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，即可顯著提高鋼的淬透性，其作用相當(dāng)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(shí)，硼元素還可提高耐熱鋼的高溫強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，改善高速鋼的紅硬性和刀具的切削能力等。由此來(lái)看，硼鋼不僅增強(qiáng)了鋼材綜合性能，還降低了生產(chǎn)成本。近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)外鋼廠不斷加快硼鋼的研制與生產(chǎn)，硼鋼冶煉技術(shù)不斷成熟，硼鋼的品種也在不斷擴(kuò)大。硼鋼的生產(chǎn)需要通過(guò)煉鋼、爐外精煉、連鑄、后續(xù)軋制和熱處理階段協(xié)同控制，因此技術(shù)控制就顯得尤為重要。
合金結(jié)構(gòu)硼鋼應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛
硼鋼的種類主要有合金結(jié)構(gòu)硼鋼、低合金高強(qiáng)度硼鋼和彈簧硼鋼等。其中合金結(jié)構(gòu)硼鋼應(yīng)用較多，主要包括調(diào)質(zhì)硼鋼、表面處理硼鋼和冷變形硼鋼。調(diào)質(zhì)硼鋼具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性等特點(diǎn)，可用于汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床、礦山機(jī)械、電站設(shè)備等。這類鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.25%以上，除了單獨(dú)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(zhì)量分?jǐn)?shù)一般低于0.25%，這類鋼滲碳性能較好，滲碳層不會(huì)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(guó)外開(kāi)發(fā)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(lái)用的中碳鋼、中碳鉻鎳鉬鋼。其優(yōu)點(diǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)一般低于0.25%。目前，國(guó)外有許多冷變形用硼鋼牌號(hào)，用于制造汽車、拖拉機(jī)、建筑等 行業(yè) 所需要的高強(qiáng)度螺栓。
含量和組織控制是提升性能的關(guān)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(guān)。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(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)為0.0010%左右，過(guò)低或過(guò)高均不能產(chǎn)生最佳效果。
細(xì)化鋼中奧氏體晶粒，有利于發(fā)揮熱塑性。外國(guó)某鋼鐵公司在碳鋼S45C中添加Ti和B，將Ti和B按1∶2物質(zhì)的量比加入鋼中，以TiB2粒子形式分布在鋼中二次樹(shù)枝晶間能細(xì)化奧氏體晶粒。當(dāng)添加TiB2的摩爾分?jǐn)?shù)增大到約0.2%時(shí)，奧氏體晶粒的平均直徑從1900μm減小到250μm。當(dāng)提高冷卻速率時(shí)，奧氏體顆粒直徑減小，最小值也在250μm左右。鋼水凝固過(guò)程中在內(nèi)部樹(shù)枝晶界位置除了TiB2以外，還存在細(xì)小的TiC和Fe2B顆粒，它們能限制奧氏體晶粒內(nèi)部樹(shù)枝晶界的生長(zhǎng)，進(jìn)而阻止晶粒長(zhǎng)大。奧氏體晶粒細(xì)化后有利于最終在碳鋼中形成細(xì)小的α鐵素體，從而不影響鋼的熱塑性。
硼鋼凝固時(shí)硼發(fā)生偏析，導(dǎo)致鑄坯存在缺陷。國(guó)外 研究 機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)硼鋼的困難之處在連鑄階段。他們認(rèn)為，鋼中即使加入微量的硼元素，鑄坯也會(huì)產(chǎn)生表面裂紋、內(nèi)部裂紋和中心偏析等，甚至出現(xiàn)漏鋼。加入硼元素以后，連鑄中凝固的鋼水會(huì)再次熔化，通過(guò)原位 分析 表明，硼在晶粒邊界和樹(shù)枝晶區(qū)發(fā)生偏析。通過(guò)模擬建立的Fe－B相圖來(lái)看，重熔后的鋼水熔點(diǎn)低，溫度可保持在1120℃～1170℃。由此可見(jiàn)，鋼水較長(zhǎng)時(shí)間保持熔融態(tài)而延長(zhǎng)凝固時(shí)間是導(dǎo)致鑄坯缺陷的主要原因。
以含硼鐵水為原料生產(chǎn)硼鋼可降低成本。東北大學(xué) 研究 以含硼鐵水為原料生產(chǎn)硼鋼，鐵水經(jīng)過(guò)脫硫、脫硅預(yù)處理后裝入轉(zhuǎn)爐中，加入造渣劑，然后供氧吹煉。精煉中根據(jù)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。利用含硼鐵水生產(chǎn)硼鋼雖然降低了成本，但轉(zhuǎn)爐吹氧時(shí)高濃度的氧會(huì)降低硼的收得率，這是采用含硼鐵水生產(chǎn)硼鋼的難點(diǎn)。
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