摘 要:介绍了日本、韩国、欧洲和国内近年来在新一代钢铁材料方面的研究进展情况,并对日本在800MPa超细晶粒钢、1500MPa超高强度钢、耐热钢、耐腐蚀钢等的研究成果和将来的研究项目进行了详细介绍。

关键词:新一代钢铁材料;超细晶粒钢;超高强度钢;耐热钢;耐腐蚀钢

目前,国际上新一代钢铁材料的研究非常活跃,日本、韩国和欧洲多国均投巨资开展研究,并已取得了重大进展。我国新一代钢铁材料的研究起步虽然稍晚,但势头很好,前景可期。

 1 国外研究现状和进展

日本是最先开展新一代钢铁材料研究的国家,韩国、欧洲紧跟其后。90年代中期开始着手新一代钢铁材料的研究,经过两年的前期准备后,从1997年4月正式推出了新一代钢铁材料研究项目———STX-21(亦称超级钢项目)。该项目由金属材料研究开发中心(JRCM)与新日铁、NKK、川崎制铁、住友金属、神户制钢等钢铁企业、大专院校、研究院所共同进行研究,形成所谓的产官学共同研发的体制。

日本STX-21项目要同时实现的4个目标是:实用强度提高一倍;结构体寿命增加一倍;总成本降低;环境负担度减少。该项目的最终目标是确立一种具有均匀的多相组织,晶粒直径在1μm以下,板厚在1mm以上的超细晶粒组织钢的生产技术。

基于钢铁材料只有在变成了结构件或结构部件后才能实现目的的这一认识,日本在进行该项目的研究时,不是只停留在单纯的材料开发上,而是同时研究用焊接等方法将材料结合成结构体的技术,以及能实际证明该结构部件具有耐使用性能的评价技术。

    1.1 日本STX-21项目研究前5年的进展和成果

日本在1997年4月～2002年4月的第一期研究中,取得了表1所示的成果,在国内外发表的研究文章数分别为395篇和341篇,申请专利件数国内119件,国际78件。

在STX-21项目的研究中,作为具体的课题,在将材料强度提高1倍的研究方面分为:①容易焊接、不使用合金元素的焊接结构用800MPa超细晶粒钢的开发;②以采用新的螺栓接头取代焊接接头和减轻汽车车身重量为目标的1500MPa超级钢的开发。在增加结构体寿命1倍的材料开发方面,则分为:①能将燃煤火力发电的能源效率提高5%的高强度铁素体系耐热钢的开发;②海滨和海洋环境中使用的少Ni高耐蚀性不锈钢和无Ni耐大气腐蚀钢的开发。

    1.1.1 800MPa超细晶粒钢的开发

    作为不添加合金元素、容易焊接的800MPa超细晶粒钢的研发方法,以相当于SS40钢成分的w(C)0.15%、w(Si)0.3%、w(Mn)1.5%的钢为基本材料,采用了使其晶粒直径超微细化到1μm以下的方法。

在晶粒直径1μm钢的研究方面,日本采用两种方法均获得成功。一种是相变法,就是利用热轧工序中钢由奥氏体向铁素体相变过程而进行的细化。另一种是再结晶法,是在热轧工序中生成铁素体后,对该铁素体进行加工使之发生再结晶而细化晶粒的方法。接着,利用实验和计算相结合的方法,进行了生产条件(轧制量、温度、变形等)的定量化,并探讨了具体实现这些条件的加工技术,得出的加工技术方案的关键在于从多个方向连续地对材料进行加工。

沿着该方案,先后成功地在23m长的18mm×18mm条钢和12mm厚×60mm宽的钢板中实现了0.5μm的超细晶粒直径。经确认,该材料的抗张强度为800MPa,均匀延伸达7%,夏比试验的断口转变温度达到-200℃。

在研制超细晶粒钢的同时,研究了能尽量缩小焊接热影响区,制作出厚25mm的健全接头的焊接方法,开发出了脉冲调制CO2激光焊接法和任意波形控制脉冲电弧焊接法。这两种方法目前在厚20mm以内都能满足无焊接缺陷、高效率、高速度的基本要求,热影响区宽度很窄,仅在0.5～2mm范围,能最大限度地抑制对母材组织的破坏。

