高性能钢铁材料研究

高性能钢铁材料研究

钢铁工业属于资源、资金和科技密集型产业，含括了地质、采矿、选矿、炼铁、炼钢、轧制和金属制品等系列工程，是生产、经营、科技和经济的综合体。钢铁制造过程在消耗大量原材料和能源的同时，也带动了机械、电力、化工、建材、交通、房地产和农副产品等部门和行业的发展。无论是在过去和现在，还是在将来相当长的历史时期内，钢铁工业的发展水平仍然是衡量一个国家工业化和现代化水平高低的重要标志之一。

随着航天、兵工、汽车等事业的飞速发展，对材料提出了更高的要求，不仅要求材料具有超高强度，而且要求具有高的韧性、高的抗剪切失稳能力，以保证各种部件的安全可靠运行。几十年来，先后发展了多种高性能的钢铁材料。高性能钢铁材料的含义是：在环境性、资源性和经济性的约束下，采用先进制造技术生产具有高洁净度、高均匀度、超细晶粒特征的钢材，强度和韧度比传统钢材提高，钢材使用寿命增加。满足21世纪国家经济和社会发展的需求，开发新一代高性能钢铁材料的生产技术及其加工技术，降低钢铁材料同比消耗，提高材料寿命、提高材料寿命，实现钢铁材料制备、加工和食用过程的节约化和技术化。

1 高性能钢铁研究技术

在20世纪高性能钢铁研究的技术成就主要有：低成本高效化洁净钢生产技术、大板坯高速连铸技术、炉渣干法粒化技术、粉矿低温快速还原技术、高品质板带材关键生产技术、高品质特殊钢生产技术、基于氢冶金的熔融还原炼钢技术、微合金化钢技术、超细晶粒钢技术、氮合金化不锈钢技术、高质量特殊钢技术和钢材组织性能预报和材料信息化技术。钢铁材料本身在21世纪还会发生重要的变革，最终将会导致钢铁材料的性能显著提高，并将对整个社会发展起巨大的推动作用。

2 高性能钢铁方面的成就

经过科研人员的不懈努力积累和创造，在钢铁材料科学和技术上取得了巨大的进步，开发出了微合金化钢、超细晶粒钢、氮合金化不锈钢、高质量特殊钢等高性能钢材。

2.1微合金化钢

Nb、V、Ti和Al是常用的微合金强化元素。微合金化是一个笼统的概念，通常是指在原有主加元素的基础上再添加微量的Nb、V、Ti等碳氮化物形成元素，从而对钢的力学性能、耐蚀性、耐热性等性能起有利作用。

2.2超细晶粒钢

超细晶粒钢是当今世界钢铁材料技术领域的研发热点。从20世纪90年代末开始，日本、韩国、中国和欧盟等国家先后投入巨资进行超细晶粒钢的研发。通过对晶粒细化理论的深入研究，已经研究出许多获得微米级晶粒细化的技术，并且对微米级超细晶粒钢进行了工业生产，使钢铁材料的性能有了很大程度上的提高。但是也存在一些不足之处，如超细晶粒钢的焊接技术尚未得到彻底解决，超细晶粒钢的均匀延伸性较低，特别是在晶粒达到1μm左右，甚至没有均匀延伸性，这些严重制约了超细晶粒钢的应用范围

2.3氮合金化不锈钢

应用氮合金化可以替代不锈钢的镍元素，降低成本，提高性能。从20世纪20年代开始，人们发现在不锈钢中氮可以提高强度，后来又陆续发现其对钢的耐蚀性能有益。阻碍氮作为合金元素使用的主要因素主要是氮的加入问题。随着加压

冶金技术的发展，氮可以较大含量固溶于钢中，并因此改善钢的性能。目前国外已开发了多种高氮钢的冶炼技术，包括等离子冶炼、加压感应炉冶炼、加压电渣重熔冶炼、粉末冶金以及利用先进的计算机合金设计方法进行的常压下高氮钢的冶炼等。

