硼鋼(boronsteel)

以微量硼作為合金元素、借助其提高淬透性的作用而改善鋼的性能和節(jié)省合金元素的一種合金結(jié)構(gòu)鋼。故此，一般說它不包括利用硼的其他一些性能的含硼耐熱鋼、不銹鋼、原子能用鋼等。

簡史大約在1921年第一次發(fā)現(xiàn)硼在鋼中的淬透性效果；到1935年左右在實際生產(chǎn)中驗證了硼的這種作用，并找到加硼的正確方法；1937年硼鋼正式進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)和實際應(yīng)用階段。

硼鋼的生產(chǎn)和研究至今已經(jīng)有60余年的歷史，大致可分為三個階段。

(1)1937年至50年代末為蓬勃發(fā)展的早期。由于二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，資源供應(yīng)緊張，使硼鋼生產(chǎn)迅速增加。二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后有關(guān)硼鋼的研究工作蓬勃地展開，到50年代初達(dá)到高潮。

(2)60年代初至70年代初為相對靜止的中期。由于硼鋼淬透性波動大，難以掌握，影響鋼材的性能和應(yīng)用，動搖了人們對硼鋼的信心，所以硼鋼的生產(chǎn)、應(yīng)用和研究的發(fā)展速度都大大降低了。

(3)70年代之后為再度繁榮的近期。一方面由于世界性的資源緊缺：各類鋼(特別是不銹鋼、耐熱鋼、工具鋼等)廣泛應(yīng)用的合金元素鎳、鉬供應(yīng)一直十分緊張，鉻資源也存在潛在危機(jī)；另一方面是由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)設(shè)備、儀器的應(yīng)用，為硼鋼存在問題的解決提供了有利的條件。本身具備的優(yōu)勢，加上客觀條件的輔助，所以硼鋼得以走出低谷，重新進(jìn)入一個活躍的發(fā)展階段。

合金元素的作用

硼的作用硼是硼鋼中最重要的合金元素。它的最主要的作用是提高鋼的淬透性，因而可以增大鋼材的可淬透尺寸，或者提高淬火后鋼材截面內(nèi)組織和性能的均勻性。

關(guān)于硼提高淬透性的機(jī)理已經(jīng)提出多種說法，其中比較一致的認(rèn)識是：由于硼推遲了鐵素體的生核過643perIg硼程(但并不影響奧氏體或鐵素體基體的熱力學(xué)性能，也就是說硼可以降低鐵素體的生核速率，但并不影響其長大速率以及珠光體和馬氏體的形成速度)而提高鋼的淬透性。各種機(jī)理的差別在于硼通過什么方式推遲鐵素體的生核速率，這其中有：硼原子的偏聚降低奧氏體晶界能、硼降低鐵在奧氏體晶界的自擴(kuò)散能力、硼原子偏聚減少生核位置、M₂₃(B，C)₆硼碳化物的作用等等學(xué)說。

對硼提高淬透性的機(jī)理各國學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，即使在目前仍在不斷地進(jìn)行著。

硼提高淬透性的作用具有許多不同于其他合金元素的特點(diǎn)。主要有：

(1)提高淬透性的能力極強(qiáng)。0.0010％～0.0030％硼的作用可分別相當(dāng)于0.6％錳、0.7％鉻、0.5％鉬和1.5％鎳，因此其提高淬透性的能力為上述合金元素的幾百倍乃至上千倍，故此只需極少量硼即可節(jié)約大量的貴重合金元素。

(2)具有最佳含量而且此含量極小。一般合金元素提高淬透性的效果隨其在鋼中含量增加而增長，但硼卻有一個最佳含量(范圍)，過多或過少均對提高淬透性不利，而且此量很小，約為0.0010％，一般控制在0.0005％～0.0030％。

(3)硼的淬透性效果與鋼的成分有關(guān)。普遍認(rèn)為鋼中的碳和合金元素含量提高，硼提高淬透性的作用則下降。所以低碳、低合金鋼中硼的淬透性效果最顯著。硼淬透性系數(shù)f_B與鋼中碳含量關(guān)系的經(jīng)驗公式之一為f_B=1+1.5(0.9-C)。

(4)硼的淬透性作用與奧氏體化條件有關(guān)。早期的研究表明兩者間存在特殊關(guān)系，即在某一特定奧氏體化溫度下硼的淬透性效果最佳；溫度再升高，盡管奧氏體晶粒長大，硼的淬透性效果反而下降。但是近來亦有一些研究發(fā)現(xiàn)，以鈦固定氮的硼鋼在一定的奧氏體化溫度范圍內(nèi)淬透性幾乎沒有變化。這些現(xiàn)象都與一般合金元素的淬透性效果與奧氏體化溫度的關(guān)系不同。

