的影響。
(6) 稀土元素在馬氏體時效不銹鋼中作用機理研究。
5 上海秉爭實業有限公司結束語
馬氏體時效不銹鋼具有比強度大、屈強比高、強韌兼備、彈性性能優異、耐蝕性和熱穩定性好、熱處理規范簡便、加工成型性及焊接性能優良等優點,具有良好的發展前景。將高強度馬氏體時效不銹鋼發展至超高強度(σb ≥1 800 MPa) ,同時具有良好的塑韌性,在航空航天等領域存在著廣泛的應用和需求前景。但從經濟角度考慮,由於這類鋼均含有較高的鈷元素,因而價格較昂貴。對此,開展無鈷超高強度馬氏體時效不銹鋼的研究以及稀土元素的添加對馬氏體時效不銹鋼腐蝕行為的影響研究,開展耐海水腐蝕馬氏體時效不銹鋼的應用與研究都有重要的意義。
2. 合金化是什麼
提高鋼的強度既簡便又便宜的方法是增加碳含量。然而，這種方法使其他所希望的性能遭到消弱，如成型性，焊接性，韌性和其他一些性能。幾個性能都重要的情況下的幾種應用，碳含量必須保持在低水平。在低碳鋼中為了獲得高強度並同時保持高水平的綜合性能最經濟的方法是應用微合金化技術。
為什麼要高強度
應用高強度鋼可以降低板厚度從而在許多應用中降低重量。在汽車工業，車體減輕可以節省燃油從而保護環境（減少排氣量）。在造船工業，船體減輕可以裝載更多的貨物。圖3顯示的是管道在管線結構中的應用。對於一個18m長，外徑1000mm的管道，當用高強度鋼X70代替低強度鋼時其重量可以從14t降低到6t。另一個重要的例子是民用建築，如圖4所示，的建築形式，用460MPa的高強度鋼代替低強度鋼（235MPa）可以節省材料40%，重量降低超過50%，焊接材料可以節約超過70%。
微合金化的效果
圖5表明了主要微合金化元素Nb，V和Ti對提高強度和韌性的作用以及其強化機理。這三個元素均是通過細化晶粒和沉澱強化提高強度，但每種機理強化程度不同。Nb具有最強的晶粒細化強化效果，而V具有最強的沉澱強化效果，Ti介於上述兩者之間。如圖6所示，晶粒細化是唯一的能夠同時提高韌性的強化機理。因此，當同時需要高強度和高韌性綜合性能時就需要添加鈮，譬如管線鋼和結構鋼。在圖5中還可以反映出鈮是經濟有效的。如要使低碳鋼的屈服強度提高100MPa，需要添加0.02%的鈮，而釩則需要添加兩倍的量。
鈮的晶粒細化引起的強烈效果與其在軋制時通過固溶，特別是碳氮化鈮析出延遲奧氏體再結晶有關系。圖7顯示了分別含Nb，V，Ti鋼的效果。鈮阻止在軋制最後階段奧氏體的再結晶，促進了扁平晶粒的變形，從而導致非常細的鐵素體晶粒。
鈮的另一個重要影響是在中低碳鋼中降低轉變溫度促使貝氏體組織的形成，這一研究已經比較多了，如圖8所示。降低轉變溫度是由於在軋制過程中仍有一部分鈮留在固溶體中而沒有發生沉澱反應。這一效果在同時加入Nb和Mo或同時加入Nb和B時由於協同作用而加強，如圖所示。其中一個實際例子是X80管線鋼，鐵素體-低珠光體組織在得到韌性要求的同時卻達不到強度級別。
微合金化不僅僅對軋制產品有作用。V可以在熱處理級別鋼種提高強度，而鈮可以細化晶粒。如圖9所示，在正常熱處理之後，鈮明顯的細化了晶粒。
為了得到所希望的高水平性能，在煉鋼時很好的控制雜質含量如S、N、P等也是非常重要的，特別是對需要高韌性的板材產品。圖10表明了S是如何影響沖擊性能的。為了把S含量控制在低的水平，應用硫化物形狀控制（通常用鈣處理）對於避免生成對橫向韌性有損害的延長硫化鎂是非常重要的。
