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（w(B)＝0.0005%～0.0050%），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，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。為此，筆者將硼鋼從煉鋼到連鑄方面的控制技術(shù)進(jìn)行了分析和總結(jié)，希望能為煉鋼工作者提供一些參考或借鑒。

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，過低或過高均不能產(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。鋼水凝固過程中在內(nèi)部樹枝晶界位置除了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，通過原位分析表明，硼在晶粒邊界和樹枝晶區(qū)發(fā)生偏析。通過模擬建立的Fe－B相圖來看，重熔后的鋼水熔點(diǎn)低，溫度可保持在1120℃～1170℃。由此可見，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。筆者認(rèn)為，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)。

國(guó)內(nèi)外硼鋼冶煉工藝控制側(cè)重點(diǎn)不同

從目前的研究分析來看，冶煉硼鋼需要在爐外精煉和連鑄過程中加以控制。精煉中要做到有效地脫氧定氮，防止生成硼的氧化物和氮化物，以提高硼的收得率；連鑄中為了防止硼的偏析和低熔點(diǎn)Fe－B相導(dǎo)致的鑄坯缺陷，關(guān)鍵是要控制好鋼水的凝固冷卻。從目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，國(guó)外更注重鋼水凝固過程的控制，認(rèn)為硼的偏析和鋼水重熔是導(dǎo)致鑄坯缺陷的重要原因，而國(guó)內(nèi)則側(cè)重于精煉中對(duì)氧和氮含量的控制。

國(guó)外冶煉含硼鋼的關(guān)鍵技術(shù)。為了提高硼的收得率，在加入硼前應(yīng)先加入與氧、氮結(jié)合力更強(qiáng)的鋁、鈦、鋯等元素，即先加鋁脫氧，再加鈦等定氮。有研究指出，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)械加工性能變差，而且TiN很穩(wěn)定，一旦形成就幾乎不再變化，難以起到進(jìn)一步平衡、穩(wěn)定酸溶硼含量的作用。為此，國(guó)外鋼廠研究了只用鋁不用鈦的冶煉硼鋼的方法，也有鋼廠將含有硼和鋁、鈦、鋯、錳、硅等多種元素的復(fù)合硼鐵合金一次性加入，實(shí)際應(yīng)用效果較好。

日本住友金屬公司在生產(chǎn)w(B)≥0.1%的不銹鋼時(shí)，為了防止鑄坯表面產(chǎn)生縱向裂紋，關(guān)鍵技術(shù)是控制中間包內(nèi)鋼水過熱度在30℃以下，使鋼水在較低溫度下澆鑄，更有利于加速鋼水的凝固。

新日鐵冶煉低碳含硼易切削鋼的措施是控制進(jìn)入LF精煉前鋼水中溶解氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.02%，或者控制鋼水中夾雜物w（MnO）≤30%，因?yàn)樯傻姆墙饘賷A雜物MnO和B2O3在連鑄時(shí)會(huì)黏附在滑板上而造成腐蝕。為了使鑄坯表面和皮下的奧氏體顆粒邊界不會(huì)出現(xiàn)晶粒內(nèi)裂紋，新日鐵控制連鑄結(jié)晶器末端凝固殼厚度在7mm～10mm，二冷區(qū)冷卻速度控制在100℃/ｓ，直至鑄坯表面角部以下0.5mm～2mm深度的溫度達(dá)到1000℃，此時(shí)能夠減少M(fèi)nS和BN沿著奧氏體顆粒邊界的大量沉積，防止鑄坯在彎曲和矯直位置產(chǎn)生表面裂紋。

浦項(xiàng)制鐵研究了連鑄二次冷卻和氮含量對(duì)含硼鋼熱延展性的影響后發(fā)現(xiàn)，在快速冷卻和重新加熱到應(yīng)變溫度時(shí)會(huì)使鋼的熱延展性變差，認(rèn)為此時(shí)會(huì)形成大量的BN固體而沉積。而且氮含量高時(shí)，沉積的BN會(huì)隨機(jī)分布在優(yōu)先生成的奧氏體內(nèi)，特別是在奧氏體顆粒邊界。因此，在板坯凝固后的二冷段，當(dāng)溫度在1000℃以下時(shí)，為避免過快冷卻，在連鑄、軋制的過冷和再加熱的幅度不能過大。

我國(guó)冶煉硼鋼的工藝特點(diǎn)。我國(guó)鋼鐵工業(yè)對(duì)冶煉硼鋼的研究取得了較大的進(jìn)展。寶鋼采用電爐配連鑄設(shè)備生產(chǎn)的40CrB高淬透性鋼管化學(xué)成分穩(wěn)定、夾雜物數(shù)量少，管坯生產(chǎn)的鋼管尺寸精度高、表面質(zhì)量好。武鋼生產(chǎn)的冷鐓用鈮、釩復(fù)合微合金化低碳硼鋼，控制鋼中微合金元素，在強(qiáng)化鋼種的同時(shí)，保證低碳硼鋼的綜合性能。首鋼在冶煉含硼低碳鋼時(shí)，針對(duì)鋼中成分對(duì)硼收得率的影響展開了研究，發(fā)現(xiàn)如果不采用鋁對(duì)鋼水脫氧，硼的收得率就會(huì)受硅含量影響，因?yàn)殇撝醒趸疃戎饕晒韬靠刂?。?dāng)硅含量增加時(shí)，通過其降低氧活度的作用會(huì)使硼的收得率提高。萊鋼生產(chǎn)含硼鋼在鋼水加硼前，經(jīng)過脫氧去氣后，硼回收率穩(wěn)定在90%以上，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)同一含硼鋼種，爐與爐之間鋼水成分w(B)偏差小于0.0002%。

含量和工藝控制研究是未來發(fā)展方向

在硼鋼生產(chǎn)中，工藝和硼含量控制不好會(huì)帶來諸多問題。例如淬透性不好，導(dǎo)致強(qiáng)度、硬度出現(xiàn)波動(dòng)等。雖然可以在煉鋼中調(diào)整鈦的添加量來改善這些問題，但值得注意的是，一般合金元素提高淬透性的效果隨其在鋼中含量增加而提高，而硼元素卻有一個(gè)最佳含量。硼含量較多時(shí)，硼相沿晶界片狀連續(xù)沉淀，會(huì)減弱硼鋼的沖擊韌性。一般認(rèn)為0.0005%～0.0020%的酸溶硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳，精煉中可提高硼的收得率，并且硼的加入量較為穩(wěn)定。由此可見，今后硼鋼冶煉技術(shù)的研究方向是保證穩(wěn)定地以最小范圍的硼的添加量來獲得所需含量的酸溶硼，并且均勻地分布在鋼中。在連鑄中作好冷卻過程的控制，對(duì)鋼水開始凝固的階段和溫度下降到1000℃以下時(shí)的冷卻制度可以進(jìn)行深入研究。未來也可在高級(jí)別管線鋼等高附加值鋼中研究硼的應(yīng)用。

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