其他合金元素的作用除硼外，硼鋼中還經(jīng)常加入一些其他合金化元素，如硅、錳、鉻、鉬、鈮、釩等，目的是進(jìn)一步改善鋼的淬透性及其他一些性能，如強(qiáng)度、韌性、回火脆性、疲勞性能、耐蝕性等。鉬可大大加強(qiáng)硼的淬透性作用，二者具有復(fù)合作用，特別是當(dāng)鉬、硼含量配比合適時可使鋼在相當(dāng)寬的冷速范圍內(nèi)經(jīng)空冷得到貝氏體組織。鉬一硼系貝氏體鋼就是根據(jù)這一現(xiàn)象設(shè)計出來的。鋼中的鈮處于固溶狀態(tài)下與硼具有一定的復(fù)合作用，對奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用。鈮一硼的這種作用在控制軋制、直接淬火的鋼中已經(jīng)被利用。

生產(chǎn)工藝硼鋼的生產(chǎn)工藝具有一系列特點(diǎn)，必須對冶煉、加工及熱處理工藝給予注意，才能保證使硼鋼獲得理想的組織和性能。

(1)冶煉。由于硼的化學(xué)性質(zhì)極為活潑，很容易與鋼中的氧、氮結(jié)合，使硼失去作用，而且鋼中的硼含量又極少，所以在硼鋼的冶煉中如何保證穩(wěn)定地獲得適量的酸溶硼而且均勻地分布在鋼中是非常重要的。

硼鋼可以用電爐、轉(zhuǎn)爐冶煉。為了保護(hù)硼，在加硼前應(yīng)先行加入與氧、氮結(jié)合力比硼更強(qiáng)的鋁、鈦、鋯等，即先加鋁脫氧，再加鈦等定氮，最后向爐中或鋼包中加入硼，這就是所謂的經(jīng)典法。也可將含有硼和鋁、鈦、鋯、錳、硅等多種保護(hù)元素的復(fù)合硼鐵合金一次加入。常用的一種復(fù)合合金的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))是：20鈦、13鋁、4鋯、8錳、5硅、0.5硼，余為Fe。

但是用鈦定氮保護(hù)硼形成的TiN也很容易使鋼的韌性、疲勞性能甚至機(jī)加工性能變壞。而且TiN很穩(wěn)定，一旦形成就幾乎不再變化，難以進(jìn)一步起到平衡、穩(wěn)定酸溶硼含量的作用，所以日本的土生隆一、法國Urgine廠都研究了只用鋁不用鈦的保硼冶煉方法，實際應(yīng)用效果很好。

現(xiàn)在的冶金技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)非常先進(jìn)，完全可以準(zhǔn)確地控制鋼的成分，包括硼在內(nèi)。所以生產(chǎn)出硼含量穩(wěn)定而且分布均勻，組織、性能優(yōu)良的硼鋼已經(jīng)不存在什么問題。

(2)壓力加工。硼鋼以微量硼代替大量其他合金元素，故與淬透性相同的其他合金鋼相比合金含量大大降低，在高溫時的變形抗力減小，容易塑性變形，其氧化皮也較松散、易脫落，所以硼鋼易于鍛、軋熱加工，對加工設(shè)備、工具的磨損、破壞也較小。

但是硼鋼的熱加工工藝仍有認(rèn)真選擇和控制的必要。比如加熱溫度不宜過高，加熱時間盡量縮短，以盡量減少脫硼，同時也是為了減小晶界硼相的析出濃度。在較低溫度下變形，對硼鋼獲得較高淬透性和較小晶粒度是有幫助的。另外熱加工變形量對硼鋼沖擊韌性有較大影響，變形程度越高，硼在鋼中的分布越均勻，晶界硼相的鏈狀分布容易被破壞，對鋼的性能越有好處。

(3)熱處理。硼鋼最適宜在淬火、回火后使用，而且必須淬透，否則不但不能發(fā)揮硼提高淬透性的作用，而且還因硼使未淬透的鋼材心部產(chǎn)生針狀鐵素體而惡化力學(xué)性能、所以硼鋼的熱處理亦是十分重要的。

