1?概述
全球大約80%的鈮用來生產微合金化鋼，其中近90%鈮微合金化鋼是熱軋扁平材。幾十年來，盡管鈮作為扁平鋼材中的首選微合金化元素被廣泛采用，但它在工程用鋼中的使用相當有限。不過，用戶和零部件制造商對扁平材中成熟的鈮應用技術幫助實現工程零部件性能的改善表現出越來越濃的興趣。例如，鈮在汽車用緊固件、彈簧和表面硬化零件等熱處理鋼中得到的應用，且它們的強度在過去20年明顯增加。在長材中，冷鐓用棒線材是微合金化應用最早的品種。
冷鍛是一種用來生產汽車、建筑、航空、鐵道、采礦和電力行業用緊固件、螺栓、小型曲軸、轉向桿等各種零件的工藝。冷鐓是指對線棒材坯料進行冷加工，在坯料一端施加沖擊壓應力以形成端頭的過程。在成型過程中沒有外部熱源加熱。冷鐓時變形速度高，應變速率超過100s-1。
使用傳統冷鐓鋼的零件加工過程由幾個工序組成。
首選對熱軋中碳線棒材進行球化退火處理，使鋼軟化，從而能夠進行拉拔和冷鐓等冷成型工序，之后進行調質（淬回火）處理，獲得零件所需的力學性能，隨后根據需要進行表面處理，見圖1。通常，這類調質鋼含0.20%-0.40%C，其中，碳保證鋼的硬度，合金元素提供高的淬透性。冷鐓用AISI鋼種有10XX、10BXX、13XX、15XX、40XX、41XX、51XX和86XX，其中XX是指鋼種的碳含量。
球化退火熱處理的目的是使組織中片層石墨結構球化，從而改善鋼的塑性，減少工具磨損和失效。不過，傳統冷鐓工藝存在兩大缺陷：
◆球化和調質過程耗能高、花費時間長。而且，根據零件的斷面尺寸不同，鋼中可能要加入合金元素來提高其淬透性。這些材料和工藝成本造成零件最終成本高，使得加工成本高、耗時長。
◆即使在調質處理后獲得的回火馬氏體組織提供了鋼材所需的高強度要求，但存在組織不均勻、淬火開裂、扭曲以及在鍍層等表面處理過程中由于氫的侵入導致靜載條件下的延遲斷裂等問題。
降低能耗成本和改善零件的使用性能的要求，導致低碳、鈮硼復合微合金化鋼種的開發。
2?微合金化冷鐓鋼開發
冷鐓加工用鋼需要具備以下特征：1）足夠的塑性以能夠在冷成型過程中充滿模具型腔和不斷裂；2）成型后零件強度高，能承受服役載荷和疲勞；3）零件的韌性足以抵抗在服役過程中由于不可避免或無法檢測出的缺陷存在而導致的斷裂。
冷成型加工領域良好的替代材料將是那些不依靠高的碳含量、而是由其組織來保證高強度的鋼種。已經在扁平材中得到廣泛應用的低碳、硼和鈮微合金化的理念具有潛在作用，并應用到緊固件等長材生產中。硼可以明顯提高鋼的淬透性，這是由于硼抑制奧氏體-鐵素體相變，并促進低溫相變產物如退化的珠光體或上貝氏體形成。另一方面，加入鈮，通過多種機制提供高的強化效應：1）晶粒細化；2）降低奧氏體-鐵素體轉變溫度；3）析出強化。鈮、硼復合加入，產生更強的綜合作用，延遲奧氏體-鐵素體相變，即使在空冷條件下，在較厚斷面中也能實現均勻的低碳貝氏體組織。獲得的低碳貝氏體組織提供高強、良好的塑性和韌性等好的性能配合。
