本文评估了不同Nb和Nb-V成分的AISI 1080线材在工艺改进与奥氏体晶界的Nb钉扎作用的关系，分析了预应力混凝土线材珠光体共析钢的细化效果。尽管与低碳钢相比，Nb在高碳钢中的溶解度有限，但是可以根据试验结果来定义最佳Nb含量。

过去认为在高碳钢品种中，Nb含量超过0.040%才能获得适当的晶粒细化显微结构，以达到所需的力学性能。然而，生产实践表明，针对高碳钢种，提高Nb含量肯定让工艺处理变得更加具有挑战性，最终性能并不一定得到优化。在过去几十年里，Nb的作用并不被高碳钢生产商和用户所接受。但实际生产数据证明，铌微合金化方法在高碳钢品种如：线棒材、共析钢如：铁路用钢和其他中碳合金钢的应用中显示出良好的效果。

本研究既包含了实验室研究，也使用了工业炉进行验证。基于生产操作经验，优化Nb含量冶炼和恰当控制加热炉，对生产微合金高碳钢是非常关键的。一个优化的Nb含量可能与一个给定的碳含量直接相关。例如，加热高碳（C?>?0.50%）坯料和板坯可以通过产生空/燃比小于1.00的燃烧工艺来提高钢的质量。

1新产品开发

开发一个新的钢铁产品如1080钢采用铌微合金化方法，应注意以下一些重要问题：

1）设计的这个钢种，可能将有助于消除或简化一个或多个次级或三级处理步骤，从而提高生产率和降低制造成本。

2）改进新产品功能，延长使用寿命，最终使产品重量减轻，使产品具有新优势。

3）是否可以在处理过程中消除对环境有害的物质。

最近，Nb含量为0.005%-? 0.020%微合金化方法已成功应用于以下中碳和高碳钢。

◆AISI?5160和9259汽车螺旋弹簧；◆AISI?1050汽车紧固件；◆S500地震/耐火钢筋；◆0.20%?C重型机械耐磨板和农业机械；

◆铁路用共析钢和预应力线材；

◆电力输送元件渗碳钢如4130和6250钢种。

2试验步骤

实验室炉次添加Nb，V和Nb V，在真空炉生产及铸造。目的是比较在线材生产中，单一添加Nb微合金，对添加V或添加Nb V组合的钢材力学性能和压延性的影响。钢水冶炼成分如表1所示。

实验室铸锭与相同碳含量的工业坯焊接在一起，然后在工业操作条件下，热轧成直径11mm的线材，按照预应力混凝土（PSC）线材标准压下量和温度操作。线材用光学显微镜，扫描电镜（SEM）观察和拉伸测试进行分析。珠光体的层间距测量使用扫描电镜线截距法测量。奥氏体晶粒尺寸测量利用NFA?04-102标准方法。热轧线材在实验室做冷拔试验。在每一个拉拔道次后，通过拉伸和扭力测试研究它们的力学行为。

在对实验室炉次评价后，生产了一炉Nb含量为0.018%的钢，工业炉生产的钢水化学成分如表2所示。

两套样品从两个不同的拉丝厂每个拉拔道次取回。拉拔道次数据用来建立钢的加工硬化曲线。工业炉次生产的线材Cr含量更高，故其抗拉强度也更高。

3实验室试验

实验室生产的线材微观结构均匀，所有试验钢都是珠光体。光学观测没有发现任何Nb对偏析、脱碳或微观结构均匀性的影响。

对所有成分的线材表面缺陷等级进行了比较，如表3所示。线材的力学性能如表4所示。

通常，含?V或含Nb钢抗拉强度水平是同一级别，而含Nb钢趋向于较低的屈服强度。然而，所有成分均超过了基准钢S0，其屈服强度627N/ mm²，抗拉强度1086N/mm²。如预期Nb V组合表现出最高的屈服强度和抗拉强度，与含V钢相比，含Nb钢种断面收缩率（%RA）更高。

力学性能数据显示，Nb含量为0.02%的NB1样本延性最好，断面收缩率为45.1%，屈服强度、抗拉强度和断面收缩率都满足要求。Nb元素在这种高碳共析钢的优化性能机制是细化了珠光体片层间距。试验数据显示，0.02%Nb钢的珠光体片层间距最细为75nm。优化的NB1成分显示了将近两倍的断面收缩率，说明了珠光体得到显著细化，NB1成分具有最细的层间距。

主棒材被拉成最终预应力线材产品。工业拉丝生产最优应变率是在1.50-1.80之间。在这个应变率范围内，断面收缩率55%（0.02%Nb共析化学成分）非常好，提高了线材厂的生产率。含Nb钢随应变的断面收缩率演变是最高的，结果表明，由于Nb的添加延性得到改善。