淬火前最好預(yù)先正火以得到盡可能多的固溶硼。淬火溫度不宜過高，冷卻速度要足夠大，以盡量減少硼冶金金屬相的數(shù)量和粒度。多量和大尺寸的硼相會降低硼鋼的韌性，即所謂的“硼脆”。

硼對鋼的抗回火軟化能力無影響。與淬透性相當(dāng)?shù)钠渌辖痄撓啾龋痄摰目够鼗疖浕芰^低，故為獲得相同的強(qiáng)度，硼鋼的回火溫度應(yīng)適當(dāng)降低(與鉻鉬鋼相比，可低20～50℃)，回火時間也要短些。另外，硼還使回火脆化傾向略有增加，對此也應(yīng)注意。

硼鋼屬于細(xì)晶粒鋼。如果熱加工制度選擇適當(dāng)，亦可以利用鍛后余熱直接淬火，不會因晶粒粗化而出現(xiàn)問題。硼不降低馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(M_s點(diǎn))，故相當(dāng)于低碳低合金鋼的硼鋼的慪比淬透性相當(dāng)?shù)你t鉬鋼高很多，淬火中首批形成的馬氏體在隨后的冷卻過程中即被回火。所以一些硼鋼淬火后并非必須回火，特別是碳含量低于0.25％的硼鋼。這樣就大大簡化了熱處理工藝。

只要硼鋼鋼材能被淬透，回火后即可得到較好的綜合力學(xué)性能，而且在整個截面上比較均勻。這是因為淬火得到完全馬氏體組織，回火馬氏體保證鋼有良好的強(qiáng)度和韌性。另外，硼能強(qiáng)烈抑制鐵素體轉(zhuǎn)變，因而可極大地提高貝氏體的淬透性，某些情況下可經(jīng)空冷得到完全貝氏體組織。

(4)切削加工及焊接。硼鋼經(jīng)正火或退火后硬度較低，切削加工性能也較好。焊接性也因硼鋼的碳當(dāng)量比淬透性相當(dāng)?shù)钠渌辖痄摰投忻黠@改善。

分類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、彈簧硼鋼等。

合金結(jié)構(gòu)硼鋼主要包括調(diào)質(zhì)硼鋼、表面處理硼鋼和冷變形硼鋼。

(1)調(diào)質(zhì)硼鋼。這類鋼經(jīng)過淬火和高溫回火(或不回火)處理。具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性等，可用于汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床、礦山機(jī)械、電站設(shè)備等，制造各種軸類、凸輪、鍵、拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、履帶板、耐磨件等。這類鋼的碳含量在0.25％以上，除去單獨(dú)加硼的硼系外，還有錳硼、鉻硼、錳鈦硼、錳釩硼、鉻錳硼、鉻鉬釩硼、鎳鉻鉬釩硼等多種系列。典型鋼號有40MnB、40CrB、40CrMnB、40CrMnMoVB等。

(2)表面處理硼鋼。主要是滲碳硼鋼：其碳含量低(一般低于0.25％)，這類鋼滲碳性能較好，滲碳層不會形成大量殘余奧氏體因而可得到高硬度、高耐磨性和良好抗疲勞性能，而且缺口敏感性較小。但是滲碳后淬火變形大，缺乏規(guī)律，降低滲碳件的形狀、尺寸精度，影響其使用壽命，曾經(jīng)妨礙滲碳硼鋼在齒輪制造上的應(yīng)用。近來這一問題已經(jīng)逐漸得到解決，因而其應(yīng)用也逐漸增多。如德國用16MnCr5B、20MnCr5B等硼鋼制造汽車變速箱齒輪，淬透性帶寬可控制在HRC4～5，保證齒輪精度及各項性能。美國、日本、俄羅斯等國也開發(fā)了一些新滲碳硼鋼制造齒輪、這種齒輪鋼具有變形小、性能好等優(yōu)點(diǎn)，有的還可快速滲碳、高溫滲碳、碳氮共滲等。

(3)冷變形硼鋼。主要用于制造螺栓等各類緊固件，可代替原用的中碳鋼、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，提高生產(chǎn)率，降低成本，而且性能優(yōu)良。這類鋼的碳含量一般低于0.25％，除硼外還可加入其他合金元素，主要為錳硼系，還有鉻硼、錳鉻硼系，有的還加入釩、鎳、銅等元素。最早的鋼號是美國的Q-Temp系列，現(xiàn)在美、日、英、俄等國都有許多冷變形用硼鋼牌號，熱處理后鞏可達(dá)到1400MPa以上，ψ>50％，韌性亦很好，已大量制造各種螺栓類零件，特別是汽車、拖拉機(jī)、建筑業(yè)等需要的高強(qiáng)度螺栓。

