日本(ben)高性(xing)能鋼材十年技術進步
文章來源：sjzwx 更新時間：2013-12-25 09:32:17
一、日本高性能(neng)鋼材的基(ji)礎技術開發
日本從上世紀70年代初即成為鋼產量超億噸和出口比大于30％的世界鋼鐵強國，石油危機后雖產量停滯不升，但為提高出口競爭力，仍十分重視高性能鋼材的技術開發。特別是從90年代中起，更把開發高性能鋼材作為促進社會節能、減排CO2和實施可持續發展的重要措施，在政府主導和產學研結合下，進行了通過晶粒微細化并在不增加合金下將鋼材強度提高一倍的超級金屬技術等項目的開發，其成果尤為明顯。
1．晶粒細化
經過多年基礎研究發現，采取相變、析出、再結晶結合的加工熱處理方式將金屬晶粒微細化到1μm左右時，鋼材強度和韌性約可提高一倍，這樣不僅有利于大量節約鐵合金，還有利于廢鋼的合理循環利用。以低碳鋼為例，晶粒微細化應作好以下幾點：（a）奧氏體用母相晶粒的微細化；（b）從加工母相狀態的變態；（c）晶粒生成處雜質析出的分散化；（d）增大冷卻速度。常用的加工熱處理的控軋快冷（TMCP）即利用了其中a、b和d三點，焊接熱影響部和機械結構用非調質鋼通過組織微細化以改善韌性時則利用了c點。在研究中還發現了貝氏體擴散變態和奧氏體逆變態等微細化組織形成原理及僅對鋼板表面組織微細化亦可提高特性和馬氏體鋼通過強化鐵碳化物析出的微細化等方式。
2．組織和機械特性的關系
經多年研究和初步應用成果，以0．15％C的低碳細晶粒鋼的性能為例簡介如下：
（1）屈服強度對晶粒徑的依存性。按Hall－Petca關系式，工業純鐵和低碳鋼等鐵素體系鋼鐵材料的屈服強度σy與粒徑d的關系如下式：
σy〔GPa〕＝σ0＋0．6×d〔μm〕1／2
（1）但此式只適用于晶粒完全為等軸形且結晶方位為隨機型多結晶形鐵的場合，加上過去細粒化的極限為10μm，故對提高強度的作用不大，現隨著晶粒微細化到0．1μm，則其作用明顯。單晶硬度HV0和HV的關系式如下（HV的極限為12GPa）：HV〔GPa〕＝HV0＋1．8×d〔μm〕－1／2
（2）延性／脆性遷移溫度對粒徑的依存性。反映材料破壞現象的延性／脆性遷移溫度（DBTT）一般多隨強度提高而向高溫側移動，但0．15％C的低碳鋼由于粒徑微細化而使強度提高時，
DBTT卻向低溫側移動，其關系式如下：
DBTT〔℃〕＝10－240×d〔μm〕－1／2
（3）即粒徑微細化到1μm時，在液氮溫度下亦不脆化，在實用中當低碳鋼粒徑微細化到2～3μm時便可保證低溫韌性。其機理為屈服強度和脆性破壞強度對粒徑的依存度以后者為大，故為確保材料韌性時，晶粒微細化成為不可少的重要因素。
二、高性能鋼材的應用技術進步
1．薄板
最近10年各鋼鐵廠主要為汽車輕型化節油而進行了高強度鋼板的開發。據調查，外板已達490MPa，結構部件達980MPa，回轉部件達780MPa，對補強材正在按1760MPa的目標開發。
