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國家973項目——高性能鋼的組織調控理論和技術基礎研究

1970/01/01 08:00:00  來源:鋼鐵研究總院華東分院    閱讀:


一、中國鋼研973項目

    中國鋼研致力于國民經濟和國防軍工新材料研發基地建設,承擔了我國冶金行業85%以上國防軍工新材料研究開發任務,先后為我國“兩彈一星”、“長征系列運載火箭”、“神舟飛船”、“嫦娥”探月工程、新型殲擊機、軍工電子材料、艦船、新型坦克、火炮以及常規武器等國防工程和冶金、能源、交通、建筑、海洋工程、橋梁、機械、電子等國民經濟建設發展所需先進材料及其制品等方面做出了突出的貢獻。
    材料科學研發領域覆蓋了合金鋼、高溫合金、金屬功能材料、難熔合金、粉末冶金材料、焊接材料、生物醫學工程材料、表面技術與腐蝕防護、特種陶瓷與耐火材料以及非晶微晶合金等。多年來,中國鋼研在材料科學與工程的研究中突破了眾多關鍵技術,取得了大批具有國內、國際先進水平的科技成果。
    國家重大基礎研究計劃項目“新一代鋼鐵材料重大基礎研究”以中國鋼研為依托,通過I期(1998~2003年)、II期(2004~2009年)和III期(2010~2014年)研究,使碳結構、微合金鋼、合金結構鋼的強度翻番(I期)、壽命大幅度提高(II期),并在該基礎上,針對建筑、汽車、能源等領域所需鋼材的服役性能要求,開展高性能鋼的組織調控理論和技術基礎研究,大幅度提高高性能鋼材服役安全性(III期)。973項目第I期和第II期由翁宇慶院士主持,第III期由董瀚教授主持。


二、973- III期“高性能鋼的組織調控理論和技術基礎研究”情況

    鋼鐵研究總院副院長、鋼鐵研究總院華東分院院長董瀚教授作為首席科學家主持了973- III期項目(項目編號:2010CB630800),本項目由鋼鐵研究總院、北京科技大學、東北大學、上海大學、華中科技大學、上海交通大學、中國科學院金屬研究所、清華大學等8家單位共同承擔,項目于2014年底通過驗收。項目針對“亞穩奧氏體相變與多相組織形成的現象、理論與控制”、“多相組織的多尺度表征、穩定性與性能控制機理”及“高性能鋼夾雜物、析出相和多相組織基體組織相互關聯與控制技術”等關鍵科學問題,選取建筑設施、汽車、能源用鋼中的高端產品作為本項目的研究對象。根據鋼材的服役性能的不同要求,研究高性能鋼的組織調控理論和方法。

(一)具體研究內容:

1.第三代低合金鋼的組織調控和高性能化研究

(1) 研究第三代低合金鋼多相組織演變機理、力學行為和調控技術,殘余奧氏體的形成與控制及其對綜合性能的影響。

(2) 研究第三代低合金鋼多相組織的表征以及多相組織在范性流變過程中的變化,變形在不同相中的傳遞行為,晶體缺陷在范性變形中的行為與作用。

(3) 第三代低合金鋼多相組織在熱擾動下的演化行為及其在力學性能上的表現,各相的熱穩定性及其在組織演變過程中的相互作用以及焊接區組織穩定性。

(4) 低合金鋼板帶組織調控技術原型裝備及相關工藝技術參數研究。

2.第三代汽車用鋼的組織調控和提高塑性的研究

(1) 研究第三代汽車用鋼中亞穩奧氏體的相變規律及多相組織的形成,包括應力與相變的交互作用以及碳的行為等。

(2) 研究第三代汽車用鋼多相組織的多尺度表征及控制方法,包括通過Q&P工藝實現亞穩奧氏體的含量、形態、分布、穩定性等控制。

(3) 研究第三代汽車用鋼亞穩奧氏體的穩定性,包括熱穩定性、力學穩定性,以及相變誘發塑性與孿晶誘發塑性等。

(4) 研究高強度馬氏體鋼連接技術及其服役行為,包括焊接性能和延遲斷裂行為等。

(5) 研究高性能汽車用鋼新型制備方法過程中凝固組織、晶粒尺寸和元素配分的影響規律。

3.第三代耐熱鋼高溫環境下長期服役時組織演變規律研究

(1) 多元素復合強化馬氏體鍋爐鋼長期服役條件下回火馬氏體組織精細結構演變及退化研究。

(2) 借助熱力學軟件,研究化學成分、工藝參數(如溫度)等多因素關聯影響條件下,各析出相的可能的演變過程。研究M23C6、M6C、MX、Laves相、硼化物、Z相等演變(形成和長大)的熱力學和動力學規律,尤其是MX超細彌散相的穩定性和均勻性以及Z相的形成機理和控制機制。