如圖11所示，氮對熱影響區的韌性的損害是非常大的，因此低氮是值得提倡的。這一損害可以用鈦固定游離的氮以降低其影響。氮化鈦在高溫時非常穩定，因此它可以阻止晶粒的增長。圖12顯示了鈦固氮處理提高熱影響區韌性的益處。然而用鈦需要很好的控制手段。加入到鋼中的鈦的量要以固定氮所需要的量為上限。如果多加了鈦將促使形成碳化鈦，這樣對熱影響區的韌性有損害，如圖13所示。氮對焊接金屬的韌性也是有影響的，如圖14。
板材產品的微合金化
板材產品方面的技術進展可以作如下描述：
50年代後期： Nb的引入
60年代： 控制軋制的試驗探索
70年代： 全面實行微合金化和控制軋制
80年代： 實行加速冷卻
90年代： 實行直接淬火
圖15表示的是微合金化元素Nb、V和Ti在不同的冷卻工藝下在板材中的強化效果，Nb的提高強韌性的效果尤為突出。
微合金化板材有著非常廣泛的應用，如管線鋼，造船鋼，海洋平台，民用建築（橋梁、高架橋，建築）以及其它領域。
如表1所示，管線鋼產品的發展，表明雖然碳的含量在不斷降低，但其強度卻在增加，這一原因前面已經說明。提高到X80級的產品已經進行商業生產，一些鋼鐵公司已經開發了X100級別。提高抗氫致裂紋需要更嚴格的煉鋼工藝並需要非常低的碳和硫含量，如表2所列的工業產品。
最後，表3對幾種管線鋼進行了總結，包括熱軋和爐卷產品。在表中我們可以注意到一些鋼中的含鈮量高於正常情況的含鈮量，在0.07~0.09%之間。這些鋼最近幾年在北美已經進行商業生產。高鈮含量可以把奧氏體再結晶延遲到更高的溫度（如圖7所示），這使控軋工藝更加寬松，如高的終軋溫度，這對有功率限制的鋼板軋機是有益的。而且，這些超低碳高Nb鋼具有非常好的韌性特性。
對於海洋平台和造船業來講，自70年代以來的趨勢是降低含碳量，特別是在高焊接工作量並需要提高焊接性能的情況下。表4顯示的是分別通過正常的熱處理和加速冷卻工藝生產的335MPa級的典型的化學成分。
在民用建築方面，圖16表明了在瑞典現代橋梁應用的高強度微合金化鋼。用高強度鋼，屈服強度460MPa級，熱機械工藝（TMCP）可以降低重量15，000t，降低費用2500萬美元。表5顯示的是50mm厚結構板材產品典型的化學成分，工藝分別為正常情況（N），控軋（TM），淬火和回火（QT），熱機械工藝（TMCP）和直接淬火（DQ）。最近幾年，安全防火變得越來越重要。如圖17所示，防火結構鋼已經發展起來，該鋼添加Nb和Mo以提高高溫強度。
汽車工業用熱軋和冷軋薄鋼板
在70年代初第一次石油危機之後，微合金化熱軋和冷軋薄鋼板在汽車工業獲得了廣泛應用。用高強度鋼代替低強度鋼過去是現在依然是降低汽車車重的有效方法，以節省燃料。安全方面的需要也激發了高強度鋼的應用。
熱軋薄鋼板
熱軋低合金高強度鋼（HSLA）薄鋼板主要用於卡車的底盤部分，也用於大客車的車輪，輪轂等部件。傳統的屈服強度水平在350MPa到550MPa之間，具有鐵素體加少量珠光體組織。表6列出了一些典型的化學成分。過去，這些鋼也用Ti作為主要微合金化元素來生產，尤其是在過去鋼的含硫水平比較高。加入鈦的另外一個主要作用是控制硫化物的形狀。但是由於其碳化物形成的動力學原因，軋制工藝十分復雜，大部分情況下是不允許的，以避免出現典型的最終產品性能大范圍的分散，圖18。在鐵素體-少量珠光體鋼中，當薄板的厚度方向需要使用兩種微合金化元素來獲得更高的強度時，Nb和V的結合將使性能分散范圍小些。以上考慮涉及到Ti的碳化物沉澱強化作用。如果只用來固定N，則Ti很有效。在含Nb鋼中，強度進一步提高，因為更多的Nb將使鑄造性能也得到改善。
