硼鋼是以硼為主要合金元素的鋼，又稱硼處理鋼。在鋼中只要加入極少量的硼元素（w(B)＝0.0005%～0.0050%），即可顯著提高鋼的淬透性，其作用相當于一般合金元素如錳、鉻、鎳的幾百倍，因此可用微量硼元素代替大量合金元素。同時，硼元素還可提高耐熱鋼的高溫強度和蠕變強度，改善高速鋼的紅硬性和刀具的切削能力等。由此來看，硼鋼不僅增強了鋼材綜合性能，還降低了生產成本。近10年來，國內外鋼廠不斷加快硼鋼的研制與生產，硼鋼冶煉技術不斷成熟，硼鋼的品種也在不斷擴大。硼鋼的生產需要通過煉鋼、爐外精煉、連鑄、后續軋制和熱處理階段協同控制，因此技術控制就顯得尤為重要。為此，筆者將硼鋼從煉鋼到連鑄方面的控制技術進行了分析和總結，希望能為煉鋼工作者提供一些參考或借鑒。

合金結構硼鋼應用領域較為廣泛

硼鋼的種類主要有合金結構硼鋼、低合金高強度硼鋼和彈簧硼鋼等。其中合金結構硼鋼應用較多，主要包括調質硼鋼、表面處理硼鋼和冷變形硼鋼。調質硼鋼具有高強度、高韌性、高耐磨性等特點，可用于汽車、拖拉機、機床、礦山機械、電站設備等。這類鋼的碳質量分數在0.25%以上，除了單獨加硼以外，還可加入錳硼、鉻硼、錳鈦硼、錳釩硼、鉻錳硼等多種合金；表面處理硼鋼主要是滲碳硼鋼，其碳質量分數一般低于0.25%，這類鋼滲碳性能較好，滲碳層不會形成大量的殘余奧氏體，因而硬度高、耐磨性、抗疲勞性能良好，而且缺口敏感性較小。目前，國外開發了一些新滲碳硼鋼制造齒輪，這種齒輪鋼變形小，可快速滲碳；冷變形硼鋼主要用于制造螺栓等各類緊固件，可代替原來用的中碳鋼、中碳鉻鎳鉬鋼。其優點是冷變形抗力小，可省去變形前的球化退火處理。這類鋼的碳質量分數一般低于0.25%。目前，國外有許多冷變形用硼鋼牌號，用于制造汽車、拖拉機、建筑等行業所需要的高強度螺栓。

含量和組織控制是提升性能的關鍵

硼在鋼中的淬透性效果與含硼量、含碳量以及鋼的奧氏體化溫度有關。通常隨著碳含量的增加，硼的作用逐漸降低。在最佳奧氏體化溫度下，硼的淬透性效果最佳。研究表明，鋼中硼的質量分數應為0.0010%左右，過低或過高均不能產生最佳效果。

細化鋼中奧氏體晶粒，有利于發揮熱塑性。外國某鋼鐵公司在碳鋼S45C中添加Ti和B，將Ti和B按1∶2物質的量比加入鋼中，以TiB2粒子形式分布在鋼中二次樹枝晶間能細化奧氏體晶粒。當添加TiB2的摩爾分數增大到約0.2%時，奧氏體晶粒的平均直徑從1900μm減小到250μm。當提高冷卻速率時，奧氏體顆粒直徑減小，最小值也在250μm左右。鋼水凝固過程中在內部樹枝晶界位置除了TiB2以外，還存在細小的TiC和Fe2B顆粒，它們能限制奧氏體晶粒內部樹枝晶界的生長，進而阻止晶粒長大。奧氏體晶粒細化后有利于最終在碳鋼中形成細小的α鐵素體，從而不影響鋼的熱塑性。

硼鋼凝固時硼發生偏析，導致鑄坯存在缺陷。國外研究機構發現，生產硼鋼的困難之處在連鑄階段。他們認為，鋼中即使加入微量的硼元素，鑄坯也會產生表面裂紋、內部裂紋和中心偏析等，甚至出現漏鋼。加入硼元素以后，連鑄中凝固的鋼水會再次熔化，通過原位分析表明，硼在晶粒邊界和樹枝晶區發生偏析。通過模擬建立的Fe－B相圖來看，重熔后的鋼水熔點低，溫度可保持在1120℃～1170℃。由此可見，鋼水較長時間保持熔融態而延長凝固時間是導致鑄坯缺陷的主要原因。

以含硼鐵水為原料生產硼鋼可降低成本。東北大學研究以含硼鐵水為原料生產硼鋼，鐵水經過脫硫、脫硅預處理后裝入轉爐中，加入造渣劑，然后供氧吹煉。精煉中根據硼鋼成分的要求加入硅、錳和碳，出鋼溫度控制在1560℃～1610℃，隨后澆鑄成鋼錠，最后獲得硼鋼。筆者認為，利用含硼鐵水生產硼鋼雖然降低了成本，但轉爐吹氧時高濃度的氧會降低硼的收得率，這是采用含硼鐵水生產硼鋼的難點。