(3) 高溫蒸汽和煤煙氣腐蝕環境下,材料的界面行為規律及其控制機制。

(4) 無碳馬氏體鍋爐鋼的組織與力學行為研究。研究靜態和熱變形條件下無碳馬氏體鍋爐鋼連續冷卻轉變中的相變行為,分析不同熱變形條件下鋼中氮化物析出相。

4. 高潔凈鋼的夾雜物穩定性控制及均勻度控制的基礎研究

(1) 研究高性能建筑用鋼、汽車用鋼、能源用鋼韌塑性與夾雜物、均勻度之間的相關性以及基于服役性能要求的夾雜物控制目標。

(2) 研究爐渣-鋼液和鋼液-夾雜物間反應的平衡程度及其影響因素,以及鋼液中微小夾雜物間聚合、長大、去除及其影響因素。

(3) 研究凝固過程中等軸晶的起源及增殖機理,提高鑄坯的均勻度。

(4) 研究凝固過程傳熱的控制及其對形成等軸晶組織的作用,以及鑄坯凝固過程均勻化技術的工程化應用。

(二)項目研究成果的水平與創新性

   在“多相、多尺度、亞穩”組織調控理論研究的基礎上,奠定了第三代低合金鋼、第三代汽車鋼和第三代馬氏體耐熱鋼的技術基礎。經過了先進的工業流程生產試制,形成了三類原型鋼技術,第三代低合金鋼為我國的創新研究成果,第三代汽車鋼是我國率先研發出來,第三代馬氏體耐熱鋼達到了國際先進水平。

1.“多相、多尺度、亞穩”組織調控理論研究

(1)明確了低碳馬氏體強韌性最小控制單元為板條塊,提出了“形變促進板條塊細化”新概念,并開發了以板條塊細化為核心的高強度高韌性鋼在線淬火控制技術及其焊接技術

低碳馬氏體多尺度組織結構中廣義的板條塊由傳統認識上的板條塊界、板條束界和原奧氏體晶界所圍成,為控制馬氏體強度、韌性的組織(晶粒)結構控制單元,包含兩個尺寸信息:傳統意義上的板條束尺寸和板條塊寬度。由于其形狀的不規則,低碳馬氏體強度、韌性的有效晶粒尺寸分別為板條塊內部{110}面的平均滑移長度和{100}面的平均解理長度。

奧氏體超薄化導致奧氏體晶粒細化和硬化,引起相變馬氏體的板條塊界面(大角度界面)比例顯著增加,而亞板條塊界面(小角度界面)比例降低,板條塊寬度明顯細化;板條束結構沿軋向拉長、在厚度方向細化。奧氏體超薄化細化板條塊寬度,顯著提高大角度界面密度,是顯著提高超低碳馬氏體強韌性的原因。

在深入研究奧氏體扁平化結構演變與相變特征的基礎上,采用低碳成分(碳含量不高于0.06%)和在線TMCP工藝,首先在實驗室獲得了900-1000MPa級高韌性低合金鋼,其沖擊韌性達到了180J。工業化試制結果進一步驗證了該方案的可行性,25mm厚鋼板的沖擊韌性達到了200J,相比傳統900-1000MPa級高強板實現了韌性翻番,達到國際先進和國內領先水平。

全面評價了屈服強度900MPa級TMCP直接淬火高韌鋼的焊接性。所開發的國產GH890焊接材料和焊接工藝技術用于900MPa級直接淬火鋼的焊接,可應用于高強工程機械制造,填補我國在這方面的空白。