最近，開發出690MPa級卡車大梁用鋼，它利用了在由熱帶軋機直接軋出的貝氏體鋼中所有的強化機理，圖19。表7列出了兩種歐洲產品的合金設計。
鐵素體-貝氏體鋼，含10~30%的貝氏體，用於車輪、輪轂和底盤，它比鐵素體-珠光體鋼具有更優越的凸緣壓邊延伸性能。與鐵素體-馬氏體——雙相鋼相反，當焊接的輪轂輪箍被拉伸時，使用這種鋼不會出現局部頸縮。如圖20所示，當合金設計、軋制參數——卷取溫度——得到控制從而第二相主要為貝氏體相時，就可達到強度和成型性的最優配合。
冷軋薄鋼板
傳統的微合金高強度冷軋薄板用鋼在汽車工業已使用了25年，但部分汽車零件不需要高的成型性。圖21顯示了罩式退火鋼板的典型化學成分。傳統的微合金鋼也可在連續退火線上生產，此時，對於給定的鋼種，可以獲得更高的強度。例如，如圖22所示的用於汽車側擋板的雙相鋼。
更復雜形狀的產品——汽車車體（integrated
panels）的開發以及傳統鋼達不到罩式退火同樣的成型性而引入連續退火生產薄鋼板，需要開發一種新的類型鋼，即無間隙鋼——超低碳IF鋼。
無間隙鋼添加Ti、Nb或Ti+Nb生成無間隙原子。尤其在鍍鋅產品中，TiNb無間隙鋼可獲得最優配合的機械性能以及更好的表面質量，如圖23、24、25、26、27、28所示。僅添加Ti的無間隙鋼易於產生表面缺陷。
匹茲堡大學的最新研究工作已經表明，當鈮在鐵素體晶界溶解時，它能起到重要的作用。晶界處溶解的鈮改善冷加工脆性，並能降低鍍鋅產品的粉化趨勢。
用於鍛造的微合金鋼
微合金化技術在鍛造汽車零件鋼中的應用允許除掉傳統的淬回火熱處理生產汽車零件，從而顯著節省生產成本。表8列出了一些在市場上出現的鋼種。
現已生產了僅含微合金元素V、僅含Nb以及Nb、V復合微合金鋼。研究表明，復合添加Nb和V對提高強度比單獨添加這兩種微合金元素中的任何一種更有效。Nb提高了V的析出潛能。
在這種產品上，最新成果包括有直接淬火（馬氏體）或空冷獲得的低碳馬氏體+貝氏體或貝氏體鋼，它們表現出韌性得到改善。表9給出了一個例子。
高強度緊固件與懸掛彈簧
傳統的冷鍛高強度緊固件用鋼為中碳鋼，由淬回火得到最終產品所需的性能。用低碳微合金鋼替代中碳鋼，不需要熱處理就能得到最終所需的機械性能，並且消除了在收線過程中的中間球化處理。表10給出了8.8級鋼（鐵素體—珠光體）與10.9級鋼（鐵素體—貝氏體）的化學成分。
懸掛彈簧是另一種使用微合金化技術而達到減重的產品。北美生產出熱處理後抗拉強度為2000MPa級、HRc為53-55的鋼。化學成分與機械性能在表11中列出。
滲碳鋼
在滲碳處理鋼中，尤其在溫鍛條件下，晶粒非正常長大較為普遍。這些鋼中加入鈮抑制晶粒非正常長大，這項技術已在日本使用多年，最近在北美也取得應用。微合金元素添加到這些鋼中而帶來的另一個好處是通過更高的加熱溫度而有可能減少滲碳時間。鈮的加入抑制晶粒長大，因而使在更高溫度滲碳成為可能。
結構用型鋼
在結構用型鋼技術上的最新主要進展是僅使用一種化學成分就可滿足幾種技術條件的含鈮結構型鋼/橫梁鋼已工業化。這種由Chaparral鋼鐵公司開發的「多級別」鋼，典型的成分僅含0.01-0.02%Nb（目標為0.015%），這足夠將ASTM
A36的屈服強度提高到345MPa以上而抗拉強度限制在550MPa以下，從而既能滿足ASTM A36又能滿足 ASTM
