王向成
(武鋼技術(shù)中心湖北武漢430081)
摘 要:介紹了日本、韓國(guó)、歐洲和國(guó)內(nèi)近年來(lái)在新一代鋼鐵材料方面的研究進(jìn)展情況,并對(duì)日本在800MPa超細(xì)晶粒鋼、1500MPa超高強(qiáng)度鋼、耐熱鋼、耐腐蝕鋼等的研究成果和將來(lái)的研究項(xiàng)目進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
關(guān)鍵詞:新一代鋼鐵材料;超細(xì)晶粒鋼;超高強(qiáng)度鋼;耐熱鋼;耐腐蝕鋼
1.1.3 耐熱鋼
將鐵素體系耐熱鋼的使用溫度極限從600℃提高到650℃是本研究的目標(biāo)。藉此可以使全日本的CO2排放量減少3%。其課題是如何大幅度地提高蠕變強(qiáng)度、抗氧化性和焊接接頭性能等。
關(guān)于提高材料的蠕變強(qiáng)度問(wèn)題,值得一提的是發(fā)現(xiàn)以前的鐵素體系耐熱鋼蠕變強(qiáng)度低的原因,就在于晶界附近的馬氏體組織的優(yōu)先回復(fù),并且這一現(xiàn)象在600℃以上時(shí)將變得更為顯著。這樣,就給650℃級(jí)材料的開(kāi)發(fā)找到了方向,就是在進(jìn)行材料設(shè)計(jì)時(shí),一定要使晶界附近的強(qiáng)化組織能長(zhǎng)時(shí)間維持?；谶@一認(rèn)識(shí),他們選擇了兩條路線,一條是利用B元素容易在晶界偏析的特點(diǎn),用偏析的B來(lái)穩(wěn)定晶界附近的碳化物的方法;另一條則是利用在晶內(nèi)和晶界附近都能均勻微細(xì)析出的金屬間化合物的方法。用B強(qiáng)化的9%Cr鐵素體系耐熱鋼,其650℃的蠕變壽命竟達(dá)到了原有鋼的10倍以上。
關(guān)于焊接接頭性能,首先,他們找出了造成焊接接頭強(qiáng)度降低的原因在于所謂的“4型斷裂”,而這種“4型斷裂”發(fā)生在焊接熱影響區(qū)所形成的細(xì)晶粒組織區(qū),因此,要提高焊接接頭的強(qiáng)度,就必須使該區(qū)域的晶界附近的組織的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性比母材更高。并且在焊接技術(shù)方面,也開(kāi)展了研究,通過(guò)縮小焊接熱影響區(qū)的寬度,預(yù)計(jì)可以使壽命提高1倍。至于在高溫水蒸汽中的抗氧化性問(wèn)題,采取經(jīng)預(yù)處理使鋼能預(yù)先形成一層很薄的Cr氧化膜的方法,使抗氧化性得到飛躍性的提高。這樣,在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究中,就已大體弄清了650℃級(jí)鋼所需要解決的提高蠕變強(qiáng)度、抗氧化性和焊接接頭性能等的指導(dǎo)原理。
1.1.4 耐腐蝕鋼
該課題的目的是研發(fā)出在海水中能使用的省資源型不銹鋼和在海濱大氣環(huán)境下不經(jīng)涂層和鍍層處理就能使用的低合金耐候鋼,建立其焊接技術(shù)和使用性能評(píng)價(jià)技術(shù)。
在不銹鋼的研究中,目標(biāo)是研發(fā)出一種少Ni、高耐蝕性的高N鋼。以前的高N鋼是通過(guò)添加較多Mn來(lái)提高N的溶解度的,但這樣做就不能獲得好的耐蝕性。