(2)提出并系統研究了納米第二相的協同析出理論,建立了相關熱動力學模型,開發了基于復合微合金化設計的大沉淀強化技術

系統闡明高Ti微合金鋼中納米TiC在奧氏體和鐵素體中的析出行為以及Mn、Mo在相變組織和析出控制上的協同作用機理,對高Ti微合金高強度鋼的組織類型和納米析出的穩定化控制提供了理論基礎和技術支撐。

利用Ti-V-Mo多元協同微合金化,大幅度細化MC相粒子及細化基體鐵素體晶粒,產生強烈的沉淀強化和細晶強化作用,屈服強度達900MPa以上,其中沉淀強化增量可穩定達到400MPa以上,延伸率達16%以上。

(3)提出了亞微米/納米級奧氏體形成理論并開發了相關控制技術,大幅改善鋼材韌塑性

采用兩相區分級熱處理(QLT)控制了逆轉變奧氏體的薄片狀形態和彌散分布、利用C、Mn的兩次配分提高了逆轉變奧氏體的穩定性元素含量,從而提高了逆轉變奧氏體的穩定性。首先經DQ+T中間態熱處理后試樣內部發生C和Mn元素的第一次配分,這導致了奧氏體吉布斯自由能的顯著降低,因而使得在QLT階段回轉奧氏體的生成速率顯著提高。其次從動力學角度考慮,由于馬氏體基體成分分配的不均勻現象,導致了片狀奧氏體的增厚機制由最初的一維雙向增厚模式演變成為了一維單向增厚模式。逆轉變薄片狀奧氏體與轉變后的新鮮馬氏體保持K-S位向關系,相變后未發現與原始馬氏體基體不同的新Bain變體,QLT過程不細化馬氏體組織。

逆轉變薄片狀奧氏體對微裂紋擴展的阻礙作用以及相變增韌作用(亞穩奧氏體向馬氏體發生了轉變)是導致試驗鋼韌性顯著提高的最主要原因。相比于塊狀的、尺寸較大的亞穩奧氏體相比,彌散的均勻分布的薄片狀奧氏體更能大幅度的提高低溫韌性。以Mn代Ni,采用QLT工藝使2.5Mn-1.5Ni鋼獲得了優于5Ni低溫鋼標準要求的強韌性。

提出碳的梯度擴散分配理論,并在其指導下開發出S-Q-P工藝,不僅能夠有效調控鋼中不同組織數量,更重要的是還能夠有效調控奧氏體與馬氏體的尺寸與分布,使鋼中硬相與軟相合理搭配,從而顯著提高其綜合力學性能。進一步拓寬了通過合理控制碳在奧氏體與馬氏體間分配而調控鋼的組織與性能的技術應用空間。S-Q-P工藝處理后的35SiMn鋼,總伸長率超過25%,抗拉強度達到1240MPa,強塑積達到31.2GPa%,達到第三代汽車用鋼對強塑積的標準要求。

(4)  建立并優化了透射電鏡原位加熱和鋼鐵材料中碳/錳配分的實驗表征方法,初步探明了亞穩奧氏體形成過程中的碳/錳擴散機制。

在TEM中實現了加熱過程中奧氏體形成的原位觀察,中錳鋼中逆轉變奧氏體易于馬氏體板條界形成;升溫速度較快時,組織呈現雙相板條結構,有一定數量碳化物析出相;升溫速度較慢時,組織中有大量碳化物析出相形成,阻礙奧氏體的生成。

發展并完善鋼鐵材料各物相中碳元素分布的實驗測量方法,TEM碳分布檢測驗證了亞穩奧氏體形成過程中碳的梯度擴散分配;確定原奧氏體晶界、板條界和位錯等區域是錳元素的富集區,相界面擴散與位錯擴散都是中錳鋼奧氏體逆轉變過程中錳元素的重要擴散通道。中錳鋼逆轉變奧氏體在初始長大階段符合NPLE模式,由碳擴散控制,奧氏體形成不需要錳的長程擴散。

