铌在工程用微合金化钢 － 线棒材和表层渗碳产品中的应用
2005-04-07 00:00 来源： 我的钢铁
1 引言
在最近20年内，用于汽车结构钢件的强度水平已经应汽车工业的强烈要求而显著地提高。之所以每一个品种在改善力学性能上都取得进展而没有增加生产总成本，是因为不仅改善了合金设计而且革新了生产流程，例如喷丸处理技术应用于制造渗碳齿轮高温固化及热喷丸应用到弹簧的生产。
应该强调是铌添加到须经热处理材钢种中，这与防止热处理时的晶粒粗化和随着制造构件强度水平的提高而导致的脆性有关。
2 锻钢
在许多低合金高强度钢(HSIA)中，铌被认为是关键的合金元素，也是最为有效晶粒细化剂，同时对热轧的产品，也是弥散强化元素。铌的这种良好作用在70年代开始时就马上被应
用到热锻钢中。
2．1 热锻件
49MnVS3钢(0.50％C一0.25％Si一0.70％Mn一0.040％S一0.10％V)在70年代中期被开发，在汽车工业中采用闭模锻造。通过0.08％：Nb微合金化，在高温加工条件下，虽然其强度可以达到要求，但是韧性不足限制了这种应用。为了改善韧性，开发了一种0.38％C一1.00％Mn一0.07％V—0.03％Nb的钢，在锻造状态下作为汽车零件使用而不改善其可靠性。
Bucher比较了AISI 114l和按AISI 1141标准的加铌改进型钢，取样于锻造联结杆，含铌钢组织结构细化使硬度提高到97HRB，对比标准钢种为92HRB，并且韧性得到了改善而适用制造连接杆。AISI 1141加铌改进型钢也被用来生产焊接叉轴或万向联接轴。
一家法国钢铁公司开发了多种微合金锻钢，其中包括具有抗张强度水平超过1000MPa的高强度钢。这些钢种的基本成分是0.45％C一0.30％Si一1.50％Mn一0.12％V一0.04％Nb，在空冷过程中通过平衡控制贝氏体形成和钒沉淀析出可获得稳定的抗张强度。铌钢的轧制在于控制奥氏体晶粒尺寸，并保持钢淬透性的稳定。
2．2 将来预期的控制锻造钢
Sampei等认为添加铌的中碳钢(0.25％。0.45％c)棒材在控制轧制以后可获得良好的强度一韧性匹配，工艺为114mm方坯加热到1373K，然后轧制成22mm圆钢，终轧温度为1073K。对含铌钢而言，粗轧的终轧温度被选择为能够抑制奥氏体的再结晶，使晶粒细化，得到优良的力学性能。
如果这些控制轧制技术能被用于锻造加工，可以预料在锻件中也能得到良好的力学性能。Hulka提出控制锻造的思想，已经在1975年由Pawelski等作了明确的解释说明，精锻温度控制在950～1100K范围，含铌钢(0.32％C一1.47Mn)的强度和韧性的匹配优于普通的钢。当然，中温锻造产生高的负荷会缩短成形锻模的寿命，低的生产率限制了控制锻造技术的应
用。
最近有关晶粒细化技术的研究已经表明当晶粒细化到小于lm时，钢的力学性能可以被显著地改善。因为含铌钢在温锻温度变形可以很容易实现晶粒细化，因此，将来铌钢的控制锻造
会是一种很有效的实用技术。
3 紧固件用钢
作为高强度紧固件用的棒线材，其抗张强度超过800MPa，要求具有良好的冷成形性和力学性能(抗张强度、屈服强度、疲劳强度和韧性)和当抗张强度达到1200MPa时，具有良好的抵抗延迟断裂的能力。高强度紧固件用钢的主要发展阶段可以总结如下，采用微合金线棒材制造非热处理紧固件，对需要热处理材钢种以减少合金元素含量来防止高强度紧固件的延迟
断裂。
3．1 采用微合金线棒材生产非热处理螺栓
在1980年，Condo等开发一种钢丝用来生产冷镦螺栓，其强度水平达到700MPa而不需进行球化退火、淬火或回火。钢的化学成分为0.10％C一1.5％Mn，添加少量的Nb、V和Ti，在控轧控冷条件下，获得适当的铁素体和珠光体组织。
