Nb對高性能汽車鋼的作用及影響機理

康華偉

（山東鋼鐵集團日照有限公司鋼鐵研究院，山東 日照276800）

1 前 言

我國正處于汽車發展的普及期，汽車市場在未來的很長時間內仍將呈持續增長態勢，但因汽車引起的環境污染與安全事故也將帶來巨大的壓力，因此，汽車的輕量化、安全性和低成本要求汽車用鋼向高強度、高韌性和更易于加工方向發展。含Nb汽車鋼的發展應用，大幅提升鋼的強度與韌性，Nb微合金是目前汽車用鋼中添加最廣的微合金元素之一。

20世紀80年代是汽車用含Nb鋼高漲的年代，我國雖然發展較慢，但對含Nb 汽車鋼的使用也越來越廣泛。目前歐洲典型的汽車含Nb 量約100 g/輛，如此微量的Nb 就能在汽車安全和輕量化方面達到非凡的效果。據統計，目前世界平均噸鋼的Nb消耗量為50 g左右，而中國僅約為23 g。隨著含Nb 合金鋼的良好組織結構與突出性能表現，目前許多鋼鐵廠都在加大對微合金Nb 鋼的研究與應用，以適應高強高韌鋼的發展趨勢。

圖1 微合金含量對低碳鋼晶粒大小的影響

2 微合金Nb對鋼的影響機理

在鋼的各種微合金化元素中，Nb是最有效的微合金化元素，104個鐵原子中有1個鈮原子就能達到改善鋼性能的目的，實際上鋼中加入0.001%～0.1%的Nb就足以改變鋼的力學性能。Nb作為微合金化元素加入鋼中并不改變其結構，而是與鋼中的C、N、S結合改變鋼的顯微結構。Nb對鋼的強化作用主要為細晶強化和彌散強化，Nb能和鋼中的C、B生成穩定的碳化物和碳氮化物，還可以使碳化物分散并形成具有細晶化的鋼［1］，因此，晶粒細化和沉淀強化是微合金鋼最重要的兩種強化方式。

生產汽車用鋼的微合金化元素一般有Nb、V、Ti、Zr 和B 等。其中Nb、V、Ti 等微合金元素的加入，既能阻止奧氏體晶粒長大，又能阻止奧氏體再結晶，從而細化了鐵素體晶粒，其結果如圖1 所示［2］。從圖1 中可看出，Nb 的細化晶粒效果最明顯，因此本研究主要是針對Nb 微合金對汽車鋼的影響作用。

微合金元素主要是以細化晶粒為目的而添加到鋼中，同時也伴隨著沉淀強化以及改善夾雜物形狀等作用。微合金元素Nb、V、Ti 在鋼中與C、N 強烈反應形成相應的碳化物、氮化物或碳氮化物，統稱為微合金碳氮化物M（CN）。此化合物加熱到高溫時溶解，而在低溫時又彌散析出，對鋼材的強韌性產生重大影響。同時，此化合物在冷軋后的退火過程中阻礙再結晶及晶粒長大，從而改善冷軋鋼的機械性能［3］。Nb 鋼在加熱過程中，加熱到1 200 ℃時保溫10 min，鋼中的Nb大部分都溶于奧氏體中，析出的Nb 質點非常小；在軋制過程中，高溫變形（再結晶區域，如1 050 ℃）時，Nb（C，N）化物顆粒是沿奧氏體晶界析出，而在晶內析出量很少；低溫變形（未再結晶區域，如800～900 ℃）時，由于奧氏體未發生再結晶，具有較高的畸變能，位錯密度高，因而加速了C和Nb的擴散速度，在晶界上、晶內和亞晶界上均有Nb（C，N）化物顆粒析出，故析出的顆粒較小。控制軋制就是應用微細的Nb（C，N）化物析出質點固定在亞晶界而阻止奧氏體晶粒再結晶，達到細化晶粒的目的［4］。對Nb 在鋼中奧氏體與鐵素體的作用機理，進行了歸納總結，如圖2所示。

圖2 Nb在奧氏體與鐵素體中的作用機理

3 微合金Nb對汽車鋼的作用

通過對微合金Nb 對鋼的機理研究分析，可得出Nb 對汽車鋼的主要作用有：1）提高汽車鋼的強度。2）提高汽車鋼的韌性。3）提高汽車鋼及構件的疲勞性能。4）提高汽車鋼的擴孔性能。5）提高汽車鋼的彎曲性能。6）降低帶狀組織以及偏析。7）減緩汽車構件的氫致脆裂。8）提高汽車鍍鋅鋼板的鋅層附著力。9）提高汽車鍍鋅鋼板的工藝可行性。

含Nb 高性能鋼在乘用汽車的車身覆蓋件、結構件、保安件等大量使用，如目前大量使用的IF鋼、HSLA 鋼、DP 鋼、BH 鋼、TRIP 鋼以及超高強度熱沖壓成型PH鋼等汽車用鋼，微合金Nb在其中發揮了明顯的作用，如表1所示。

表1 微合金Nb高性能鋼在汽車中的作用

4 結 語

微合金Nb 的應用，對金屬的組織、性能、加工和工程應用都起到了潛在的影響，微合金化鋼的工藝技術將因人類對能源需要的不斷增長而受到巨大影響。在當今國內汽車發展迅速期，Nb 在汽車鋼的應用中起到了突出的作用，如何低成本高效地發揮Nb 在汽車鋼中的最大貢獻，仍需技術人員不懈地研究。