王向成
(武鋼技術(shù)中心湖北武漢430081)
摘 要:介紹了日本、韓國、歐洲和國內(nèi)近年來在新一代鋼鐵材料方面的研究進展情況,并對日本在800MPa超細晶粒鋼、1500MPa超高強度鋼、耐熱鋼、耐腐蝕鋼等的研究成果和將來的研究項目進行了詳細介紹。
關(guān)鍵詞:新一代鋼鐵材料;超細晶粒鋼;超高強度鋼;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。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度、抗氧化性和焊接接頭性能等。
關(guān)于提高材料的蠕變強度問題,值得一提的是發(fā)現(xiàn)以前的鐵素體系耐熱鋼蠕變強度低的原因,就在于晶界附近的馬氏體組織的優(yōu)先回復,并且這一現(xiàn)象在600℃以上時將變得更為顯著。這樣,就給650℃級材料的開發(fā)找到了方向,就是在進行材料設(shè)計時,一定要使晶界附近的強化組織能長時間維持?；谶@一認識,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,用偏析的B來穩(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析出的金屬間化合物的方法。用B強化的9%Cr鐵素體系耐熱鋼,其650℃的蠕變壽命竟達到了原有鋼的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)所形成的細晶粒組織區(qū),因此,要提高焊接接頭的強度,就必須使該區(qū)域的晶界附近的組織的長時間穩(wěn)定性比母材更高。并且在焊接技術(shù)方面,也開展了研究,通過縮小焊接熱影響區(qū)的寬度,預計可以使壽命提高1倍。至于在高溫水蒸汽中的抗氧化性問題,采取經(jīng)預處理使鋼能預先形成一層很薄的Cr氧化膜的方法,使抗氧化性得到飛躍性的提高。這樣,在實驗室規(guī)模的研究中,就已大體弄清了650℃級鋼所需要解決的提高蠕變強度、抗氧化性和焊接接頭性能等的指導原理。
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)和使用性能評價技術(shù)。
在不銹鋼的研究中,目標是研發(fā)出一種少Ni、高耐蝕性的高N鋼。以前的高N鋼是通過添加較多Mn來提高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,采用了日本第一臺加壓ESR裝置,其最大氮氣壓力達5MPa。利用該裝置,在不加Mn的情況下,成功地試制出了含N達1.3%的不銹鋼,這一含量大大高于以前的高N鋼。經(jīng)確認,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,并可望在高強度鋼領(lǐng)域和無Ni不銹鋼領(lǐng)域得到進一步的發(fā)展。高N鋼在焊接時容易發(fā)生氣孔,針對這一點,又開發(fā)出了能抑制氣孔生成的焊縫材料。
在耐候鋼的研究方面,目標是研制出能節(jié)省資源和能與環(huán)境相親和的耐候鋼來作為下一代耐候鋼。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)象的機理開始的。現(xiàn)已判明,Ni是由于有細化銹粒子的效果而有助于提高耐候性的;P、Mo等則是因為能形成含氧酸離子,具有抑制陽極腐蝕的效果,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,正在進行暴露試驗,并已獲得了一些預料中的效果。
另外,在耐候鋼的研究中,基于暴露試驗是一切工作的出發(fā)點的認識,在室外暴露場按結(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)進行觀測,并制作了能長期連續(xù)測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)試驗法和制訂新材料開發(fā)指導方針的寶貴數(shù)據(jù)。
1.2 后5年的項目研究構(gòu)想
在新一代鋼鐵材料研究中,日本從1999年起,就開始有一些研究成果陸陸續(xù)續(xù)報道出來。同時,“產(chǎn)官學”的研究者也開始聯(lián)手研究后5年的構(gòu)想。
在今后的5年,將由實驗室水平進入到開展以工業(yè)化為目標的基礎(chǔ)研究階段,研究的焦點是謀劃出一個方案,即:用強度和壽命都成倍提高的超級鋼制成什么樣的結(jié)構(gòu)體來貢獻于社會。同時,還研究了在前5年的研究中所積累起來的能力如何在今后的鋼鐵材料的研究中充分發(fā)揮作用的問題。對前5年研究所產(chǎn)生的系列技術(shù)加以歸納總結(jié),決定將用超級鋼建造的結(jié)構(gòu)件落實到“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”這兩個項目上。具體的研究推進要點如下。
(1)以“研制出能進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和設(shè)計創(chuàng)新的超級鋼”和“提出能充分發(fā)揮超級鋼材料性能特征的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方案”為目標,開展各項研究工作。
(2)在超級鋼材料的研究中,有以下兩個目標:①充分利用強度倍增、壽命倍增的系列技術(shù),研制出上述強度倍增、壽命倍增的4種超級鋼材料;②能生產(chǎn)出大尺寸或?qū)嶋H部件形狀的超級鋼材料,弄清其研制原理。
為此,具體地設(shè)定了以下課題,在進行研究時將結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和設(shè)計創(chuàng)新的實模擬體的制造和評價也考慮在內(nèi)。
在以城市新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為目標的超級鋼研究課題方面,將開展以下研究:
(1)800MPa級超細晶粒高強度、高耐蝕性厚鋼板的開發(fā),其中心課題是高耐候性鋼和超細晶粒化技術(shù)的開發(fā);找到厚板規(guī)格下實現(xiàn)超細晶粒的方法。
(2)可與鈦材料媲美的超級高氮不銹鋼的開發(fā),其中心課題是成分的優(yōu)化和能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的高氮鋼研制技術(shù)的開發(fā)。
(3)2000MPa級螺栓鋼的開發(fā)及使用性能評價方法的建立,其中心課題是工業(yè)上能實現(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價方法。
(4)高強度耐熱鋼(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度的觀點出發(fā)優(yōu)化鋼的成分、研究提高抗氧化性的方法;建立加速蠕變試驗評價方法。
在前期研究中已經(jīng)有所突破的一些領(lǐng)域,如汽車用高強度鋼等也將逐步納入后期研究。前5年所積累起來的許多技術(shù)系列、學術(shù)上的新發(fā)現(xiàn)、納米材料性能解析儀等獨創(chuàng)性研究儀器群、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、官體制下集結(jié)起來的人才、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)役軋機上軋出3μm超細晶粒鋼的并不是傳統(tǒng)的6個大鋼鐵公司(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,他們通過用單驅(qū)動異徑輥軋機連續(xù)而反復地對鋼板進行大壓下軋制和用層流冷卻裝置實施強冷卻,終于在2001年11月1日軋出了晶粒直徑在2～5μm的超細晶粒鋼,其抗張強度達到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)動異徑輥軋機,就是在熱精軋機組的后3 機架上只驅(qū)動上、下工作輥中的一個輥,且上下工作輥的直徑不同。
——本文摘自《中國金相分析網(wǎng)》
新一代鋼鐵材料研究的進展（三）
發(fā)布時間：2011年03月16日 點擊數(shù)：
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