(5)  在高強度基體上獲得一定比例的亞穩奧氏體。

利用奧氏體的相變行為繼續提供加工硬化,是獲得高強度、高塑性鋼的發展思路,這種高強度基體可以為馬氏體或超細晶粒的鐵素體,是第三代汽車鋼的組織調控目標。

2.第三代低合金鋼技術基礎

(1)  多相、多尺度析出及殘余奧氏體復合調控原理

對碳含量更低的低碳低合金鋼(C≤0.1%,Mn≤2.5%),通過采用兩步臨界熱處理的技術方案,利用亞溫處理過程中C、Mn等奧氏體穩定化元素的臨界配分穩定逆轉奧氏體,從而獲得含有穩定的殘余奧氏體、亞溫鐵素體、貝氏體以及馬氏體的多相組織。這種新型的熱處理方案所獲得的殘余奧氏體具有極高的低溫穩定性且細小彌散,可以有效的提高低合金鋼的塑性和低溫韌性。另一方面,通過添加Nb、V及Cu等析出元素,利用其在不同階段熱處理時的析出特性,可以形成復合的多尺度析出,達到最佳的析出強化效果。隨著殘余奧氏體含量的增加,鋼的均勻延伸率和斷后延伸率顯著增加。由于殘余奧氏體的應變誘發塑性(TRIP)效應的存在,使其塑性形變較大,裂紋開始得到抑制,從而導致起裂功提高。該模型鋼的屈服強度達到750MPa,抗拉強度大于850MPa,均勻延伸達到20%以上。

(2)  利用合金元素富集實現低合金鋼殘余奧氏體的離線調控原理

系統研究了0.16/0.23C-2.0Mn-1.0Si低合金鋼通過臨界退火工藝可以得到C、Mn合金元素初步富集的前驅體,進而實施亞臨界退火實現臨界區逆轉變奧氏體的初步穩定化,在隨后的淬火和低溫貝氏體區等溫過程中,可最終得到臨界退火鐵素體-中低溫分解下貝氏體和彌散分布、納米尺度的殘余奧氏體多相組織。該類多相鋼的抗拉強度達到900-1000MPa,屈服強度600-700MPa,均勻延伸可高達20%,具有極低的屈強比、高的加工硬化能力,沖擊韌性由于同成分鋼的調質工藝性能。

(3)  利用TMCP技術及離線回火工藝調控多相、多尺度析出組織

系統研究了合金體系,奧氏體晶粒度、奧氏體變形及控制冷卻的多因素對調控低合金鋼中軟硬相組織的物理冶金原理,發展了利用組織調控TMCP技術實現“在線”生產420-690MPa多相組織的技術。該原理以及技術成功應用于生產500MPa級橋梁鋼:最大厚度60mm,屈強比小于0.83,韌性級別達到E級(-40℃);X90/X100管線鋼:均勻延伸大于6%,屈強比小于0.9,同時應變時效敏感性低。

(4)  控制冷卻技術

   攻克了中厚板高強度高均勻性冷卻的難題,開發出高效冷卻噴嘴、高精度溫度場解析模型等關鍵技術,自主研制出中厚板先進冷卻系統和系列高等級產品。傾斜式射流沖擊機理的研究及應用,提高了核沸騰在換熱過程中的比例與頻率;建立了準確可靠中厚板的溫度場有限元解析模型,可準確的計算冷卻速度與冷卻溫度,為自動化控制提供關鍵控制條件;開發研制了狹縫噴嘴及陣列式噴嘴,并對其噴嘴內部及沖擊至鋼板表面的流場進行了分析,實現了較好的出口流速均勻性及可控的表面流場;開發出多種設備控制手段,如框架高度調節裝置、殘水控制裝置等,實現了對鋼板冷卻均勻性的良好控制;基于研制的超快冷原型裝備,開發出屈服強度達1000MPa、-40℃沖擊韌性大于200J的第三代高強原型鋼。

(5)  控制冷卻裝備技術

   攻克了大型板材高強度高均勻性淬火、系列大型噴嘴、工藝模型等關鍵技術,自主研制成功我國首套中厚板輥式淬火裝備和系列高等級產品。構建了大型板材高強度均勻化輥式淬火工藝方法,揭示了大寬厚比鋼板淬火過程中冷卻速度、介質流量對殘余應力、淬硬層深度及組織演變的影響規律,解決了淬火連續性、性能一致性、溫度敏感性和高平直度控制等難題;開發成功系列多重阻尼的大型整體超寬射流噴嘴和柔性化淬火系統,解決了鋼板長寬厚各向冷速精準控制、斷面冷卻均勻性控制和4~10mm薄鋼板淬火板形等難題,滿足了鋼種、規格和性能對溫度和冷卻路徑控制的需要;研制成功4~150mm全厚度規格中厚板多功能輥式淬火裝備,開發成功S31803/2205、S32750等不銹鋼板以及9Ni、NM400/500、Q960/1100等碳鋼板并批量化生產,實現了國產化,應用于國家重點工程及關鍵裝備。