A572-50的技術條件。鈮是選擇性添加微量元素，因為為了滿足50級鋼的最低屈服強度要求，可能要多添加一些V，為0.02-0.03%（與0.015%Nb相比），這會提高結構型鋼的抗拉強度，使它接近或超過550MPa，而當滿足A572-50的技術要求時，又超過了A36所允許的要求。其它ASTM鋼的技術要求可由A572-42、A572-50、A529-42、A5290-50、A709-36與A709-50等多級別鋼滿足。
鋼筋
該產品用於大型混凝土結構以提高抗拉能力。大直徑高強度級別鋼筋添加了V和Nb。一些現代軋鋼廠採用水冷技術取代微合金化提高強度。圖29為V和Nb在焊接用鋼筋中的強化效果。
世界微合金化鋼的發展
世界微合金化鋼的發展可由Nb的總消耗量來描述，因為Nb是一種主要微合金化元素，並且75%的Nb用於微合金化鋼，見圖30。70年代Nb的消耗量急劇上升。當時控軋工藝在全世界范圍內被採用，同時汽車工業使用量也在增加。80年代是穩定期，但微合金化鋼產量繼續增加。Nb消耗量的穩定是因為鋼鐵廠效率的提高，如連鑄設備的安裝、加速冷卻，對給定量的最終產品，這可節省原材料。然而在Nb消耗量達到飽和點後，在90年代Nb的需求又顯著增加。這是受許多重要的鋼鐵公司產品結構調整的影響，他們的品種集中在附加值產品，包括微合金化鋼。圖31很好的顯示出在歐洲微合金化鋼增加情況。從圖中明顯看出，在該地區，與粗鋼相比，FeNb的消耗量顯著增加。在歐洲，每噸鋼中的FeNb為60g。
除了微合金鋼產量增加外，Nb使用領域也在增加。如圖32所示，在70年代中期，Nb主要用在管線鋼產品。為開發該產品中而發展起來的微合金化技術在隨後的時間里被應用在其他領域，如該圖所示的2000年情況。
結論
微合金化技術是一條生產高強度和其它所需性能的高質量產品的經濟有效途徑。
世界范圍內的微合金化鋼的產量不斷增加。新的鋼種已開發出來，並應用在許多領域，保持著鋼在材料領域的良好競爭能力。
3. Custom455是什麼材質Custom455mim後的硬度
Cistom455(XM-16) UNS S45500
名稱：沉抄淀硬化不銹鋼
標准：AISI,ASTM
UNS編號：S45500
鋼材牌號及型號規格：XM-16不銹鋼
XM-16鋼性能用途,密度硬度和化學成分：
●特性及應用：
Cistom455(XM-16)不銹鋼,沉澱硬化不銹鋼。
●化學成分②：
碳 C：≤0.05
錳 Mn：≤0.50
硅 Si：≤0.50
鉻 Cr：11.0~12.5
鎳 Ni：7.5~9.5
磷 P：≤0.04
硫 S：≤0.03
銅 Cu：1.5~2.5
鉬 Mo：≤0.5
鈦 Ti：0.8~1.4
鈮 Nb：0.1~0.5
4. 什麼是合金化
提高鋼的強度既簡便又便宜的方法是增加碳含量。然而，這種方法使其他所希望的性能遭到消弱，如成型性，焊接性，韌性和其他一些性能。幾個性能都重要的情況下的幾種應用，碳含量必須保持在低水平。在低碳鋼中為了獲得高強度並同時保持高水平的綜合性能最經濟的方法是應用微合金化技術。
為什麼要高強度
應用高強度鋼可以降低板厚度從而在許多應用中降低重量。在汽車工業，車體減輕可以節省燃油從而保護環境（減少排氣量）。在造船工業，船體減輕可以裝載更多的貨物。圖3顯示的是管道在管線結構中的應用。對於一個18m長，外徑1000mm的管道，當用高強度鋼X70代替低強度鋼時其重量可以從14t降低到6t。另一個重要的例子是民用建築，如圖4所示，的建築形式，用460MPa的高強度鋼代替低強度鋼（235MPa）可以節省材料40%，重量降低超過50%，焊接材料可以節約超過70%。
微合金化的效果