Heritier等报道说，由0.2％C一1.2％Mn一20～50ppmB钢种制造级别为8.8螺栓已实现真正的工业化生产。由于硼的加入使钢具有高的淬透性，从终轧制温度开始冷却期间低碳的贝氏体开始形成。他们发现低碳贝氏体的铁素体具有高的应变硬化指数，表明0.12％C一1.65％Mn一0.08％Nb一25～50ppmB成分的钢具有高的拉丝比，可以生产强度水平在1000～1200MPa范围的线棒材。添加铌来强化钢是利用了铌的晶粒细化和中间相沉淀析出的强化作用。
一种铁素体一珠光体带有少量沉淀析出粒子的钢种以及晶粒细化元素已经设计出来以满足级别为8.8紧固件的技术要求。在加工中，采用低温加热板坯和低的终轧温度以获得极细晶
粒。为促进合金元素弥散析出，轧后进行了控制冷却。开发的钢在硬度上比原来的钢(0.14％C—0.25％Si—l.45％Mn一0.1％Cr)高30—45HV，这归因于钒和铌碳氮化物细化晶粒和
弥散硬化的综合效应。
线材硬度的增加有时会降低锻模的寿命，但这所导致的成本上升会被因取消了淬火一回火工艺导致的成本下降所抵消。时效处理工艺可以使较低强度的冷成形紧固件的强度得到提高。 Boratto等设计了一种铌钛微合金化钢0.09％C一0.2％Si—1.9％Mn一0.6％Cr一0.04％Nb—0.03％Ti，并且生产的盘条具有针状铁素体组织，在轧制状态下，其抗张强度在900MPa左右。他们的研究证实在523K低温时效，既能增加强度又能提高冷镦紧固件的延性，以满足强度分级为10．9全部技术要求。
3．2 铌在紧固件用高强度淬火回火钢中的应用
新的钢种0.25％C一0.05％Si一1.0％Mn一0.3％Cr一0.05％Ti一0.025％Nb一20ppmB，被研制出来而且以轧制状态交货，在冷镦时不需进行软化处理。甚至在轧制状态这种钢的
变形抗力都是小到足以进行冷成形，这是由于减少了强化钢基的合金元素C、Si和Cr的含量水平所至。添加合金元素硼和铌分别是为了弥补淬透性的下降和得到细化的晶粒。
当紧固件的抗张强度超过1200MPa时，一般的淬火一回火合金钢都有在服役环境中易受到氢攻击的弱点而导致延迟断裂。为了减少对延迟断裂的敏感性，有人建议减少杂质在原奥氏体晶界含量、加上细化奥氏体晶粒以及改变碳化物沉淀粒子在晶界析出的形态。一种能抵抗延迟断裂，抗张强度为1500MPa的钢，推荐的化学成分为：0.35％C一0.20％Si一0.35％Mn—0.010％P—0.010％S—1.25％Cr－0.40％Mo一0.02％Nb。对日本工业标准SCM435钢(0.35％C一0.85％Mn－0.020％P一0.015％S—1.0％Cr－0.20％Mo)的化学成分进行修改，即减少P、S和Mn的含量并增加Cr和Mo含量，同时添加Nb，结果表明可以显著改善延迟断裂阻力。
4弹簧钢
随着设计应力增加，高强度调质处理弹簧钢要求具有合乎需要抗张强度、屈服强度、疲劳强度、抗下垂性和腐蚀疲劳强度以及延迟断裂阻力。在1990年初，为减轻客车的重量，必需采用轻质弹簧，在那时高合金弹簧钢被研制开发出来以承受设计应力提高而伴随着采用薄板卷所带来的冲击。而近期弹簧钢研究领域的发展方向已经重新回到减少合金元素的含量上来，大多数相当于1200Mpa设计应力的弹簧钢皆是如此。
4．1 螺旋弹簧钢
在1981年进行了添加钒和铌到日本工业标准SUP7钢(相当于SAE9260钢)以改进抗下垂性的尝试。可观察到含钒和铌钢的抗下垂性能优于SUP7钢，这归因于钒的固溶强化作用、由钒和铌的碳化物析出所产生的弥散强化以及晶粒细化的综合作用。这些研究工作的结果使得螺旋弹簧的设计应力由900MPa提高到1000MPa。