國內外硼鋼冶煉工藝控制側重點不同

從目前的研究分析來看，冶煉硼鋼需要在爐外精煉和連鑄過程中加以控制。精煉中要做到有效地脫氧定氮，防止生成硼的氧化物和氮化物，以提高硼的收得率；連鑄中為了防止硼的偏析和低熔點Fe－B相導致的鑄坯缺陷，關鍵是要控制好鋼水的凝固冷卻。從目前國內外的研究現狀來看，國外更注重鋼水凝固過程的控制，認為硼的偏析和鋼水重熔是導致鑄坯缺陷的重要原因，而國內則側重于精煉中對氧和氮含量的控制。

國外冶煉含硼鋼的關鍵技術。為了提高硼的收得率，在加入硼前應先加入與氧、氮結合力更強的鋁、鈦、鋯等元素，即先加鋁脫氧，再加鈦等定氮。有研究指出，用鈦定氮保護硼形成的TiN也很容易使鋼的韌性、疲勞性能甚至機械加工性能變差，而且TiN很穩定，一旦形成就幾乎不再變化，難以起到進一步平衡、穩定酸溶硼含量的作用。為此，國外鋼廠研究了只用鋁不用鈦的冶煉硼鋼的方法，也有鋼廠將含有硼和鋁、鈦、鋯、錳、硅等多種元素的復合硼鐵合金一次性加入，實際應用效果較好。

日本住友金屬公司在生產w(B)≥0.1%的不銹鋼時，為了防止鑄坯表面產生縱向裂紋，關鍵技術是控制中間包內鋼水過熱度在30℃以下，使鋼水在較低溫度下澆鑄，更有利于加速鋼水的凝固。

新日鐵冶煉低碳含硼易切削鋼的措施是控制進入LF精煉前鋼水中溶解氧質量分數≤0.02%，或者控制鋼水中夾雜物w（MnO）≤30%，因為生成的非金屬夾雜物MnO和B2O3在連鑄時會黏附在滑板上而造成腐蝕。為了使鑄坯表面和皮下的奧氏體顆粒邊界不會出現晶粒內裂紋，新日鐵控制連鑄結晶器末端凝固殼厚度在7mm～10mm，二冷區冷卻速度控制在100℃/ｓ，直至鑄坯表面角部以下0.5mm～2mm深度的溫度達到1000℃，此時能夠減少MnS和BN沿著奧氏體顆粒邊界的大量沉積，防止鑄坯在彎曲和矯直位置產生表面裂紋。

浦項制鐵研究了連鑄二次冷卻和氮含量對含硼鋼熱延展性的影響后發現，在快速冷卻和重新加熱到應變溫度時會使鋼的熱延展性變差，認為此時會形成大量的BN固體而沉積。而且氮含量高時，沉積的BN會隨機分布在優先生成的奧氏體內，特別是在奧氏體顆粒邊界。因此，在板坯凝固后的二冷段，當溫度在1000℃以下時，為避免過快冷卻，在連鑄、軋制的過冷和再加熱的幅度不能過大。

我國冶煉硼鋼的工藝特點。我國鋼鐵工業對冶煉硼鋼的研究取得了較大的進展。寶鋼采用電爐配連鑄設備生產的40CrB高淬透性鋼管化學成分穩定、夾雜物數量少，管坯生產的鋼管尺寸精度高、表面質量好。武鋼生產的冷鐓用鈮、釩復合微合金化低碳硼鋼，控制鋼中微合金元素，在強化鋼種的同時，保證低碳硼鋼的綜合性能。首鋼在冶煉含硼低碳鋼時，針對鋼中成分對硼收得率的影響展開了研究，發現如果不采用鋁對鋼水脫氧，硼的收得率就會受硅含量影響，因為鋼中氧活度主要由硅含量控制。當硅含量增加時，通過其降低氧活度的作用會使硼的收得率提高。萊鋼生產含硼鋼在鋼水加硼前，經過脫氧去氣后，硼回收率穩定在90%以上，實現生產同一含硼鋼種，爐與爐之間鋼水成分w(B)偏差小于0.0002%。

含量和工藝控制研究是未來發展方向

在硼鋼生產中，工藝和硼含量控制不好會帶來諸多問題。例如淬透性不好，導致強度、硬度出現波動等。雖然可以在煉鋼中調整鈦的添加量來改善這些問題，但值得注意的是，一般合金元素提高淬透性的效果隨其在鋼中含量增加而提高，而硼元素卻有一個最佳含量。硼含量較多時，硼相沿晶界片狀連續沉淀，會減弱硼鋼的沖擊韌性。一般認為0.0005%～0.0020%的酸溶硼質量分數最佳，精煉中可提高硼的收得率，并且硼的加入量較為穩定。由此可見，今后硼鋼冶煉技術的研究方向是保證穩定地以最小范圍的硼的添加量來獲得所需含量的酸溶硼，并且均勻地分布在鋼中。在連鑄中作好冷卻過程的控制，對鋼水開始凝固的階段和溫度下降到1000℃以下時的冷卻制度可以進行深入研究。未來也可在高級別管線鋼等高附加值鋼中研究硼的應用。

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