圖5表明了主要微合金化元素Nb，V和Ti對提高強度和韌性的作用以及其強化機理。這三個元素均是通過細化晶粒和沉澱強化提高強度，但每種機理強化程度不同。Nb具有最強的晶粒細化強化效果，而V具有最強的沉澱強化效果，Ti介於上述兩者之間。如圖6所示，晶粒細化是唯一的能夠同時提高韌性的強化機理。因此，當同時需要高強度和高韌性綜合性能時就需要添加鈮，譬如管線鋼和結構鋼。在圖5中還可以反映出鈮是經濟有效的。如要使低碳鋼的屈服強度提高100MPa，需要添加0.02%的鈮，而釩則需要添加兩倍的量。
鈮的晶粒細化引起的強烈效果與其在軋制時通過固溶，特別是碳氮化鈮析出延遲奧氏體再結晶有關系。圖7顯示了分別含Nb，V，Ti鋼的效果。鈮阻止在軋制最後階段奧氏體的再結晶，促進了扁平晶粒的變形，從而導致非常細的鐵素體晶粒。
鈮的另一個重要影響是在中低碳鋼中降低轉變溫度促使貝氏體組織的形成，這一研究已經比較多了，如圖8所示。降低轉變溫度是由於在軋制過程中仍有一部分鈮留在固溶體中而沒有發生沉澱反應。這一效果在同時加入Nb和Mo或同時加入Nb和B時由於協同作用而加強，如圖所示。其中一個實際例子是X80管線鋼，鐵素體-低珠光體組織在得到韌性要求的同時卻達不到強度級別。
微合金化不僅僅對軋制產品有作用。V可以在熱處理級別鋼種提高強度，而鈮可以細化晶粒。如圖9所示，在正常熱處理之後，鈮明顯的細化了晶粒。
為了得到所希望的高水平性能，在煉鋼時很好的控制雜質含量如S、N、P等也是非常重要的，特別是對需要高韌性的板材產品。圖10表明了S是如何影響沖擊性能的。為了把S含量控制在低的水平，應用硫化物形狀控制（通常用鈣處理）對於避免生成對橫向韌性有損害的延長硫化鎂是非常重要的。
如圖11所示，氮對熱影響區的韌性的損害是非常大的，因此低氮是值得提倡的。這一損害可以用鈦固定游離的氮以降低其影響。氮化鈦在高溫時非常穩定，因此它可以阻止晶粒的增長。圖12顯示了鈦固氮處理提高熱影響區韌性的益處。然而用鈦需要很好的控制手段。加入到鋼中的鈦的量要以固定氮所需要的量為上限。如果多加了鈦將促使形成碳化鈦，這樣對熱影響區的韌性有損害，如圖13所示。氮對焊接金屬的韌性也是有影響的，如圖14。
板材產品的微合金化
板材產品方面的技術進展可以作如下描述：
50年代後期： Nb的引入
60年代： 控制軋制的試驗探索
70年代： 全面實行微合金化和控制軋制
80年代： 實行加速冷卻
90年代： 實行直接淬火
圖15表示的是微合金化元素Nb、V和Ti在不同的冷卻工藝下在板材中的強化效果，Nb的提高強韌性的效果尤為突出。
微合金化板材有著非常廣泛的應用，如管線鋼，造船鋼，海洋平台，民用建築（橋梁、高架橋，建築）以及其它領域。
如表1所示，管線鋼產品的發展，表明雖然碳的含量在不斷降低，但其強度卻在增加，這一原因前面已經說明。提高到X80級的產品已經進行商業生產，一些鋼鐵公司已經開發了X100級別。提高抗氫致裂紋需要更嚴格的煉鋼工藝並需要非常低的碳和硫含量，如表2所列的工業產品。
最後，表3對幾種管線鋼進行了總結，包括熱軋和爐卷產品。在表中我們可以注意到一些鋼中的含鈮量高於正常情況的含鈮量，在0.07~0.09%之間。這些鋼最近幾年在北美已經進行商業生產。高鈮含量可以把奧氏體再結晶延遲到更高的溫度（如圖7所示），這使控軋工藝更加寬松，如高的終軋溫度，這對有功率限制的鋼板軋機是有益的。而且，這些超低碳高Nb鋼具有非常好的韌性特性。
對於海洋平台和造船業來講，自70年代以來的趨勢是降低含碳量，特別是在高焊接工作量並需要提高焊接性能的情況下。表4顯示的是分別通過正常的熱處理和加速冷卻工藝生產的335MPa級的典型的化學成分。