(6)   第三代低合金鋼品種技術

開發了直接淬火高強高韌鋼、大沉淀強化超高強度鋼、智能型抗震耐火鋼、節Ni型低溫鋼等低成本高性能鋼,促進了冶金技術進步,引領了相關領域發展。

3.第三代汽車鋼技術基礎

(1)中錳鋼與Q&P處理鋼

具有高強度、高塑性、低成本的鋼板是未來汽車用薄板鋼的發展方向,早在2008年美國科學家首先提出了發展具有高強度、高塑性特征第三代汽車鋼的概念,但研發思路和目標并不十分清晰,隨后,中國、韓國、日本等國家也都開展了高強度、高塑性的相關研究工作。在這種情況下,我們提出了在超細基體或馬氏體基體上獲得一定比例的亞穩奧氏體相,利用亞穩奧氏體相變誘發塑性的特點獲得高強度、高塑性的力學性能的M3組織調控思路,并確定了研發抗拉強度為1000MPa級和1500MPa級,強塑積(抗拉強度和斷后伸長率的乘積)不小于30GPa%的力學性能目標。

事實證明,這種高強度、高塑性鋼的研發思路被其它國家廣泛采用,利用淬火配分(Q&P,Quenching and Partitioning)工藝和中錳合金系通過逆相變處理(ART, Austenite Revert Transformation)工藝獲得高強度、高塑性的思路成為了世界各大研究院所的研發熱點,確定的力學性能目標被很多國家接受。課題較為深入研究了高強度、高塑性薄板鋼微觀組織與力學性能獲得的現象、規律和機理,實現了力學性能目標,并率先進行了原型鋼的工業化生產,評價了工藝性能和服役性能。2010發表的學術論文在中,中錳鋼逆相變方面的學術論文至今單篇被引用達到70次,正相變方面的學術論文單篇被引用達到36次。鑒于以上,研究在世界上處于領先水平,具有以下創新性:

1) 豐富了提高高強度鋼塑性的組織調控理論,研發出1000MPa和1500MPa強度級別的高強塑積(≥30GPa%)鋼

利用低合金鋼通過正相變處理、中錳鋼經逆相變處理的兩種組織調控思路,分別獲得了抗拉強度不小于1500MPa和1000MPa,同時強塑積不小于30GPa%的力學性能,達到第三代汽車鋼力學水平范疇。

2) 利用中錳鋼逆相變獲得超細晶粒組織進而獲得高強度、高塑性的力學性能

中錳鋼從上世紀60年代起就開始有大量研究報道,但大部分都是進行調質處理用作結構件和耐磨件,而利用逆相變的方法獲得超細晶粒組織以及利用這種組織獲得高強度、高塑性力學性能的結果十分罕見。課題組較早對這種具有超細晶粒特征的微觀組織進行了深入研究,并發表了多篇學術論文進行報道和宣傳。從2014年在德國亞琛舉辦的第二屆高錳鋼國際會議上可以看出,利用中錳鋼逆相變思路發展高強度、高塑性鋼已經成為世界各大院校和鋼廠的主流發展方向。

3) 針對正相變提出了殘奧量控制的組織不均勻模型,發展了Q&P理論和工藝

提出了利用馬氏體相變組織不均勻性控制殘留奧氏體量的新觀點,合理地解釋了在一定的溫度范圍內殘奧量和二次淬火馬氏體的量同時增加的現象,可以較準確地實現奧氏體體積分數的控制。在Q&P工藝基礎上,充分利用碳化物析出強化特點開發了Q-P-T熱處理工藝,進一步提高超高強度鋼的塑性(2200MPa時延伸率達到10%);探索了Q&P工藝于熱成形鋼中的應用,提出了Q&P+熱成形工藝(HS-QP),提高了熱成型鋼的塑性。提出了形變誘發鐵素體相變(DIFT)+Q&P新工藝(DIFT+Q&P)細化了組織,進一步提高Q&P工藝處理鋼的塑性;實驗室條件下制備出了低成本超高強度納米貝氏體復相鋼(Q-P-A鋼);利用多次分割獲得殘余奧氏體的SQP工藝。