一种能满足设计应力1200Mpa的新钢种已经被开发研制出来，并且正在逐渐地扩大其商业性生产规模。钢的典型成分为0.4％C一1.8％Si－0.5％Ni一1.1％Cr一0.15％V—0.025％Nb一0.0015％B。减少碳含量是为了增加腐蚀疲劳寿命，硅保留在较高的水平是为了保证具有良好的抗下垂性，添加镍是为了阻止麻点腐蚀，而铌以及硼的加入是为了晶粒细化和强化原奥氏体晶界。
4．2 板簧
对常规的大规模生产设备布局而言，无论如何都需要花费比较长的时间才能将轧制的钢板输送到淬火槽。因此，在传递期间，轧制的板簧将会发生回复而且内部残余应变将会减少，这会影响到组织结构的改善。Ohmori等指出铌添加到弹簧钢中将会延长轧后的回复时间。
Pawelski等也注意到加入0.03％～0.06％Nb到50CrV4弹簧钢中，热变形后，奥氏体再结晶的孕育期被延迟。在一板簧生产线中，当铌和钛加入到50CtlV4钢中，并采用热轧后立即淬火和在553K回火工艺，铌的这些有益的作用已经显示出来。与通常抗张强度为1700MPa的调质处理50CrV4钢相比较，含铌钢可获得2000Mpa的抗张强度以及提高疲劳强度20％而不会导致韧性下降。
5 表面渗碳钢
经表面硬化处理的汽车零部件，比如传动装置以及等速万向节轴，是通过专门的工艺生产并需经过热处理，在大载荷环境下使用。由于这个缘故，渗碳钢必须满足以下3个主要的性能要求。第一，好的可成形性；第二，要求较好的淬透性以及淬火后产生较小的尺寸和形状变形；第三，渗碳后具有良好的力学性能。
为了满足这些性能要求，合金设计和加工工艺必须按生产成本最低化的原则进行优化处理，渗碳齿轮典型的制造工艺，渗碳钢棒材经过热锻、常化处理、机加工成齿轮，然后再进行渗
碳和回火处理，再经过磨光或喷丸处理加工成所需的形状。从降低总成本的观点来看，其结果是冷锻工艺已经逐渐取代热锻工艺，从而取消了高成本的滚齿加工工艺。
5．1 适应渗碳齿轮生产工艺变化的措施
我们的目标是开发一种既具有足够的可冷锻性而又不必进行球化退火处理，同时在渗碳又能阻碍晶粒粗化而无须进行光亮常化处理的表面渗碳钢。为了实现这个目标，合金元素对棒材热轧态硬度和冷变形试样的晶粒长大行为的影响相关的基本实验研究工作业已完成。
在这研究项目以前，已经成功开发了可冷成形的碳 一 硼钢，用新钢种代替热锻按日本工业标准S48C和S53C钢的要求(相当于SAEl048和1053)制造CVJ零件。在这个研究中，添加少量的B代替过高的Si、Mn和Cr来提高钢的淬透性，这一合金设计已被用于生产可冷锻的渗碳钢。
5．2 改善冷成形性
减少零件冷成形的变形阻力是提高成形磨具耐用性的最为有效的途径。可清楚地看到随试样硬度的增加，变形阻力增大。一般而言，具有良好冷成形性的硬度应该小于80 HRB，然而，在轧态条件下，很难获得这样低的硬度，甚至在控制轧制条件下也是难以达到的。
研究测定了合金元素对热轧棒材硬度的影响。试样的基本成分为0.20％C—0.07％Si一0.50％Mn一0.0％Cr。32mn直径钢棒在1200K进行常化处理以模拟热轧条件。Si和Mn尤其是C导致钢硬度的增加，相反地，B对硬度没有明显的。同样，降低C、Si和Mn的含量，添加B来弥补淬透性的下降的合金设计被认为是适合于冷锻钢。
5．3 在渗碳期间防止晶粒粗化
对渗碳钢来说最有效的防止晶粒长大方法是利用碳化物、氮化物和碳氮化物沉淀析出，就铝－镇静钢来说细小的氮化铝(AlN)粒子可抑制晶粒的迁移。
然而，对以期适用于冷锻添加硼的渗碳钢来讲，因为钢中固溶的B在AIN析出之前已与氮结合，故AIN沉淀析出不能被用来钉扎晶界。这些BN沉淀析出导致减轻了硼对淬透性的影响。因此，Ti具有比硼和氮更大的亲合力，增加Ti以固定N形成较为粗大的沉淀物TiN。最终，在含硼钢中，少量的AIN粒子和粗大的TiN粒子两者都不能被考虑作为候选的粒子用来防止晶粒长大。