在民用建築方面，圖16表明了在瑞典現代橋梁應用的高強度微合金化鋼。用高強度鋼，屈服強度460MPa級，熱機械工藝（TMCP）可以降低重量15，000t，降低費用2500萬美元。表5顯示的是50mm厚結構板材產品典型的化學成分，工藝分別為正常情況（N），控軋（TM），淬火和回火（QT），熱機械工藝（TMCP）和直接淬火（DQ）。最近幾年，安全防火變得越來越重要。如圖17所示，防火結構鋼已經發展起來，該鋼添加Nb和Mo以提高高溫強度。
汽車工業用熱軋和冷軋薄鋼板
在70年代初第一次石油危機之後，微合金化熱軋和冷軋薄鋼板在汽車工業獲得了廣泛應用。用高強度鋼代替低強度鋼過去是現在依然是降低汽車車重的有效方法，以節省燃料。安全方面的需要也激發了高強度鋼的應用。
熱軋薄鋼板
熱軋低合金高強度鋼（HSLA）薄鋼板主要用於卡車的底盤部分，也用於大客車的車輪，輪轂等部件。傳統的屈服強度水平在350MPa到550MPa之間，具有鐵素體加少量珠光體組織。表6列出了一些典型的化學成分。過去，這些鋼也用Ti作為主要微合金化元素來生產，尤其是在過去鋼的含硫水平比較高。加入鈦的另外一個主要作用是控制硫化物的形狀。但是由於其碳化物形成的動力學原因，軋制工藝十分復雜，大部分情況下是不允許的，以避免出現典型的最終產品性能大范圍的分散，圖18。在鐵素體-少量珠光體鋼中，當薄板的厚度方向需要使用兩種微合金化元素來獲得更高的強度時，Nb和V的結合將使性能分散范圍小些。以上考慮涉及到Ti的碳化物沉澱強化作用。如果只用來固定N，則Ti很有效。在含Nb鋼中，強度進一步提高，因為更多的Nb將使鑄造性能也得到改善。
最近，開發出690MPa級卡車大梁用鋼，它利用了在由熱帶軋機直接軋出的貝氏體鋼中所有的強化機理，圖19。表7列出了兩種歐洲產品的合金設計。
鐵素體-貝氏體鋼，含10~30%的貝氏體，用於車輪、輪轂和底盤，它比鐵素體-珠光體鋼具有更優越的凸緣壓邊延伸性能。與鐵素體-馬氏體——雙相鋼相反，當焊接的輪轂輪箍被拉伸時，使用這種鋼不會出現局部頸縮。如圖20所示，當合金設計、軋制參數——卷取溫度——得到控制從而第二相主要為貝氏體相時，就可達到強度和成型性的最優配合。
冷軋薄鋼板
傳統的微合金高強度冷軋薄板用鋼在汽車工業已使用了25年，但部分汽車零件不需要高的成型性。圖21顯示了罩式退火鋼板的典型化學成分。傳統的微合金鋼也可在連續退火線上生產，此時，對於給定的鋼種，可以獲得更高的強度。例如，如圖22所示的用於汽車側擋板的雙相鋼。
更復雜形狀的產品——汽車車體（integrated
panels）的開發以及傳統鋼達不到罩式退火同樣的成型性而引入連續退火生產薄鋼板，需要開發一種新的類型鋼，即無間隙鋼——超低碳IF鋼。
無間隙鋼添加Ti、Nb或Ti+Nb生成無間隙原子。尤其在鍍鋅產品中，TiNb無間隙鋼可獲得最優配合的機械性能以及更好的表面質量，如圖23、24、25、26、27、28所示。僅添加Ti的無間隙鋼易於產生表面缺陷。
匹茲堡大學的最新研究工作已經表明，當鈮在鐵素體晶界溶解時，它能起到重要的作用。晶界處溶解的鈮改善冷加工脆性，並能降低鍍鋅產品的粉化趨勢。
用於鍛造的微合金鋼
微合金化技術在鍛造汽車零件鋼中的應用允許除掉傳統的淬回火熱處理生產汽車零件，從而顯著節省生產成本。表8列出了一些在市場上出現的鋼種。
現已生產了僅含微合金元素V、僅含Nb以及Nb、V復合微合金鋼。研究表明，復合添加Nb和V對提高強度比單獨添加這兩種微合金元素中的任何一種更有效。Nb提高了V的析出潛能。