4) 利用傳統流程首次實現高強度、高塑性第三代汽車鋼原型鋼的工業生產

采用傳統流程和設備,首次實現高強度、高塑性鋼的工業生產,這是中錳鋼在世界上首先大規模工業生產,為后續各大鋼廠的工業化生產同了有力參考。

5) 開發了中錳鋼的溫成型技術

利用中錳鋼降低臨界溫度、提高淬透性的特定,開發了溫成型技術,坯料加熱溫度較傳統熱成型技術可降低150-200℃,降低設備和生產成本、顯著減小零件表面的氧化脫碳現象,同時保證零件強度水平不變的情況下塑性水平從6%提高到10%以上。

(2)TRIP鋼與TWIP鋼

   提出了耦合相圖計算模擬,精密實驗測量與生產工藝控制的第三代汽車用薄板鋼的新型設計思路,完成了兩種典型鋼種的研發及應用。

1)  建立了將相圖計算技術及精密實驗測量聚焦至工程問題、實現第三代汽車用薄鋼板成功研發的科學方法。在傳統TRIP鋼基礎上,結合相圖計算與精密實驗,獲得了加Al及形成釩鈦碳化物的強塑積提升機理,形成M3目標組織,并利用計算技術結合產線要求,對臨界退火溫度、過時效溫度等關鍵工藝參數進行預測,實現了3M組織的有效控制,在兩年內獲得了Rm≥1.0GPa,A≥30%的高性能TRIP鋼;

2)  在傳統的TWIP鋼基礎上,通過層錯能計算與精密實驗,獲得了TWIP+TRIP疊加效應的強塑積提升機理,獲得了Rm≥1.0GPa,A≥30%的高性能TWIP鋼。同時,對亞快速凝固條件下Fe基合金中TWIP+TRIP疊加效應可能實施的組織形成機理進行了前瞻性的研究。

3)  建立高溫力學本構方程,在獲得馬氏體相變規律的基礎上,獲得第三代汽車鋼板熱成形工藝優化的計算技術,從而為研發鋼種在典型汽車零件生產中得以應用提供有效指導。

4)  完成了第三代汽車用薄板鋼的研發和應用,其中高性能TWIP980鋼與TRIP980鋼在鞍鋼集團實現了批量生產。

4.第三代馬氏體耐熱鋼技術基礎

(1)   長期以來馬氏體耐熱鋼使用溫度的上限為600℃,其典型鋼種為T/P92。從某種程度上講,正是由于馬氏體耐熱鋼的這種瓶頸問題限制了電站參數的進一步提高,從而制約了電站熱效率的進一步提升。因此,研發使用溫度可達650℃的馬氏體耐熱鋼是國際學術界的前沿和難點之一。研發的G115馬氏體耐熱鋼650℃時120MPa下的持久斷裂時間穩定超過17000小時,抗蒸汽腐蝕性能優于T/P92而與T/P122相當,G115的高溫組織穩定性和性能達到了國際領先水平,把馬氏體耐熱鋼的使用上限拓展到了650℃;

(2)   在半定量解構馬氏體耐熱鋼持久強度機理的基礎上,發展了電站耐熱材料的“多元素復合強化”設計理論,提出了“選擇性強化”設計新理論,并把這種新設計思想應用于G115的設計和研制;

(3)   首次用實驗方法定量驗證了B在馬氏體耐熱鋼中的強韌化作用機理;

(4)   在“組織調控”研究思想指導下,提出了使用具有高熱穩定性氮化物析出相進行組織強化的新型組織設計思想。所研發的單尺度氮化物強化馬氏體耐熱鋼鋼在600℃時150MPa下表現出優異的長時組織穩定性;