在該研究中,采用了日本第一臺(tái)加壓ESR裝置,其最大氮?dú)鈮毫_(dá)5MPa。利用該裝置,在不加Mn的情況下,成功地試制出了含N達(dá)1.3%的不銹鋼,這一含量大大高于以前的高N鋼。經(jīng)確認(rèn),這種不銹鋼的性能足以與鈦材相媲美,它具有非常優(yōu)良的耐蝕性,并可望在高強(qiáng)度鋼領(lǐng)域和無(wú)Ni不銹鋼領(lǐng)域得到進(jìn)一步的發(fā)展。高N鋼在焊接時(shí)容易發(fā)生氣孔,針對(duì)這一點(diǎn),又開(kāi)發(fā)出了能抑制氣孔生成的焊縫材料。
在耐候鋼的研究方面,目標(biāo)是研制出能節(jié)省資源和能與環(huán)境相親和的耐候鋼來(lái)作為下一代耐候鋼。他們的研究首先是從弄清楚現(xiàn)在的耐候鋼的主要構(gòu)成元素Ni或P、Mo等何以能形成穩(wěn)定的銹和它們影響腐蝕現(xiàn)象的機(jī)理開(kāi)始的?，F(xiàn)已判明,Ni是由于有細(xì)化銹粒子的效果而有助于提高耐候性的;P、Mo等則是因?yàn)槟苄纬珊跛犭x子,具有抑制陽(yáng)極腐蝕的效果,所以才有助于提高耐候性的。沿著這一思路,設(shè)計(jì)了一些新合金鋼,這些新合金鋼添加了可望具有同樣效果的Al、Si、W等元素,正在進(jìn)行暴露試驗(yàn),并已獲得了一些預(yù)料中的效果。
另外,在耐候鋼的研究中,基于暴露試驗(yàn)是一切工作的出發(fā)點(diǎn)的認(rèn)識(shí),在室外暴露場(chǎng)按結(jié)構(gòu)件的不同部位,以10種以上的環(huán)境條件(溫度、濕度等)進(jìn)行觀測(cè),并制作了能長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)定材料大氣腐蝕行為的設(shè)備,設(shè)置在筑波、銚子、宮古島等地,正在獲得有助于確立加速(腐蝕)試驗(yàn)法和制訂新材料開(kāi)發(fā)指導(dǎo)方針的寶貴數(shù)據(jù)。
1.2 后5年的項(xiàng)目研究構(gòu)想
在新一代鋼鐵材料研究中,日本從1999年起,就開(kāi)始有一些研究成果陸陸續(xù)續(xù)報(bào)道出來(lái)。同時(shí),“產(chǎn)官學(xué)”的研究者也開(kāi)始聯(lián)手研究后5年的構(gòu)想。
在今后的5年,將由實(shí)驗(yàn)室水平進(jìn)入到開(kāi)展以工業(yè)化為目標(biāo)的基礎(chǔ)研究階段,研究的焦點(diǎn)是謀劃出一個(gè)方案,即:用強(qiáng)度和壽命都成倍提高的超級(jí)鋼制成什么樣的結(jié)構(gòu)體來(lái)貢獻(xiàn)于社會(huì)。同時(shí),還研究了在前5年的研究中所積累起來(lái)的能力如何在今后的鋼鐵材料的研究中充分發(fā)揮作用的問(wèn)題。對(duì)前5年研究所產(chǎn)生的系列技術(shù)加以歸納總結(jié),決定將用超級(jí)鋼建造的結(jié)構(gòu)件落實(shí)到“城市新的基礎(chǔ)設(shè)施”和“高效燃煤火力發(fā)電成套設(shè)備”這兩個(gè)項(xiàng)目上。具體的研究推進(jìn)要點(diǎn)如下。
(1)以“研制出能進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和設(shè)計(jì)創(chuàng)新的超級(jí)鋼”和“提出能充分發(fā)揮超級(jí)鋼材料性能特征的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案”為目標(biāo),開(kāi)展各項(xiàng)研究工作。
(2)在超級(jí)鋼材料的研究中,有以下兩個(gè)目標(biāo):①充分利用強(qiáng)度倍增、壽命倍增的系列技術(shù),研制出上述強(qiáng)度倍增、壽命倍增的4種超級(jí)鋼材料;②能生產(chǎn)出大尺寸或?qū)嶋H部件形狀的超級(jí)鋼材料,弄清其研制原理。
