王向成
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(武钢技术中心湖北武汉430081)
　　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

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。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——本文摘自《中国金相分析网》