选择了SCr420钢、含硼钢和添加0.05％Nb的硼钢经过70％冷轧变形，
再加热到不同的温度保温1.8h，来研究有关冷压成形和再加热过程中晶粒长大行为的基本规律。同上述所描述的一样，仅仅添加硼不能抑制晶粒粗化行为反而有恶化作用，相反地，含铌硼钢比普通的渗碳钢呈现出更细的晶粒。可以清楚看到晶粒粗化温度随铌含量增加而上升，甚至在1273K，只要0.05％的铌就足够保持细晶：实际上，铌的加入量应该根据不同渗碳层要求所确定的渗碳温度和时间来决定。
5．4 试验钢的综合评价
试验钢典型的化学成分为0.2％C—0.10％Si一0.50％Mn—1.0／2.0％Cr—0.0015％B一0.05％Nb。为了降低钢热轧态的硬度，降低了C、Si和Mn含量水平。通过控制硼的加入量和铬的含量水平来调整钢的淬透性，通过加入铌来防止渗碳时的晶粒粗化。
2t方坯经过热轧，其中一些轧后采用球化处理退火处理。试验钢轧制状态的硬度为77HRB，几乎同球化处理SCr420钢的硬度75HRB一样。这表明所开发的试验钢不需进行球化退火
就能用于冷锻。进一步而言，试验钢若经过球化处理处理，其硬度低于68HRB，这意味着新研制的钢可以采用冷锻工艺生产形状更为复杂的零件。采用压缩试验在室温下评价了试验钢的冷成形性，热轧的试验钢呈现出与球化处理的SCr420钢相同的加工硬化率和优良的防止龟裂起始临界应变量。
6 总结
迄今，通过添加铌而产生组织结构细化和弥散析出硬化已经应用于开发作为锻件和紧固件用“非热处理”钢，这些零件以前是用调质钢种产生。同时，铌沉淀析出物强烈阻碍晶粒粗化的作用在“热处理”钢中也得到广泛应用。作为高强度紧固件、弹簧和表面硬化零件用的新的含铌热处理钢种的开发有利于提高汽车部件的强度和有助于节约生产成本和能源。
在最近20年内，用于汽车结构钢件的强度水平已经应汽车工业的强烈要求而显著地提高。之所以每一个品种在改善力学性能上都取得进展而没有增加生产总成本，是因为不仅改善了合金设计而且革新了生产流程，例如喷丸处理技术应用于制造渗碳齿轮高温固化及热喷丸应用到弹簧的生产。
应该强调是铌添加到须经热处理材钢种中，这与防止热处理时的晶粒粗化和随着制造构件强度水平的提高而导致的脆性有关。
2 锻钢
在许多低合金高强度钢(HSIA)中，铌被认为是关键的合金元素，也是最为有效晶粒细化剂，同时对热轧的产品，也是弥散强化元素。铌的这种良好作用在70年代开始时就马上被应
用到热锻钢中。
2．1 热锻件
49MnVS3钢(0.50％C一0.25％Si一0.70％Mn一0.040％S一0.10％V)在70年代中期被开发，在汽车工业中采用闭模锻造。通过0.08％：Nb微合金化，在高温加工条件下，虽然其强度可以达到要求，但是韧性不足限制了这种应用。为了改善韧性，开发了一种0.38％C一1.00％Mn一0.07％V—0.03％Nb的钢，在锻造状态下作为汽车零件使用而不改善其可靠性。
Bucher比较了AISI 114l和按AISI 1141标准的加铌改进型钢，取样于锻造联结杆，含铌钢组织结构细化使硬度提高到97HRB，对比标准钢种为92HRB，并且韧性得到了改善而适用制造连接杆。AISI 1141加铌改进型钢也被用来生产焊接叉轴或万向联接轴。
一家法国钢铁公司开发了多种微合金锻钢，其中包括具有抗张强度水平超过1000MPa的高强度钢。这些钢种的基本成分是0.45％C一0.30％Si一1.50％Mn一0.12％V一0.04％Nb，在空冷过程中通过平衡控制贝氏体形成和钒沉淀析出可获得稳定的抗张强度。铌钢的轧制在于控制奥氏体晶粒尺寸，并保持钢淬透性的稳定。