1）外板用鋼板。在為減輕車重而減少板厚的同時，為保證提高耐沖撞性需提高屈服強度YP。但提高YP后，加工面易產生缺陷，據此開發出加工時低YP，通過涂裝燒副處理使鋼中的固溶C、N分散轉位為高YP化的BH鋼板。近日又在BH鋼中加入0．25％Mo，通過在大氣溫時效區C和Mo的相互作用使其性能進一步改善。另開發出2種440MPa鋼板。一種為IF鋼中適量加入P、Mn、Si等固溶強化元素，使n值為0．24、r值為2的成形性優良的鋼板。另一種為加入固溶強化元素的同時，使含C量為IF的鋼的3倍并加入0．1％Nb，使組織微細化和微細析出NbC提高強度，并有利抑制表面缺陷。
2）中高強度區成形性好的高強度鋼板。它主要用于防沖擊安全構件和擴孔性好的回轉部件，故為具備兩種特性而進行必要的組織控制。延伸性優的為DP鋼和殘留奧氏體鋼（TRIP鋼），前者已應用20余年，現正按780～980MPa下成形性好而正在改進。 TRIP鋼則作為全球開發的對象而采取以下技術：（a）加入Ni、Cu等新合金元素以控制鋼板表面的界面反應，并為熱鍍鋅工藝保留必要的殘留奧氏體和含C量，從而成為耐蝕性好的熱鍍鋅板用鋼，現已實用化；（b）通過鐵素體變態、貝氏體變態和奧氏體中C的濃化及奧氏體和貝氏體中滲碳體的析出模擬，計算出殘留奧氏體和其中含C量及對TRIP鋼的材質預測技術亦實用化；（c）母相為貝氏體或回火馬氏體和殘留奧氏體分散的TRIP鋼，由于延伸－擴孔性俱優而正在研發；（d）低r值但深沖性優的TRIP鋼亦在開發；（e）對TRIP鋼沖擊特性和疲勞特性等的改進在研究中。
3）最近延伸性超過TRIP鋼的高強度鋼也正在開發，主要是加入25％Mn使組織奧氏體化，在變形時引發加工誘起雙晶，產生和TRIP鋼同樣提高延伸率的效果，在600MPa下全延伸率可達90％，另將Mn減少到20％和15％并加入各3％的Al和Si時，則在性能相同下可進一步輕型化。另在開發中的延性－擴孔性俱優的高強度鋼板，以延性優的鐵素體為母相，為確保強質和防止擴孔性劣化而采取了析出強化。熱軋薄板加入Ti、Mo后可達780MPa，IF鋼板加入Cu后可達590MPa，均達預期目標。
4）超高強度區用補強材等的開發。980MPa超高強度鋼的沖壓加工部件多用彎曲加工，致彎曲加工性甚為重要，據此開發出組織均勻的超高強度鋼。為適應更復雜形狀部件用超高強度鋼的要求，DP系延性重視型和延性－擴孔性俱佳型鋼板亦通過高度組織控制達到了實用化水平。
最近為簡化工藝，對超高強度部件采用熱沖壓加工的日多。即將鋼板在變態點以上加熱，沖壓加工時通過模具的降溫而淬火以提高強度。另為提高熱沖壓部件的耐蝕性，又開發出用熱鍍鋁鋼板熱沖壓加工的技術，效果良好。
2．中厚鋼板
1）造船用鋼板。從上世紀80年代起即率先應用了TMCP鋼以擴大高強度鋼板的應用，近年則重點開發出焊接性優的高強度鋼及厚壁、超大入熱焊接性、耐蝕和耐疲勞性優良的多功能性鋼板。特別是為適應近年集裝箱船增多的要求，開發出厚度為65～80mm、屈服強度為390MPa的高強度鋼板。
2）建筑用鋼板。自1995年阪神大地震后，人們對建筑用鋼板的低屈服比、高焊接性更為重視，并從防脆性破壞出發，將確保焊接部的耐沖擊性和吸收能等指標納入標準。過去多用HT490，隨著建筑的高層化，590MPa高強度鋼板開始標準化和實用化。