同时进行的还有提高结构件性能的研究。这是由于接头的疲劳强度将会因焊接时发生的拉伸残余应力而显著降低,这样就会使得使用高强度钢板的优点丧失殆尽。他们通过开发出能在较低的温度下发生马氏体相变的焊缝材料,将残余拉应力转换成了压缩性应力,从而成功地将接头疲劳强度提高了1倍以上。

    1.1.2 1500MPa超级钢

为了进一步改善用1500MPa超级钢制作的机械结构部件的强度性能,就要先解决以下两个课题,换言之,就是确立以下两项技术。

(1)能从根本上改善延迟破坏性和疲劳性能的技术;

(2)能保证部件性能的测评技术。

在这个有着很长研究历史的领域里,取得突破的关键是要以纳米尺度来定量地研究回火马氏体钢的组织结构,并定量地测定钢在纳米尺度领域内的力学性能,继而弄清纳米尺度领域影响宏观性能的机理,以期从中找出延迟破坏性和抗疲劳性两者兼优的理想的马氏体组织的形貌。他们创建了利用“原子间力显微镜”定量观测马氏体组织的技术,并研制出了具备纳米组织观察功能的纳米领域力学性能解析装置,并利用它们进行解析,发现回火马氏体钢的高强度完全不是源于大家以前所公认的机理,并发现借助对晶界碳化物组织进行控制,就可以任意改变晶内和晶界的强度平衡。基于这些成果,他们提出了一个新概念,就是能藉以改善延迟破坏性的理想组织乃是“无晶界碳化物的马氏体”。继而,他们对具体实现这一组织的方法进行了摸索和研究,目前,已将延迟破坏临界强度从现有的1200MPa提高到1600MPa。

另一方面,在提高疲劳特性方面,他们谋求在消除氢脆影响的前提下大幅提高抗疲劳性能,并取得了成功,使疲劳强度提高了1倍。在疲劳破坏特性的评价方法的研究中,他们的目标是要提出一种能在实际环境下判定有无发生疲劳破坏的评价方法。作为能统一评价部件尺寸、形状或负荷应力效果的应力参量,首次提出威布尔应力是有效的,决定把“临界氢量—威布尔应力”作为评价基准。并以率先提出世界标准原案为目标,构筑起在全日本协作下推进研究的体制。

    1.1.3 耐热钢

将铁素体系耐热钢的使用温度极限从600℃提高到650℃是本研究的目标。藉此可以使全日本的CO2排放量减少3%。其课题是如何大幅度地提高蠕变强度、抗氧化性和焊接接头性能等。

关于提高材料的蠕变强度问题,值得一提的是发现以前的铁素体系耐热钢蠕变强度低的原因,就在于晶界附近的马氏体组织的优先回复,并且这一现象在600℃以上时将变得更为显著。这样,就给650℃级材料的开发找到了方向,就是在进行材料设计时,一定要使晶界附近的强化组织能长时间维持。基于这一认识,他们选择了两条路线,一条是利用B元素容易在晶界偏析的特点,用偏析的B来稳定晶界附近的碳化物的方法;另一条则是利用在晶内和晶界附近都能均匀微细析出的金属间化合物的方法。用B强化的9%Cr铁素体系耐热钢,其650℃的蠕变寿命竟达到了原有钢的10倍以上。

关于焊接接头性能,首先,他们找出了造成焊接接头强度降低的原因在于所谓的“4型断裂”,而这种“4型断裂”发生在焊接热影响区所形成的细晶粒组织区,因此,要提高焊接接头的强度,就必须使该区域的晶界附近的组织的长时间稳定性比母材更高。并且在焊接技术方面,也开展了研究,通过缩小焊接热影响区的宽度,预计可以使寿命提高1倍。至于在高温水蒸汽中的抗氧化性问题,采取经预处理使钢能预先形成一层很薄的Cr氧化膜的方法,使抗氧化性得到飞跃性的提高。这样,在实验室规模的研究中,就已大体弄清了650℃级钢所需要解决的提高蠕变强度、抗氧化性和焊接接头性能等的指导原理。