2．2 将来预期的控制锻造钢
Sampei等认为添加铌的中碳钢(0.25％。0.45％c)棒材在控制轧制以后可获得良好的强度一韧性匹配，工艺为114mm方坯加热到1373K，然后轧制成22mm圆钢，终轧温度为1073K。对含铌钢而言，粗轧的终轧温度被选择为能够抑制奥氏体的再结晶，使晶粒细化，得到优良的力学性能。
如果这些控制轧制技术能被用于锻造加工，可以预料在锻件中也能得到良好的力学性能。Hulka提出控制锻造的思想，已经在1975年由Pawelski等作了明确的解释说明，精锻温度控制在950～1100K范围，含铌钢(0.32％C一1.47Mn)的强度和韧性的匹配优于普通的钢。当然，中温锻造产生高的负荷会缩短成形锻模的寿命，低的生产率限制了控制锻造技术的应
用。
最近有关晶粒细化技术的研究已经表明当晶粒细化到小于lm时，钢的力学性能可以被显著地改善。因为含铌钢在温锻温度变形可以很容易实现晶粒细化，因此，将来铌钢的控制锻造
会是一种很有效的实用技术。
3 紧固件用钢
作为高强度紧固件用的棒线材，其抗张强度超过800MPa，要求具有良好的冷成形性和力学性能(抗张强度、屈服强度、疲劳强度和韧性)和当抗张强度达到1200MPa时，具有良好的抵抗延迟断裂的能力。高强度紧固件用钢的主要发展阶段可以总结如下，采用微合金线棒材制造非热处理紧固件，对需要热处理材钢种以减少合金元素含量来防止高强度紧固件的延迟
断裂。
3．1 采用微合金线棒材生产非热处理螺栓
在1980年，Condo等开发一种钢丝用来生产冷镦螺栓，其强度水平达到700MPa而不需进行球化退火、淬火或回火。钢的化学成分为0.10％C一1.5％Mn，添加少量的Nb、V和Ti，在控轧控冷条件下，获得适当的铁素体和珠光体组织。
Heritier等报道说，由0.2％C一1.2％Mn一20～50ppmB钢种制造级别为8.8螺栓已实现真正的工业化生产。由于硼的加入使钢具有高的淬透性，从终轧制温度开始冷却期间低碳的贝氏体开始形成。他们发现低碳贝氏体的铁素体具有高的应变硬化指数，表明0.12％C一1.65％Mn一0.08％Nb一25～50ppmB成分的钢具有高的拉丝比，可以生产强度水平在1000～1200MPa范围的线棒材。添加铌来强化钢是利用了铌的晶粒细化和中间相沉淀析出的强化作用。
一种铁素体一珠光体带有少量沉淀析出粒子的钢种以及晶粒细化元素已经设计出来以满足级别为8.8紧固件的技术要求。在加工中，采用低温加热板坯和低的终轧温度以获得极细晶
粒。为促进合金元素弥散析出，轧后进行了控制冷却。开发的钢在硬度上比原来的钢(0.14％C—0.25％Si—l.45％Mn一0.1％Cr)高30—45HV，这归因于钒和铌碳氮化物细化晶粒和
弥散硬化的综合效应。
线材硬度的增加有时会降低锻模的寿命，但这所导致的成本上升会被因取消了淬火一回火工艺导致的成本下降所抵消。时效处理工艺可以使较低强度的冷成形紧固件的强度得到提高。 Boratto等设计了一种铌钛微合金化钢0.09％C一0.2％Si—1.9％Mn一0.6％Cr一0.04％Nb—0.03％Ti，并且生产的盘条具有针状铁素体组织，在轧制状态下，其抗张强度在900MPa左右。他们的研究证实在523K低温时效，既能增加强度又能提高冷镦紧固件的延性，以满足强度分级为10．9全部技术要求。
3．2 铌在紧固件用高强度淬火回火钢中的应用
新的钢种0.25％C一0.05％Si一1.0％Mn一0.3％Cr一0.05％Ti一0.025％Nb一20ppmB，被研制出来而且以轧制状态交货，在冷镦时不需进行软化处理。甚至在轧制状态这种钢的