2.4高质量特殊钢

为了便于机械加工，按照传统冶金生产工艺流程生产出的特殊钢材，如冷镦钢、轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、合结钢和碳结钢等需要先进行软化退火处理。利用轧制热进行在线软化退火处理，不需要离线重新加热，节能降耗效果显著。目前，许多国家相继开展了特殊钢的在线软化处理技术的研发，主要以高碳GCrl5轴承钢的控轧控冷和在线球化退火处理为主，而对于中碳钢和中碳合结钢的研究工作有限。

疲劳失效是钢制机械零部件的主要失效方式。影响疲劳性能的主要因素包括硬度、夹杂物和表面缺陷。通常改善疲劳性能的方法是减少易成为疲劳破坏源的夹杂物、表面缺陷和脱碳等。当采用工艺方法(如对线材或半产品采用车削、磨削等去皮技术)获得无表面缺陷和脱碳的光亮材后，进一步改善疲劳性能就需要控制杂质元素和夹杂物。

2.5高性能钢材最新研究

2.5.1铌钢

析出铌可促进变形诱导铁素体相变，而且还可以阻止铁素体晶粒的长大。在通过合金化研究高性能钢铁材料研究方面，钢中Nb的作用机理研究机器高性能高铌钢的开发和应用得到了较广泛的重视，钢中溶解铌含量显著地提高了材料的非结晶温度，这就允许钢在较高的温度下进行轧制兵获得较高的强度和韧性。告铌钢可以降低轧机负荷，提高生产效率，并不需在钢中添加一些高贵的合金元素。为了开发和扩大高铌钢的应用，需要研究高铌钢中铌在基体及碳化物种的分配比例关系、铌对热变形行为、碳化钨吸储、相变动力学的影响，及与其他合金元素的作用，进一步提出高铌钢的组织性能控制的成分设计和工艺控制原则，以及高铌钢的焊接性能、低温断裂韧性和疲劳性能。

为此，国家成立了中信为合金化技术中心、上海大学铌钢研究中心等研究机构，以期望在高性能铌钢方面取得更大的研究成果和更广泛的应用推广

2.5.2厚大钢板

海军使用的合金钢和装甲钢板在服役过程中承受着复杂的载荷和环境，除具有高强度、良好焊接性能外，还要求在这些环境中具有高断裂韧性和疲劳性能。HSLA-80以上厚规格钢板制备技术的开发将为未来海军提供低成本高性能的钢铁材料，以满足海军舰艇的性能要求，并减轻舰艇重量，提高防护性能，抵御未来武器的威胁。

2.5.3 非调质钢

中碳钢及中碳低合盒结构钢，多数是调质处理后，用以生产汽车、拖拉机、机床、建筑机械。由于调质热处理造成工件的生产周期延长、生产工艺复杂、能源消耗大、生产成本高，因而，为了简化生产工艺、缩短生产周期、节约能源、降低工件成本、提高工件质量，从70年代开始，世界各国均相继进行了微合金中碳非调质钢的研制，并先后建立了各自的钢号和标准。我国在非调质钢港面筋行了大量的研究工作，开发出了GF40SiMnVS、32Mn2SiV等高强高韧非调质钢。

2.5.4抗大变形高性能管线钢热轧钢板

长距离天然气输送管道具有效率高、成本低、节能和环保的明显优势，由于管线必须经过地震区和冻土区，要求焊管材料除了具备较高的强韧性外，还必须有较大的塑性，具有抵抗高应变的能力。此外，这种高塑性高强韧性管线钢还必须具备优良的焊接性能，适合野外环缝焊接。

2.5.5新一代高强韧性钢高效节能连续化生产技术

采用无缺陷连铸坯制造技术，开发和应用连铸坯热装热送及其相关技术，提高铸坯热送率和热送温度，降低铸坯加热温度，实现轧钢生产的节能目标；应用热卷板超细晶钢生产技术，在不添加或少添加合金元素的前提下，通过新型控轧控冷工艺获得超细晶组织以提高钢材的强韧性，从而达到高效节能、低成本、连续化和节能的生产汽车、油气输送管线、建筑、高强度标准件等用高附加值产品。