    1.1.4 耐腐蚀钢

该课题的目的是研发出在海水中能使用的省资源型不锈钢和在海滨大气环境下不经涂层和镀层处理就能使用的低合金耐候钢,建立其焊接技术和使用性能评价技术。

在不锈钢的研究中,目标是研发出一种少Ni、高耐蚀性的高N钢。以前的高N钢是通过添加较多Mn来提高N的溶解度的,但这样做就不能获得好的耐蚀性。

在该研究中,采用了日本第一台加压ESR装置,其最大氮气压力达5MPa。利用该装置,在不加Mn的情况下,成功地试制出了含N达1.3%的不锈钢,这一含量大大高于以前的高N钢。经确认,这种不锈钢的性能足以与钛材相媲美,它具有非常优良的耐蚀性,并可望在高强度钢领域和无Ni不锈钢领域得到进一步的发展。高N钢在焊接时容易发生气孔,针对这一点,又开发出了能抑制气孔生成的焊缝材料。

在耐候钢的研究方面,目标是研制出能节省资源和能与环境相亲和的耐候钢来作为下一代耐候钢。他们的研究首先是从弄清楚现在的耐候钢的主要构成元素Ni或P、Mo等何以能形成稳定的锈和它们影响腐蚀现象的机理开始的。现已判明,Ni是由于有细化锈粒子的效果而有助于提高耐候性的;P、Mo等则是因为能形成含氧酸离子,具有抑制阳极腐蚀的效果,所以才有助于提高耐候性的。沿着这一思路,设计了一些新合金钢,这些新合金钢添加了可望具有同样效果的Al、Si、W等元素,正在进行暴露试验,并已获得了一些预料中的效果。

另外,在耐候钢的研究中,基于暴露试验是一切工作的出发点的认识,在室外暴露场按结构件的不同部位,以10种以上的环境条件(温度、湿度等)进行观测,并制作了能长期连续测定材料大气腐蚀行为的设备,设置在筑波、铫子、宫古岛等地,正在获得有助于确立加速(腐蚀)试验法和制订新材料开发指导方针的宝贵数据。

    1.2 后5年的项目研究构想

在新一代钢铁材料研究中,日本从1999年起,就开始有一些研究成果陆陆续续报道出来。同时,“产官学”的研究者也开始联手研究后5年的构想。

在今后的5年,将由实验室水平进入到开展以工业化为目标的基础研究阶段,研究的焦点是谋划出一个方案,即:用强度和寿命都成倍提高的超级钢制成什么样的结构体来贡献于社会。同时,还研究了在前5年的研究中所积累起来的能力如何在今后的钢铁材料的研究中充分发挥作用的问题。对前5年研究所产生的系列技术加以归纳总结,决定将用超级钢建造的结构件落实到“城市新的基础设施”和“高效燃煤火力发电成套设备”这两个项目上。具体的研究推进要点如下。

(1)以“研制出能进行结构创新和设计创新的超级钢”和“提出能充分发挥超级钢材料性能特征的结构和设计方案”为目标,开展各项研究工作。

(2)在超级钢材料的研究中,有以下两个目标:①充分利用强度倍增、寿命倍增的系列技术,研制出上述强度倍增、寿命倍增的4种超级钢材料;②能生产出大尺寸或实际部件形状的超级钢材料,弄清其研制原理。

为此,具体地设定了以下课题,在进行研究时将结构创新和设计创新的实模拟体的制造和评价也考虑在内。

在以城市新基础设施建设为目标的超级钢研究课题方面,将开展以下研究:

(1)800MPa级超细晶粒高强度、高耐蚀性厚钢板的开发,其中心课题是高耐候性钢和超细晶粒化技术的开发;找到厚板规格下实现超细晶粒的方法。

(2)可与钛材料媲美的超级高氮不锈钢的开发,其中心课题是成分的优化和能实现工业化生产的高氮钢研制技术的开发。

(3)2000MPa级螺栓钢的开发及使用性能评价方法的建立,其中心课题是工业上能实现的理想的马氏体组织的获得方法的研究;建立延迟破坏特性评价方法。

(4)高强度耐热钢(650℃·350气压USC成套设备的制造),其中心课题是从改善蠕变强度的观点出发优化钢的成分、研究提高抗氧化性的方法;建立加速蠕变试验评价方法。