研究B、Nb和B+Nb在低碳鋼中的作用，進而分析這些鋼的冷鐓特性，結果表明，鋼在拉拔過程中表現出非常高的伸長率。這些鋼首先在非常低的精軋溫度下（~840℃）控軋成線棒，然后控冷，獲得低碳貝氏體組織。加工硬化行為至關重要，這是因為緊固件所需的強度水平可以通過冷加工實現。C-Mn-B鋼需要軋態具有最低50%的伸長率以達到所需的抗拉強度水平，強度范圍在800-1000MPa，這是SAE?8.8級螺栓要求的水平，伸長率最大達到300%。另一方面，C-Mn-Nb-B鋼在其含有一些馬/奧島（MA）的貝氏體組織中具有高密度位錯，其加工硬化行為比C-Mn-B鋼更好，在~60%伸長后達到SAE10.9級螺栓的強度水平。需要提出的是，后續冷鐓加工殘余塑性值總是超過40%，這說明在冷鐓全過程中坯料仍具有非常好的冷鐓加工塑性。
對比使用低碳鈮微合金化貝氏體鋼和傳統淬回火（Q&T）鋼生產的螺栓的強度水平，可以看出，盡管低碳貝氏體鋼平均強度水平稍低些，但仍然滿足8.8級螺栓要求的技術指標。然后，從標準偏差值可以看出，低碳貝氏體鋼的強度分布比傳統調質鋼稍好些。此外，在接近螺栓端頭的表面硬度值方面，低碳貝氏體鋼的硬度值稍高于傳統Q&T鋼，這是由于大的冷加工變形量造成的。在另一個工作中，發現低碳貝氏體組織的存在，使鋼具有良好的韌性，這一結果如表1所示。利用Nb微合金化技術，成功地開發出從8.8級（抗拉強度≥800MPa）到12.9級（抗拉強度≥1200MPa）的各種強度級別的緊固件。
強度超過1000MPa承載鋼的另一重要方面是延遲斷裂，這可能是螺栓用鋼潛在的嚴重問題。這樣高強度的鋼需要高抗延遲斷裂強度。通過鈮微合金化，實現奧氏體晶粒細化改善延遲斷裂，同時，形成的細小碳氮化鈮顆粒有效地起氫原子“陷阱”的作用，因此降低延遲斷裂傾向。
3?低碳微合金化冷鐓鋼優勢
冷鐓高質量螺栓也可以采用低碳鈮微合金化鋼生產，不再需要中間軟化（球化退火）熱處理和最終的調質處理就可以實現所需的強度水平。使用低碳微合金化冷鐓鋼的諸多優勢如下：
◆消除球化退火熱處理工序，顯著節省能源成本，縮短工藝周期時間。估計這一過程的直接能源成本節省在1000kWh/t鋼。
◆由于低碳微合金鋼具有非常高的冷成型性能，所有的變形可以在一個工序內完成。另一方面，傳統Q&T鋼根據化學成分不同，變形可能需要在經中間退火的工序中進行。
◆消除成型后的硬化熱處理工序，進一步降低能源成本、減少工藝周期時間。估計這一過程的直接能源成本節省在3000kWh/t鋼。
◆低碳微合金鋼沒有使用Cr、Mo等昂貴合金元素，因此大幅降低合金成本。
◆多相組織（貝氏體+MA）通常具有低的氫致開裂傾向性，因此在鍍層零件中的延遲斷裂敏感性低。
◆不會發生傳統Q&T鋼螺栓在熱處理過程中出現的表面脫碳現象。
4?結語
在緊固件應用方面，低碳鈮微合金化冷鐓鋼有替代傳統中碳調質鋼的潛力。鋼中較低的碳含量及加入微量鈮，兩者共同作用產生貝氏體組織，在加工硬化后鋼材具有良好的塑性和高的強度水平，導致能源成本和合金成本顯著降低，同時由于消除了傳統冷鐓用調質鋼的球化處理和調質熱處理工序，生產率得到大幅提高。鈮的加入也提高了材料的疲勞和延遲斷裂強度。
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