為此,具體地設(shè)定了以下課題,在進(jìn)行研究時(shí)將結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和設(shè)計(jì)創(chuàng)新的實(shí)模擬體的制造和評(píng)價(jià)也考慮在內(nèi)。
在以城市新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為目標(biāo)的超級(jí)鋼研究課題方面,將開(kāi)展以下研究:
(1)800MPa級(jí)超細(xì)晶粒高強(qiáng)度、高耐蝕性厚鋼板的開(kāi)發(fā),其中心課題是高耐候性鋼和超細(xì)晶粒化技術(shù)的開(kāi)發(fā);找到厚板規(guī)格下實(shí)現(xiàn)超細(xì)晶粒的方法。
(2)可與鈦材料媲美的超級(jí)高氮不銹鋼的開(kāi)發(fā),其中心課題是成分的優(yōu)化和能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的高氮鋼研制技術(shù)的開(kāi)發(fā)。
(3)2000MPa級(jí)螺栓鋼的開(kāi)發(fā)及使用性能評(píng)價(jià)方法的建立,其中心課題是工業(yè)上能實(shí)現(xiàn)的理想的馬氏體組織的獲得方法的研究;建立延遲破壞特性評(píng)價(jià)方法。
(4)高強(qiáng)度耐熱鋼(650℃•350氣壓USC成套設(shè)備的制造),其中心課題是從改善蠕變強(qiáng)度的觀點(diǎn)出發(fā)優(yōu)化鋼的成分、研究提高抗氧化性的方法;建立加速蠕變?cè)囼?yàn)評(píng)價(jià)方法。
在前期研究中已經(jīng)有所突破的一些領(lǐng)域,如汽車(chē)用高強(qiáng)度鋼等也將逐步納入后期研究。前5年所積累起來(lái)的許多技術(shù)系列、學(xué)術(shù)上的新發(fā)現(xiàn)、納米材料性能解析儀等獨(dú)創(chuàng)性研究?jī)x器群、20kWCO2氣體激光器所代表的日本唯一的大型儀器群以及產(chǎn)、學(xué)、官體制下集結(jié)起來(lái)的人才、網(wǎng)絡(luò)等如何更好地為今后日本的鋼鐵材料研究的發(fā)展作出貢獻(xiàn)等也是后5年所要研究的課題。
值得指出的是,在日本,率先在現(xiàn)役軋機(jī)上軋出3μm超細(xì)晶粒鋼的并不是傳統(tǒng)的6個(gè)大鋼鐵公司(新日鐵、NKK、川崎制鐵、住友金屬、神戶制鋼、日新制鋼) ,而是中山制鋼廠,他們通過(guò)用單驅(qū)動(dòng)異徑輥軋機(jī)連續(xù)而反復(fù)地對(duì)鋼板進(jìn)行大壓下軋制和用層流冷卻裝置實(shí)施強(qiáng)冷卻,終于在2001年11月1日軋出了晶粒直徑在2～5μm的超細(xì)晶粒鋼,其抗張強(qiáng)度達(dá)到500～600MPa ,韌性、加工性、焊接性兼優(yōu),并具備良好的抗疲勞特性。所謂單驅(qū)動(dòng)異徑輥軋機(jī),就是在熱精軋機(jī)組的后3 機(jī)架上只驅(qū)動(dòng)上、下工作輥中的一個(gè)輥,且上下工作輥的直徑不同。
——本文摘自《中國(guó)金相分析網(wǎng)》
新一代鋼鐵材料研究的進(jìn)展（三）
發(fā)布時(shí)間：2011年03月16日 點(diǎn)擊數(shù)：
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