在前期研究中已经有所突破的一些领域,如汽车用高强度钢等也将逐步纳入后期研究。前5年所积累起来的许多技术系列、学术上的新发现、纳米材料性能解析仪等独创性研究仪器群、20kWCO2气体激光器所代表的日本唯一的大型仪器群以及产、学、官体制下集结起来的人才、网络等如何更好地为今后日本的钢铁材料研究的发展作出贡献等也是后5年所要研究的课题。

值得指出的是,在日本,率先在现役轧机上轧出3μm超细晶粒钢的并不是传统的6个大钢铁公司(新日铁、NKK、川崎制铁、住友金属、神户制钢、日新制钢) ,而是中山制钢厂,他们通过用单驱动异径辊轧机连续而反复地对钢板进行大压下轧制和用层流冷却装置实施强冷却,终于在2001年11月1日轧出了晶粒直径在2～5μm的超细晶粒钢,其抗张强度达到500～600MPa ,韧性、加工性、焊接性兼优,并具备良好的抗疲劳特性。所谓单驱动异径辊轧机,就是在热精轧机组的后3 机架上只驱动上、下工作辊中的一个辊,且上下工作辊的直径不同。

    1.3 世界其他国家的研究

根据日本方面的看法,在该项研究中,以日本、韩国、中国为代表的东亚居世界领先水平,研究和学术交流也最为活跃。在实际轧机上生产的超细晶粒钢分别达到3μm、4μm、5μm。

韩国在1998年开始的5 年计划中推出了Hipers-21项目,其第一期研究与日本的STX-21项目一样,正在推进采用变形诱发动态相变(strain induced dynamic transformation) 来细化晶粒的超细晶粒钢研究,已取得了重大进展,主要研究开发800MPa 级结构钢、600MPa 级耐候钢和1500MPa 级螺栓钢。为了更好地进行新一代钢铁材料的研究和生产,他们还量身定制了一套新型轧机,从设备上保证项目的顺利开展。他们研制的超细晶粒钢的平均晶粒直径在钢板表面已达到2～3μm ,在钢板中心部位为5μm。2003～2007年的第二期研究将在第一期取得的成果的基础上,进行以下4 个方面的研究。

(1)    研究开发出新的超细晶粒钢的生产方式;

(2)    开发出新的超细晶粒钢生产方式的中间试验设备;

(3) 进行超细晶粒钢生产技术的鉴定;

(4) 开展在大型结构件中应用超细晶粒钢的研究等。

在欧洲,从2000 年起,作为一年期的EU 项目,他们调查了1μm 晶粒钢的性能,并以评价其有效性为目的,进行了以大压下冷轧+ 退火为中心的研究。并且从2001 年启动了时间为3 年的以民间企业和大学为中心的ECSC(欧洲煤钢联盟) 项目,以钢的高强度化为主要着眼点,开展了微细结构控制技术的开发,项目成果的应用领域将涉及汽车、建筑、社会基础设施、管线等。其目标是研制出实用化的2～3μm晶粒的钢,为此而开发了超高速冷却法,没有对整个生产工艺作大幅度变动,从热轧材料到生产过程、测控等各环节都在进行高效率的研究开发。钢的焊接性受到重视,正开展用冲孔栓接代替点焊的实验。从2002年到2007年开始新的

ECSC2002项目,探索钢的高性能、耐久性、可循环使用性等。

美国至今尚未见到有关超细晶粒钢的研究项目,但克林顿总统在2000年全美纳米技术研创大会上发表的讲话中说,开发10倍于钢铁的强度、而重量仅是其几分之一的材料,是一个伟大的挑战。其研究开发动向也值得我们关注。

