中國鋼產(chǎn)量已突破1億噸，鋼材數(shù)量不再是主要矛盾，鋼材品種結構不合理的矛盾十分突出。當前行業(yè)的主要任務是努力提高產(chǎn)品的市場競爭力，站在可持發(fā)展的新起點上，把大力開發(fā)低合金鋼列入發(fā)展戰(zhàn)略的重要內容。許多普鋼企業(yè)在鋼材品種結構調整和編制科技發(fā)展規(guī)劃中，已意識到低合金鋼生產(chǎn)是提高產(chǎn)品技術含量和附加值的關鍵，對低合金鋼開發(fā)中碰到的種種問題心中無數(shù)，一些科技管理干部覺得“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了解。
按國際標準，把鋼區(qū)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，并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(qū)分，總量低于3%稱為低合金鋼，5～10%為中合金鋼，大于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(yè)專門生產(chǎn)這類鋼，如優(yōu)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(fā)展，向深加工方向延伸，特鋼的領域越來越窄。美國特鋼協(xié)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。日本把結構鋼和高強度鋼歸并在特鋼范疇。隨著我國普鋼企業(yè)的技術改造和工藝進步，特鋼企業(yè)的產(chǎn)品領域也在縮小，1999年普鋼廠已生產(chǎn)特鋼產(chǎn)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強度鋼，屬于特殊鋼范疇，在美國叫做高強度低合金鋼（HSLA—Steel），俄羅斯及東歐各國稱為低合金建筑鋼，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范圍，概念上的區(qū)別導致在產(chǎn)品質量上的差異。在名稱上也幾經(jīng)變化，如低合金建筑鋼、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(fā)表的資料文獻來看，低合金鋼的名稱仍然隨著國家、企業(yè)和作者而異。
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，屈服強度在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(tài)直接使用的軟鋼的替代品。當然，在技術發(fā)展進程中，低合金鋼不論在合金含量、性能水平和交貨狀態(tài)，已經(jīng)有了很大的變化。
在我國，低合金鋼是一個更加籠統(tǒng)的鋼類，鋼材品種不僅含有低合金焊接高強度鋼，還包容了低合金沖壓鋼、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筑鋼和中、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(tǒng)計數(shù)據(jù)的可比性。
早期低合金鋼的發(fā)展
低合金鋼的出現(xiàn)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%、抗拉強度685Mpa、彈性極限410Mpa鋼，第一次被采用于工程結構，建造了跨度158.5m的拱形橋梁。但這種鋼不理想也是十分明顯的，需要軋后熱處理，難以機械加工，耐蝕性又不良。隨后的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(qū)劃為三個不同特征的發(fā)展階段，在20世紀20年代以前，20～60年代及60年代以后。前兩個階段姑且合稱為傳統(tǒng)的低合金鋼發(fā)展階段，后一階段可以稱為現(xiàn)代低合金鋼發(fā)展階段（后面我們稱它為微合金鋼Microalloyed Steel）。
前一時期低合金鋼的重大發(fā)展有三個標志：
① 由單一元素合金化向多元素合金化發(fā)展
1895年曾采用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，屈服強度在355Mpa。20世紀初還用8000多噸含鎳的鋼建造了跨度為448m的橋梁，美中不足的是這種鋼的合金資源有限，成本又高。此后開發(fā)了1.25%Si的低合金鋼，建造了橫渡大西洋的船舶和跨度110m的橋梁，俄國利用鐵銅混生礦源，曾開發(fā)了0.7～1.1%Cu的低合金鋼用于造船、建橋，這種鋼導電性好，抗腐蝕性優(yōu)良。
長達30多年的生產(chǎn)和應用經(jīng)驗的積累，發(fā)現(xiàn)多元合金化的低合金鋼綜合性能更佳，經(jīng)濟上更劃算，開發(fā)了二元合金化的Ni-Cr、Cr-Mn、Mn-V低合金鋼，和三元復合合金化的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、建筑和鐵塔等方面。20世紀20年代全世界的低合金鋼產(chǎn)量達到200萬噸。
② 賦予低合金鋼的第一特征：低碳、可焊接
在工程結構廣泛采用焊接技術之后，給低合金鋼發(fā)展帶來深遠的影響。為減小焊接熱影響區(qū)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%，隨后又降至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(jù)。為了獲得高強度鋼不斷增高的強度需求，出現(xiàn)了兩條發(fā)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，至今屈服強度高于600Mpa的鋼仍采用熱處理，E級和F級船板仍規(guī)定正火狀態(tài)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(chǎn)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(zhàn)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，從而采取了降硫、鋁細晶化和控制終軋溫度等優(yōu)化工藝。為了鋼結構的安全使用和壽命，同時還開發(fā)了低溫夏氏V型缺口沖擊、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(jù)。
20～60年代間，工業(yè)發(fā)達國家的低合金鋼開發(fā)帶來了經(jīng)濟的繁榮和現(xiàn)代化。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界成熟的低合金鋼鋼種牌號有2000余個，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屬于這類鋼。
(2) 以美國Vanity鋼為代表的Mn-V-（Ti）鋼系列，構成了現(xiàn)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(fā)的淬火回火狀態(tài)T-1鋼板成功用于壓力容器的建造。
我國低合金鋼的發(fā)展
50年代原冶金工業(yè)部鋼鐵研究院劉嘉禾為首的一批冶金學專家率先研制成功了16Mn鋼和15MnTi鋼，開創(chuàng)了中國低合金鋼領域，在此基礎上制定了命名為低合金高強度鋼的第一個標準(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(chǎn)資源所開發(fā)的V、Ti、Nb及稀土的低合金鋼，并由此派生出了橋梁、造船、容器、汽車大梁、礦用等專用鋼標準。其后修改的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(chǎn)低合金鋼就像生產(chǎn)普通碳素鋼一樣，不需要特別的生產(chǎn)手段，簡便容易，即可取得1噸頂1.3～1.5噸的經(jīng)濟效益，此后長達20年難以消除它的負面影響，至今全國行業(yè)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年升級為國標時（GB—1591—88），回歸到了低合金結構鋼的名稱，1994年頒布的現(xiàn)行標準更名為低合金高強度結構鋼，（GB／T1591—94），包括了屈服強度295—460Mpa 5個強度等級和A～E 5個質量等級，新標準的積極意義在于努力向國際規(guī)范靠攏。由于我國低合金鋼基礎研究日趨深入和生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，在北京已連續(xù)召開了4屆（1985、1990、1995及2000年）國際低合金高強度鋼會議，無疑這是對中國低合金鋼領域科技進步的肯定。
現(xiàn)代低合金鋼的重大進展
低合金鋼的現(xiàn)代進展有哪些呢？主要表現(xiàn)有：
(1) 微合金化鋼基礎研究的新成就。
(2) 工藝技術的進步
(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(jù)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(jié)”的概念，有意識地控制加入微合金化元素，使鋼適于一定的熱機械處理工藝，以發(fā)展新的性能更好的鋼種。
傳統(tǒng)控制軋制的合金設計：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(qū)的形變誘導相變和析出，Nb是最理想的微合金化元素。
再結晶控制軋制的合金設計：它的目的是盡量降低再結晶停止溫度，并形成阻礙晶粒粗化的系統(tǒng)。其中一種辦法是以TiN為晶粒粗化阻止劑，以V（CN）作為鐵素體強化。另一種方案是Nb-Mo的微合金化，具有較寬闊的可以加工的窗口。這種工藝特別適合于不能進行低溫軋制的低功率的老舊軋機生產(chǎn)。
| |