3）橋梁用鋼板。過去多用TS400～490MPa級鋼板，1996年為適應橋梁結構改進，使板厚擴大到100mm，強度亦擴大到570MPa。另對降低焊接時的預熱溫度，又開發出板厚34mm的TS780MPa鋼板。
4）大口徑管線用中厚板。隨著油氣開發向寒冷地區和深海發展，對管線用鋼板的高強度化、現場焊接性、低溫韌性和耐蝕性等要求日益提高。在高強度方面，X80已實用化，X100管線用鋼歐美在共同開發中，2002年由加拿大率先納入標準。日本近日開發出防震性和吸收能好的管線鋼。
5）水壓鋼管、海洋結構用鋼板、低溫罐用鋼板和產業機械用鋼板。抽水蓄能發電用水壓鋼管多用高強度厚板焊成，如下流的分支處用HT780的200mm厚板和HT980的100～150mm厚板，為此開發出焊接低預熱型的HT980和TMCP980高強度厚板。
海洋結構用鋼隨形式不同，高強度化的趨向迥異，但最近在寒冷地區建設的海洋結構要求采用比船用鋼板更嚴格韌性的母材和焊接部，已開發出用TMCP生產的冰海區用YP420和YP500～550級鋼。
近年LNG罐的建設較活躍且容積呈擴大化趨勢，越過8萬立米級正在建設14～18萬立米級，所用鋼板已開發出厚40～50mm的9％Ni鋼并已實用化。
還有卡車起重機等產業機械亦在大型化，可確保疲勞強度的主梁用HT780～980亦開發成功；另適應土木機械大型化的高硬度耐磨鋼HB500亦在開發中。總之，上述中厚板在強度提高的同時，防止焊接部開裂的預熱溫度卻下降了15～50℃等。
另外在高強度中厚板性能普遍改善的同時，生產工藝亦在不斷改進。現舉兩例如下：
1）形狀控制中厚板。LP鋼板指長度方向板厚變化的鋼板，由此可使結構合理、重量減少和加工工藝簡化。它在軋制時為使長度方向的板厚變化，采用了先進的油壓式板厚控制技術。
2）TMCP技術作為生產高強度鋼板的主流工藝亦在不斷改進。最近，在冷卻開始時除應用導熱系數高的核沸騰現象的同時，并應用了水冷方式。另在2004年，世界上開發中厚板在線加熱設備，在線淬火、回火的連續加工熱處理得以實現，使對鋼板組織控制的自由度亦相應擴大。
3．機械結構用鋼
以汽車部件用為主的機械結構用鋼的開發，10年來為適應保護地球環境、降低成本和確保安全等要求而取得了很大進步。首先是從汽車節油和減排CO2出發，為使部件輕型化而促進了鋼材的高強度化。其次是為有效循環利用廢鋼而開發成功無鉛易切鋼并部分應用。在降低成本方面進步較大。
1）彈簧鋼。汽車懸掛結構用彈簧正以節油為目的實現高強度化，其設計的最大剪斷應力已由1987年的1080MPa提高到2004年的1200MPa，接著抗拉強度≥1900MPa的彈簧鋼也開發成功。最近由于路面撒鹽防凍的增多，為防止鹽分對懸掛彈簧的腐蝕，正在開發降低腐蝕起點的耐氫脆化的新鋼種。
發動機吸、排閥用的閥簧亦走向高應力設計和小型化。考慮它經受1億次以上的反復荷重仍能長期可靠使用，已開發出對彈簧絲的高強度化加上噴丸、氮化等表面處理的耐疲勞技術。