    2 国内的研究

我国新一代钢铁材料的研究也取得了可喜的进展,1998年启动了国家973项目—新一代钢铁材料重大基础研究。其最终目的是将占我国钢产量60%以上的碳素钢、低合金钢和合金结构钢等的强度和寿命提高1倍。据测算,如果这3类传统钢材的一半被新一代钢铁材料所取代,则每年可少用1500t成品材,直接经济效益达450亿元,间接经济效益更为可观,如可减少钢厂的建设、矿山的基础设施建设投资、减少资源损失和对生态环境的污染等。

该项目首席科学家翁宇庆在日本的一次讲话中说,我国新一代钢铁材料研究已开始进入实生产阶段。宝钢、武钢、鞍钢、攀钢等企业均在积极开展此项研究。2002年6月前后,攀钢与钢铁研究总院用Q235为试验钢,以独特的工艺技术路线,进行了第一轮超细晶粒钢的工业性试生产,利用变形诱导铁素体相变和铁素体动态再结晶原理,获得了晶粒尺寸5～6μm的超细晶粒钢。在东风汽车公司进行的用户冲压汽车零件试验中,合格率达到了100%。这是我国首例在现役轧机上生产超细晶粒钢的报道。

武钢的新一代钢铁材料研究也取得了重要进展,武钢投入了大量人力和物力来研究开发该系列钢。在“超细晶粒钢的焊接研究”课题开发上,目前,武钢已冶炼、轧制出了超细晶耐候钢和800MPa超细晶粒钢,并进行了800MPa超细晶钢的气体保护焊丝化学成分的设计,冶炼、轧制出了试验盘条。在“新一代超细晶800MPa级钢中厚板的研究”课题开发上,武钢进行了两轮实验室试制,采用RPC工艺进行了轧制试验,明确了Mo、Ti对性能的影响和Mg部分代替Al脱氧对钢质的影响以及RPC工艺的重现性与稳定性。利用DB685钢在现场进行了第一轮半工业性试制,得到了所希望的超细晶粒钢,屈服强度达到了800～900MPa。在超细晶355MPa级碳素钢热连轧板的研究上,武钢利用碳素钢Q235进行了一轮工业性轧制试验,完成了力学性能和组织检验,钢板的屈服强度为390～410MPa,抗拉强度为510～535MPa。试验结果表明,通过采用形变诱导轧制技术,可使碳素钢的屈服强度实现翻番。新一代超细晶高强度耐候钢的研究课题,按照形变诱导铁素体相变进行了试验钢的轧制,完成了试验钢的组织和力学性能检测,达到了预定指标要求。目前,武钢正在加大超细晶钢的试制力度,以尽快使其转化为现实生产力。

北京钢铁总院成功地开发出了1300MPa级的高强度螺栓钢42CrMoVNb,该钢具有微细的显微组织;在约550℃以上回火时有合金碳化物析出,从而产生二次硬化;具有良好的强韧性配合,其耐延迟断裂性能、缺口敏感性和冷加工性均有显著的提高。用该钢试制的高强度螺栓已通过了汽车道路试验。

    3 结 语

国际上新一代钢铁材料研究已经取得了重大进展,特别是东亚的日、韩两国,均完成了前半期的研究,并开始在现场轧机上轧出了超细晶粒钢。日本在实验室研究中,甚至用小规格试样获得了平均晶粒0.5μm的超细晶。我国新一代钢铁材料研究起步虽然稍晚,势头非常好,并在现场轧机上轧出了平均晶粒5μm左右的超细晶粒钢。

新一代钢铁材料以其低廉的成本、优良的性能和对环境的亲和性而倍受世人关注,是功在当代,惠及子孙万代的事业,也是决定钢铁企业未来生存和发展的关键。我国在成为第一产钢大国后,如何成为钢铁强国,新一代钢铁材料的研究有可能成为试金石,无疑,它给我们提供了一个难得的契机,因为从全世界来看,各国新一代钢铁材料研究基本上处在从实验室研究开始向工业性试生产过渡的阶段,大家基本上在一条起跑线上。只要我们决策正确、措施得当、全力以赴,是可以利用这一契机,实现由钢铁生产大国向钢铁生产强国的转变的。