低合金高強(qiáng)度硼鋼加硼可有效改善低合金高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)韌性，甚至成分簡單的錳一硼鋼(1.5Mn)淬火和回火后脆性轉(zhuǎn)變溫度亦低于-80℃，強(qiáng)度超過600MPa。若再添加少量鉻、鎳、鉬、釩、鈮、銅等合金元素，綜合力學(xué)性能更好，特別是韌性、焊接性能、成形性優(yōu)良，所以用途很廣泛，可以制造壓力容器、運(yùn)輸車輛、橋梁、電站等需要的鋼板、鋼管、鍛件。

最早的低合金高強(qiáng)度鋼鋼號是美國的784MPa級T-1系列，13個牌號，其成分：0.10％～0.20％碳，0.6％～1.00％錳，0.40％～0.80％鉻，0.70％～1.00％鎳，0.40％～0.60％鉬，0.03％～0.10％釩，0.15％～0.50％銅及硼。因碳低又含有多種合金元素，綜合力學(xué)性能(調(diào)質(zhì)處理后σ_b≈900MPa)、抗蝕性能都好。其后各國都推出一些低合金高強(qiáng)度硼鋼，如在T-1系列鋼基礎(chǔ)上降低合金元素含量的T-1-A、T-1-B級鋼及14MnMoVBRE、12MnNiCrMoVCuB、14MnMoNbB等。

低合金高強(qiáng)度硼鋼的近來發(fā)展主要是成分調(diào)整、改進(jìn)性能、加大鋼材尺寸等。如通過降低碳及某些合金元素含量，減小焊接裂紋敏感性；也可加鈣、降硫、防止應(yīng)力裂紋。

作為低合金高強(qiáng)度硼鋼的含硼空冷貝氏體鋼有新的進(jìn)展。除50年代首出于英國人皮克林(PickeringP.B.)等的鉬硼系之外，70年代初中國學(xué)者方鴻生等發(fā)明了錳硼系。以錳代鉬，經(jīng)濟(jì)效益顯著，故發(fā)展很快，現(xiàn)已有低碳、中碳、中高碳系列10余個牌號，一些產(chǎn)品已工業(yè)生產(chǎn)。產(chǎn)品有耐磨鋼球、耐磨鑄鋼件、塑料模具、軸類、連桿、彈簧等，用于冶金、礦山、機(jī)械、建材、電力、化工、汽車等領(lǐng)域。

含硼彈簧鋼彈簧鋼中加硼原來也主要是利用硼提高淬透性的作用，保證鋼材整個截面淬透，使彈簧具有良好的力學(xué)及疲勞等性能。鋼號有60CrMnB、55SiMnVB、55Si2MnB等。但是近些年來的研究發(fā)現(xiàn)，硼還能改善鋼的抗彈性減退性能。鋼的彈性減退抗力提高，制成彈簧的允許設(shè)計應(yīng)力即可增加，從而可減小彈簧的尺寸、重量。據(jù)此已經(jīng)研究出一些彈減抗力優(yōu)良的含硼新彈簧鋼，美、日等國都有這類鋼，特別適宜制汽車螺旋彈簧，如RK360、ND250S，設(shè)計應(yīng)力都超過1200MPa，可制高應(yīng)力彈簧。

展望硼鋼所具有的優(yōu)越性是明顯的。硼資源豐富、價格便宜而且在鋼中含量極少，在供應(yīng)上不存在問題；用以代替貴重的合金元素不僅可緩和資源供應(yīng)的緊張狀況，而且經(jīng)濟(jì)上亦合算；硼鋼在各種性能上(如力學(xué)性能，熱加工、熱處理、焊接等工藝性能)也具有優(yōu)勢，是名副其實的物美價廉的材料。在日益激化的資源競爭、商品市場競爭中，硼鋼的生產(chǎn)、應(yīng)用、研究工作還將不斷發(fā)展、擴(kuò)大。今后硼鋼在不需熱處理或簡化熱處理的鋼板、棒材、高強(qiáng)度薄板方面的應(yīng)用將增加，特別體現(xiàn)在汽車用材方面。硼在鋼中其他作用如提高高溫性能、改善彈減抗力，利用氮化硼以提高鐵素體在奧氏體內(nèi)的形核率等，今后將深入細(xì)致地研究，并逐漸擴(kuò)大在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。