2）螺栓用鋼。在原螺栓用高強度鋼13T（用于汽車）和14T（用于建筑）的基礎上，近年又進行了以下技術開發：（a）通過高溫回火使晶界碳化物無害化；（b）利用V、Mo等合金碳化物析出的二次硬化作用，以確保高溫回火后的強度；（c）利用上述合金碳化物對氫的疏導效果和提高耐蝕性。另利用拉絲珠光體的1600MPa級高強度鋼亦實用化，即由于冷拉時形成的微細化組織和高密度轉位均抑制了氫的擴散和裂紋擴展，成為耐氫脆化的有效機制。
3）齒輪、CVT用鋼。汽車減速機等齒輪用的多為表面淬火鋼，即0．2％C的碳素鋼經表面滲C淬火后制成；近來作為減速機使用的CVT亦同。齒輪的高強度化主要是提高齒根的彎曲疲勞強度，現通過噴丸和加Mo以減少滲C異常層等效果顯著。另考慮齒輪轉動中表面溫達300℃時，將使鋼軟化而產生表面點蝕等缺陷，經判明回火處理可增大抗軟化點蝕而提高壽命，故通過加大含Si量而開發出耐高面壓齒輪用鋼。
4）易切鋼。為改善廢鋼循環利用，1996年公布的“報廢汽車再生利用志愿計劃”中規定，2000年除鉛蓄電池外的用鉛量減少1／2，2005年減少到1／3，加上歐盟規定更嚴，均推動了無鉛易切鋼的開發。主要采取加大鋼中含S量和對硫化物夾雜的形態控制，亦有加入Ca、Mg、Ti等對硫化物形態控制的。除改善切削性外，對加S引起的機械特性下降亦有改善，現已在汽車曲軸等部件應用。
5）非調質鋼。它利用V的析出強化在熱鍛軋下的強度可同調質鋼，正廣泛用汽車發動機部件的連接桿等處，對降低成本的作用較大。如它為和曲軸連接，端部分割為棒狀和插口兩部分，過去由分別熱鍛和機加工后組合，且對加工精度要求極嚴，致使成本較高；現用非調質鋼整體成形組合方式，可省去機械加工而使成本大幅下降。
6）軸承鋼。主要是高C鉻鋼類（如SUJ2），亦有表面淬火鋼和耐蝕合金鋼類。高C鉻軸承鋼的化學成分歷經百年基本無變化，但它的轉動疲勞強度壽命卻由于采用了真空脫氣處理致使鋼中氧化物夾雜大幅下降而明顯提高，目前正為開發氧含量降低到＜5ppm而努力。
4．耐熱鋼
耐熱鋼可在高溫下長期使用，它的開發成為火電、核電、化工裝置、垃圾發電和汽車等產業發展的關鍵。近年來在減排CO2、節能和抑制二惡英排放等社會強烈要求下，進行了高強度、高耐蝕耐熱鋼及相關評價技術的開發。
1）產品開發。（a）在火電方面，過去鐵素體系耐熱鋼的使用溫度上限為620℃，近來有所發展，如650℃超臨界壓發電設備可長時使用的鍋爐厚壁鋼管和透平用的高強度9－12Cr鐵素體系耐熱鋼在開發中，同時鍋爐過熱器管用奧氏體系耐熱鋼則由18Cr－8Ni向25Cr－20Ni發展，加上加W后進一步高性能化，可用溫已達700℃水平。（b）在核電方面，作為650℃快中子增殖堆的燃料被復管，高溫蠕變溫度非常高且耐輻射性優的氧化物擴散強化的鐵素體系9Cr耐熱鋼亦開發成功。（c）在精制氫的化工裝置方面，反應容器用2．25Cr－1Mo鋼在上世紀90年代前半期僅達450℃－17MPa的水平，在高強度的3Cr－1MO－V鋼和2．25Cr－1Mo－V鋼開發應用后，現在已達510℃－24MPa的水平。（d）垃圾發電亦由于高耐蝕奧氏體系耐熱鋼的開發應用，鍋爐蒸汽溫已由300℃提高到500℃。（e）汽車排氣用耐熱鋼部件方面，鋼制集合管已取代了過去的鑄鐵管。為提高汽車發動機性能和減重，已開發出18Cr－2Mo－Nb耐熱鋼，使尾氣達900℃以上。