3 研究和生产机构

高性能特种钢生产企业：东北特钢、宝钢、鞍钢、武钢等大型生产企业，保证了高性能钢铁的生产质量和数量，满足我国对高性能钢铁的需求。

高性能特种钢研究机构：钢铁研究总院、北京科技大学、东北大学、上海大学等，为搭建在高性能钢铁基础研究和推广应用等方面的新型行业技术平台，相关的科研和企业合作成立了先进钢铁材料国家工程中心、电工钢联合研发中心等研发机构。另外，科研机构与生产企业液多数建立起了战略合作伙伴关系，为在高性能钢铁方面的研究打下了良好的基础和平台。

国家为在高性能钢铁材料研究方面进行了大量的投入，包括国家自然科学基金、国家高技术研究发展计划、973、教育部重点基金项目以及大型飞机关键结构用先进钢铁材料等项目，为高性能钢铁材料方面的研究在国家层面上提供了平台、资金和人员。

经过多年的研究发展，我国已经相继开发性出了多种高性能的钢铁材料，典型代表是4340钢、l8Ni马氏体时效钢、HY180，AF1410，AerMetl00等二次硬化钢以及它们的改型，这些钢种都具有良好的强韧性配合，且在航空、航天方面得到广泛应用。随着各项应用的发展需求，需要开发出更高性能的高性能钢铁材料，促进我国各项科技事业的发展。

4 高性能钢铁工业存在的问题

中国钢铁工业在技术发展方面取得了辉煌的业绩，同时也存在能源消耗高、生产效率偏低、资源消耗大、环境污染较严重、基础研究落后等问题，与21世纪钢铁工业与环境友好、资源循环、性能极限的特征存在很大差距，具体表现如下方面：

在资源消耗方面，首先我国虽然具有丰富的铁矿、煤炭资源，但铁矿石产量仅能维持1亿t的生产，2／3的铁矿石需要进口；其次我国钢铁工业水资源浪费现象严重。在钢铁生产流程中水主要消耗于设备冷却、除尘和炉渣处理。资源短缺将成为我国钢铁工业可持续发展面临的主要问题。

在环境方面，20世纪90年代以来，采用末端治理方针，吨钢环境负荷逐年降低，但与国际先进水平相比存在较大差距。

在劳动生产率方面，我国在转炉冶炼周期、连铸机拉速等方面与国际先进水平存在较大差距，使得我国劳动生产率仅为国际先进水平的1／2。

在基础研究方面，我国对钢铁生产和研究有几千年的历史，但是对钢铁的研究仍有一定的局限性，并且与国外的研究还存在着一定的差距。

5 展望

必须看到，钢铁材料是一类不断发展的先进材科。无论是品种还是质量，21世纪的钢铁材料已经完全不同于从前的钢铁材料。伴随着需求变化和相关技术进展，2l世纪的钢铁材料将会以质量高和多样化的面貌出现在人类面前。为了适应未来的社会和经济发展，应不断地运用新技术、新工艺和新装备，研发出环境友好、性能优良、资源节约、成本低廉的先进钢铁材料与相关信息化技术。

在基础理论研究方面，开展钢的形变诱导相变、钢的析出强化理论与应用、氮的合金化原理及相变强化的研究；在计算材料学方面，开展冶金过程模拟钢的数据库、钢铁材料应用网络数据平台的建设；在钢铁材料应用技术方面，开展焊接技术和材料、腐蚀性能和机理研究的平台建设。

在应用技术的研究方面，开发高性能碳素结构钢技术、高强度铁素体～珠光体微合金钢技术、铁素体不锈钢技术(包括：高成形性铁素体不锈钢、装饰用高性能铁素体不锈钢、高耐蚀性铁素体不锈钢、新一代汽车尾气排放系统用铁素体不锈钢)。在品种方面，研制长寿命高强度合金结构钢、耐延迟断裂高强度钢、高韧性超高强度钢以及氮合金化不锈钢。