变形抗力都是小到足以进行冷成形，这是由于减少了强化钢基的合金元素C、Si和Cr的含量水平所至。添加合金元素硼和铌分别是为了弥补淬透性的下降和得到细化的晶粒。
当紧固件的抗张强度超过1200MPa时，一般的淬火一回火合金钢都有在服役环境中易受到氢攻击的弱点而导致延迟断裂。为了减少对延迟断裂的敏感性，有人建议减少杂质在原奥氏体晶界含量、加上细化奥氏体晶粒以及改变碳化物沉淀粒子在晶界析出的形态。一种能抵抗延迟断裂，抗张强度为1500MPa的钢，推荐的化学成分为：0.35％C一0.20％Si一0.35％Mn—0.010％P—0.010％S—1.25％Cr－0.40％Mo一0.02％Nb。对日本工业标准SCM435钢(0.35％C一0.85％Mn－0.020％P一0.015％S—1.0％Cr－0.20％Mo)的化学成分进行修改，即减少P、S和Mn的含量并增加Cr和Mo含量，同时添加Nb，结果表明可以显著改善延迟断裂阻力。
4弹簧钢
随着设计应力增加，高强度调质处理弹簧钢要求具有合乎需要抗张强度、屈服强度、疲劳强度、抗下垂性和腐蚀疲劳强度以及延迟断裂阻力。在1990年初，为减轻客车的重量，必需采用轻质弹簧，在那时高合金弹簧钢被研制开发出来以承受设计应力提高而伴随着采用薄板卷所带来的冲击。而近期弹簧钢研究领域的发展方向已经重新回到减少合金元素的含量上来，大多数相当于1200Mpa设计应力的弹簧钢皆是如此。
4．1 螺旋弹簧钢
在1981年进行了添加钒和铌到日本工业标准SUP7钢(相当于SAE9260钢)以改进抗下垂性的尝试。可观察到含钒和铌钢的抗下垂性能优于SUP7钢，这归因于钒的固溶强化作用、由钒和铌的碳化物析出所产生的弥散强化以及晶粒细化的综合作用。这些研究工作的结果使得螺旋弹簧的设计应力由900MPa提高到1000MPa。
一种能满足设计应力1200Mpa的新钢种已经被开发研制出来，并且正在逐渐地扩大其商业性生产规模。钢的典型成分为0.4％C一1.8％Si－0.5％Ni一1.1％Cr一0.15％V—0.025％Nb一0.0015％B。减少碳含量是为了增加腐蚀疲劳寿命，硅保留在较高的水平是为了保证具有良好的抗下垂性，添加镍是为了阻止麻点腐蚀，而铌以及硼的加入是为了晶粒细化和强化原奥氏体晶界。
4．2 板簧
对常规的大规模生产设备布局而言，无论如何都需要花费比较长的时间才能将轧制的钢板输送到淬火槽。因此，在传递期间，轧制的板簧将会发生回复而且内部残余应变将会减少，这会影响到组织结构的改善。Ohmori等指出铌添加到弹簧钢中将会延长轧后的回复时间。
Pawelski等也注意到加入0.03％～0.06％Nb到50CrV4弹簧钢中，热变形后，奥氏体再结晶的孕育期被延迟。在一板簧生产线中，当铌和钛加入到50CtlV4钢中，并采用热轧后立即淬火和在553K回火工艺，铌的这些有益的作用已经显示出来。与通常抗张强度为1700MPa的调质处理50CrV4钢相比较，含铌钢可获得2000Mpa的抗张强度以及提高疲劳强度20％而不会导致韧性下降。
5 表面渗碳钢
经表面硬化处理的汽车零部件，比如传动装置以及等速万向节轴，是通过专门的工艺生产并需经过热处理，在大载荷环境下使用。由于这个缘故，渗碳钢必须满足以下3个主要的性能要求。第一，好的可成形性；第二，要求较好的淬透性以及淬火后产生较小的尺寸和形状变形；第三，渗碳后具有良好的力学性能。
为了满足这些性能要求，合金设计和加工工艺必须按生产成本最低化的原则进行优化处理，渗碳齿轮典型的制造工艺，渗碳钢棒材经过热锻、常化处理、机加工成齿轮，然后再进行渗
碳和回火处理，再经过磨光或喷丸处理加工成所需的形状。从降低总成本的观点来看，其结果是冷锻工艺已经逐渐取代热锻工艺，从而取消了高成本的滚齿加工工艺。
5．1 适应渗碳齿轮生产工艺变化的措施