4工业试验

基于实验室试验结果，在转炉生产了一个工业炉次。含Nb钢顺利连铸成钢坯，钢坯质量非常好。19块钢坯热轧成7.5mm线材。线材被运到两个厂生产PSC钢绞线。获得线材每卷开始和末端的力学性能，检查力学性能一致性。

对7.5mm线材进行了质量评估，没有发现轴向分离、表面损坏或脱碳现象，7.5mm线材表现出均匀的珠光体组织。将7.5mm的线材热轧到2.4mm时，整个炉次的钢丝没有经过任何热轧工艺的调整就成功生产出来，达到了最终产品所需的抗拉强度2160N/ mm²。然而在另一个工厂，使用了一个额外拉拔道次，产生了更高抗拉强度，而且没有任何表面开裂或成型问题。

5讨论

本研究调查了Nb在一个优化含量下（铌微合金化）对高碳共析钢预应力线材的积极作用。流变性的提高已在冷拔线材得到证实，随着延性增加，强度性能几乎不变。Nb微添加对微观结构有明显的细化作用，减小了层间距。通过细化，延性得到改善。

先前的研究已经表明，渗碳体厚度与λ直接相关，是影响延性的最主要显微结构因素。在高强度珠光体线材冷拔过程中，层间距较小的珠光体比粗珠光体更快地朝着拉伸方向排列。这一现象与相变温度和碳含量无关。

6加热炉过程冶金和异常晶粒生长

在实际工业生产条件下，加热炉温度和微合金化元素在不同碳含量溶解度之间的关系很难与实验室研究和产生的数据联系起来。加热工艺的质量和效率，对奥氏体晶粒尺寸和沿整个钢坯长度晶粒均匀性及最终产品晶粒度有深远影响。

炼钢工艺经常是最低优先级评价产品质量和力学性能。加热的均匀性和效率很大程度上受加热炉燃烧器的空/燃比情况影响。最优空/燃比率为1.10，可以产生最高的绝热火焰温度。然而，在实际操作中，有裂缝的燃烧器孔板，差的燃烧器调节和低效的燃烧风机特性影响了空/燃比率。这些情况对最佳绝热火焰温度性能有巨大影响。实际上，绝热火焰温度的变化，意味着输入到钢水的热量不同，从而奥氏体晶粒大小不同。

当空/燃比增加到1.10以上，绝热火焰温度降低。由于炉内氧化气氛，氧化铁皮厚度也增加了。厚的氧化铁皮作为板坯表面的绝缘层，从而减少了热传导效率。加热过程的这种变化，明显影响到钢的热均匀性，使板坯从表面到中心存在温度梯度，影响奥氏体晶粒尺寸及分布。因此，不连续的奥氏体晶粒的生长，直接受空/燃比引起的炉内热量变化的影响。

炉子操作过程冶金可以转化成板坯的加热温度，然后估计奥氏体晶粒尺寸。举例说明，如果钢坯的一部分是在1200℃，由于空/燃比变动0.05，相邻的部分是1225℃，相应地，1250℃部分的奥氏体晶粒尺寸将大约为325μm，与之相邻1225℃部分的晶粒大小约为280μm。燃烧中的这种热量变化，会引起原奥氏体晶粒尺寸的差异，带动最终热轧产品铁素体晶粒尺寸的变化，从而导致钢材产品力学性能发生变化。

7结论

铌微合金化处理方法在碳钢长材和板材上的应用，提高了钢材冶金性能和处理能力，降低了吨钢生产成本。该研究基于实验室和工业试验验证了在共析钢添加0.02%的Nb，均得到了钢的优良特性。钢材冶金性能得到改进与奥氏体晶界Nb钉扎作用和预应力混凝土线材珠光体共析钢细化的效果有关。

从工业化生产工艺过程中观察到，随温度变化，铌微合金化的冶金机理也与轧制前，钢坯、板坯或其他形状在加热炉内的长时间放置及奥氏体晶粒粗化缺陷相关。因此，尽管Nb在高碳钢中的溶解度有限，较低的0.02%Nb含量就能产生显著高于标准PSC线材或V-bear ing?PSC线材的压延性。

实验室炉次和工业炉次含铌PSC均保持了高强度属性和延展性。在两个工厂冷拔工

艺中均明显提高了生产率。与标准含钒PSC相比，在处理含铌PSC方面，这种增值改进为最终用户提供了降低运营成本的机会。含铌?PSC钢坯的铸造性能优秀，钢坯表面质量超出标准和含钒?PSC坯料质量性能。??????????????（张莉霞）