(5)   在分析氮化物尺寸對馬氏體組織熱穩定性的影響后,提出了更高溫度下(650℃)具有更高組織熱穩定性的“雙尺度氮化物強化馬氏體耐熱鋼”的新型組織設計。

5.高潔凈度化學冶金學與高均勻度凝固技術研究

(1)、研究成果對項目完成任務的貢獻

針對影響國產重要用途鋼材性能穩定性的非金屬夾雜物控制問題,對“爐渣-鋼液-夾雜物間的相互作用機理和反應平衡及其影響因素”和“鋼液內微小夾雜物運動、聚合、長大和去除”兩項重要科學問題開展研究,其中對高強低合金鋼板B類夾雜物控制技術和鋼中DS類大型夾雜物控制技術方面取得的突破直接與本項目“第三代高強高韌低合金鋼精細組織的研究”課題相關,為近年來國產X80管線鋼、抗酸管線鋼、重要用途厚板等鋼材品種質量和性能提升做出了重要貢獻。

本項目其它兩個目標研究鋼種(高強塑積汽車鋼板和耐650℃高溫馬氏體耐熱鋼),也屬于高端重要用途特殊鋼材,對鋼中非金屬夾雜物,尤其是眾多微小夾雜物聚合、分布、組成等有嚴格控制要求。有關鋼中微小夾雜物形成、聚合、轉變等以及精煉方法、渣系、耐材等對其重要影響的研究,對于相關課題研究開發高強塑積汽車鋼板、耐650℃高溫馬氏體耐熱鋼等制備工藝也提供了重要借鑒、參考依據。

本研究針對低碳中錳系第三代高強塑積汽車用鋼連鑄缺陷控制問題,開展了大量的基礎實驗和理論研究工作,系統分析了鋼的熱膨脹性能、熱塑性等基礎熱物性,深入研究了凝固及相變特征,揭示了連鑄坯典型裂紋缺陷(內部晶間裂紋、角橫裂以及低溫火切裂紋)的形成機理,在此基礎上提出了緩冷、熱送等關鍵工藝措施,為高強塑積汽車用鋼大規模的工業化生產提供了堅實的支撐。

(2)、解決重要科學問題的進展程度

重要用途鋼材對性能穩定性要求非常高,而性能不穩定性在很大程度上是由于鋼冶金質量控制不穩定性所造成的,鋼中非金屬夾雜物以及鑄坯缺陷控制的不穩定是其中重要原因。

高端重要用途鋼材非金屬夾雜物控制的不穩定主要表現在鋼中個別大尺寸夾雜物控制方面,以重要用途軸承、彈簧、高鐵車輪等鋼材為例,即便將總氧含量(代表氧化物夾雜總量)控制在3.5~5ppm極低含量范圍,鋼中仍有個別數十、數百微米、甚至毫米級大型夾雜物存在,而此類大型夾雜物與鋼中大量存在的微小夾雜物成分基本一致,表明其形成與鋼中微小夾雜物行為密切相關。

“爐渣-鋼液-夾雜物間的相互作用機理和反應平衡”與“鋼液內微小夾雜物運動、聚合、長大和去除”是鋼中非金屬夾雜物控制領域的兩個重要科學問題,也是當前國內外該領域科研熱點,目的是通過弄清鋼液中微小夾雜物行為以及影響因素,達到對其進行控制,抑制鋼中生成大型夾雜物。

近年來對高強度汽車鋼板科研重點轉向更高強塑積中錳鋼系,但該鋼系由于錳含量顯著提高,鋼的相變溫度降低、相變應力增大,連鑄坯極易產生裂紋缺陷,為此需對與中錳系高強塑積汽車用鋼連鑄缺陷控制密切相關的鋼的熱物性、相變、應力分布、裂紋形成機理等科學問題開展研究。

在解決以上重要科學問題方面主要取得了以下重要進展:

1) 高強低合金鋼液鈣處理過程,鋼液中CaO-MgO-Al2O3系夾雜物向CaO、CaS等高熔點化轉變是由外向內進行的,對于較大尺寸的夾雜物,由于所生成固相外表層內傳遞速率所限,難以對夾雜物進行整體高熔點化變性,這是常規精煉工藝難以大幅度減少大型B類夾雜物主要原因。

2)  在鋼液中微小夾雜物上浮速率很低,必須促使其隨鋼水運動、相互碰撞、聚合為大尺寸夾雜物,才能由鋼液中去除。而在鋼包吹氬、LF精煉、VD真空精煉和RH真空精煉工藝等主要精煉工藝方法中,RH真空精煉能夠提供大范圍、合理方向的鋼水循環流動,微小夾雜物聚合、長大、去除效果顯著好于其它精煉工藝方法。

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