我们的目标是开发一种既具有足够的可冷锻性而又不必进行球化退火处理，同时在渗碳又能阻碍晶粒粗化而无须进行光亮常化处理的表面渗碳钢。为了实现这个目标，合金元素对棒材热轧态硬度和冷变形试样的晶粒长大行为的影响相关的基本实验研究工作业已完成。
在这研究项目以前，已经成功开发了可冷成形的碳 一 硼钢，用新钢种代替热锻按日本工业标准S48C和S53C钢的要求(相当于SAEl048和1053)制造CVJ零件。在这个研究中，添加少量的B代替过高的Si、Mn和Cr来提高钢的淬透性，这一合金设计已被用于生产可冷锻的渗碳钢。
5．2 改善冷成形性
减少零件冷成形的变形阻力是提高成形磨具耐用性的最为有效的途径。可清楚地看到随试样硬度的增加，变形阻力增大。一般而言，具有良好冷成形性的硬度应该小于80 HRB，然而，在轧态条件下，很难获得这样低的硬度，甚至在控制轧制条件下也是难以达到的。
研究测定了合金元素对热轧棒材硬度的影响。试样的基本成分为0.20％C—0.07％Si一0.50％Mn一0.0％Cr。32mn直径钢棒在1200K进行常化处理以模拟热轧条件。Si和Mn尤其是C导致钢硬度的增加，相反地，B对硬度没有明显的。同样，降低C、Si和Mn的含量，添加B来弥补淬透性的下降的合金设计被认为是适合于冷锻钢。
5．3 在渗碳期间防止晶粒粗化
对渗碳钢来说最有效的防止晶粒长大方法是利用碳化物、氮化物和碳氮化物沉淀析出，就铝－镇静钢来说细小的氮化铝(AlN)粒子可抑制晶粒的迁移。
然而，对以期适用于冷锻添加硼的渗碳钢来讲，因为钢中固溶的B在AIN析出之前已与氮结合，故AIN沉淀析出不能被用来钉扎晶界。这些BN沉淀析出导致减轻了硼对淬透性的影响。因此，Ti具有比硼和氮更大的亲合力，增加Ti以固定N形成较为粗大的沉淀物TiN。最终，在含硼钢中，少量的AIN粒子和粗大的TiN粒子两者都不能被考虑作为候选的粒子用来防止晶粒长大。
选择了SCr420钢、含硼钢和添加0.05％Nb的硼钢经过70％冷轧变形，
再加热到不同的温度保温1.8h，来研究有关冷压成形和再加热过程中晶粒长大行为的基本规律。同上述所描述的一样，仅仅添加硼不能抑制晶粒粗化行为反而有恶化作用，相反地，含铌硼钢比普通的渗碳钢呈现出更细的晶粒。可以清楚看到晶粒粗化温度随铌含量增加而上升，甚至在1273K，只要0.05％的铌就足够保持细晶：实际上，铌的加入量应该根据不同渗碳层要求所确定的渗碳温度和时间来决定。
5．4 试验钢的综合评价
试验钢典型的化学成分为0.2％C—0.10％Si一0.50％Mn—1.0／2.0％Cr—0.0015％B一0.05％Nb。为了降低钢热轧态的硬度，降低了C、Si和Mn含量水平。通过控制硼的加入量和铬的含量水平来调整钢的淬透性，通过加入铌来防止渗碳时的晶粒粗化。
2t方坯经过热轧，其中一些轧后采用球化处理退火处理。试验钢轧制状态的硬度为77HRB，几乎同球化处理SCr420钢的硬度75HRB一样。这表明所开发的试验钢不需进行球化退火
就能用于冷锻。进一步而言，试验钢若经过球化处理处理，其硬度低于68HRB，这意味着新研制的钢可以采用冷锻工艺生产形状更为复杂的零件。采用压缩试验在室温下评价了试验钢的冷成形性，热轧的试验钢呈现出与球化处理的SCr420钢相同的加工硬化率和优良的防止龟裂起始临界应变量。
6 总结
迄今，通过添加铌而产生组织结构细化和弥散析出硬化已经应用于开发作为锻件和紧固件用“非热处理”钢，这些零件以前是用调质钢种产生。同时，铌沉淀析出物强烈阻碍晶粒粗化的作用在“热处理”钢中也得到广泛应用。作为高强度紧固件、弹簧和表面硬化零件用的新的含铌热处理钢种的开发有利于提高汽车部件的强度和有助于节约生产成本和能源。