在這種產品上，最新成果包括有直接淬火（馬氏體）或空冷獲得的低碳馬氏體+貝氏體或貝氏體鋼，它們表現出韌性得到改善。表9給出了一個例子。
高強度緊固件與懸掛彈簧
傳統的冷鍛高強度緊固件用鋼為中碳鋼，由淬回火得到最終產品所需的性能。用低碳微合金鋼替代中碳鋼，不需要熱處理就能得到最終所需的機械性能，並且消除了在收線過程中的中間球化處理。表10給出了8.8級鋼（鐵素體—珠光體）與10.9級鋼（鐵素體—貝氏體）的化學成分。
懸掛彈簧是另一種使用微合金化技術而達到減重的產品。北美生產出熱處理後抗拉強度為2000MPa級、HRc為53-55的鋼。化學成分與機械性能在表11中列出。
滲碳鋼
在滲碳處理鋼中，尤其在溫鍛條件下，晶粒非正常長大較為普遍。這些鋼中加入鈮抑制晶粒非正常長大，這項技術已在日本使用多年，最近在北美也取得應用。微合金元素添加到這些鋼中而帶來的另一個好處是通過更高的加熱溫度而有可能減少滲碳時間。鈮的加入抑制晶粒長大，因而使在更高溫度滲碳成為可能。
結構用型鋼
在結構用型鋼技術上的最新主要進展是僅使用一種化學成分就可滿足幾種技術條件的含鈮結構型鋼/橫梁鋼已工業化。這種由Chaparral鋼鐵公司開發的「多級別」鋼，典型的成分僅含0.01-0.02%Nb（目標為0.015%），這足夠將ASTM
A36的屈服強度提高到345MPa以上而抗拉強度限制在550MPa以下，從而既能滿足ASTM A36又能滿足 ASTM
A572-50的技術條件。鈮是選擇性添加微量元素，因為為了滿足50級鋼的最低屈服強度要求，可能要多添加一些V，為0.02-0.03%（與0.015%Nb相比），這會提高結構型鋼的抗拉強度，使它接近或超過550MPa，而當滿足A572-50的技術要求時，又超過了A36所允許的要求。其它ASTM鋼的技術要求可由A572-42、A572-50、A529-42、A5290-50、A709-36與A709-50等多級別鋼滿足。
鋼筋
該產品用於大型混凝土結構以提高抗拉能力。大直徑高強度級別鋼筋添加了V和Nb。一些現代軋鋼廠採用水冷技術取代微合金化提高強度。圖29為V和Nb在焊接用鋼筋中的強化效果。
世界微合金化鋼的發展
世界微合金化鋼的發展可由Nb的總消耗量來描述，因為Nb是一種主要微合金化元素，並且75%的Nb用於微合金化鋼，見圖30。70年代Nb的消耗量急劇上升。當時控軋工藝在全世界范圍內被採用，同時汽車工業使用量也在增加。80年代是穩定期，但微合金化鋼產量繼續增加。Nb消耗量的穩定是因為鋼鐵廠效率的提高，如連鑄設備的安裝、加速冷卻，對給定量的最終產品，這可節省原材料。然而在Nb消耗量達到飽和點後，在90年代Nb的需求又顯著增加。這是受許多重要的鋼鐵公司產品結構調整的影響，他們的品種集中在附加值產品，包括微合金化鋼。圖31很好的顯示出在歐洲微合金化鋼增加情況。從圖中明顯看出，在該地區，與粗鋼相比，FeNb的消耗量顯著增加。在歐洲，每噸鋼中的FeNb為60g。
除了微合金鋼產量增加外，Nb使用領域也在增加。如圖32所示，在70年代中期，Nb主要用在管線鋼產品。為開發該產品中而發展起來的微合金化技術在隨後的時間里被應用在其他領域，如該圖所示的2000年情況。
結論
微合金化技術是一條生產高強度和其它所需性能的高質量產品的經濟有效途徑。
世界范圍內的微合金化鋼的產量不斷增加。新的鋼種已開發出來，並應用在許多領域，保持著鋼在材料領域的良好競爭能力。