密度低于7.0g/cm3！興澄特鋼開發(fā)出的高強高韌低密度鋼到底是什么鋼？
日前，由江陰興澄特種鋼鐵有限公司與北方材料科學與工程研究院“國家千人計劃”團隊合作，經(jīng)過歷時3個多月對高強高韌低密度鋼的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)進行攻關(guān)，解決一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，實現(xiàn)了高強高韌低密度鋼產(chǎn)品的工業(yè)化制備。目前，已成功軋制不同規(guī)格的鋼板，板型良好，無損探傷高于工業(yè)1級水平。這一重大突破，使我國低密度鋼的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，具有重大的戰(zhàn)略意義。
據(jù)了解，鑒于能源短缺與高安全性要求，鋼鐵材料的高強韌化與低密度化成為國際研發(fā)熱點。但是，真正要實現(xiàn)高強高韌低密度鋼工業(yè)化制備一直是個國際難題。興澄特鋼聯(lián)合攻關(guān)組進行了多方面的研究與攻關(guān)，先后解決了材料結(jié)構(gòu)、熱處理、生產(chǎn)工藝等技術(shù)難題，所生產(chǎn)的高強高韌低密度鋼的密度低于7.0g/cm3，比常規(guī)鋼的密度降低10％~15％，同時具備良好的強韌性，其比強度、比剛度可與鈦合金媲美，綜合制造成本僅與普通不銹鋼相當。此高強高韌低密度鋼，在車輛、船舶、航空航天及軍事領(lǐng)域的輕量化與安全服役等方面，都有著廣泛應用前景。
其實，早在2015年，韓國浦項科技大學的科學家發(fā)現(xiàn)，脆而硬的FeAl型金屬間化合物（B2）如果以適當?shù)姆绞脚帕蟹植荚诟咪X低密度鋼中，成為強化鋼的第二相，就可以同時實現(xiàn)高強度和高延展性，甚至可以和鈦合金相媲美。其中的訣竅就是加入5％的鎳元素。鎳可以催化高鋁低密度鋼中的納米尺度的B2顆粒在冷軋鋼板的熱處理過程中以這種優(yōu)化的方式分布。鎳本身并不能降低鋼的密度，所以很長時間以來從未被用于設(shè)計低密度鋼。
這項研究結(jié)果表明金屬間化合物能夠被用于優(yōu)化輕質(zhì)鋼材結(jié)構(gòu)以及其它類似合金的設(shè)計，具有突破性的意義。相關(guān)論文發(fā)表在《Nature》上。
據(jù)韓國媒體報道稱，浦項開發(fā)的“低密度高強鋼”產(chǎn)品已經(jīng)從2015年7月份開始進行試生產(chǎn)，并力圖在未來2—3年之內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。浦項這一新鋼種名為“High Specific Strength Steels”（以下簡稱HS），該鋼種密度比普通鋼材低15%，卻具有普通鋼材不可比擬的高強度。在2013年底，浦項以“高強低密度鋼板的制造方法”為題申請了國內(nèi)外專利，在國內(nèi)外汽車、家具和武器行業(yè)引起了廣泛關(guān)注。據(jù)了解，同等大小的鋼材比鈦或鋁要重2—3倍，從強度、韌性、重量等指標來看，鈦最為理想，但價格偏高；鋁和碳素纖維比鋼材的價格低，但是生產(chǎn)效率或加工性卻略遜一籌。浦項開發(fā)的低密度鋼并不是普通的鐵—鋁合金混合物，而是一種全新的化合物。與鈦相比，這一鋼材體積更小，但強度卻幾乎相同，制造成本僅相當于十分之一，價格競爭力優(yōu)勢突出。除了作為汽車輕量化材料使用之外，該產(chǎn)品在未來還有望應用于造船、土木、防彈裝甲車、高爾夫用品、無人飛機等領(lǐng)域，前景非常廣闊，一旦實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，無疑將對整個材料行業(yè)產(chǎn)生影響。
通常的低密度鋼成分體系主要有Fe-Mn-Al-C 系、Fe-Mn-Si-Al 系。Fe-Mn-A1-C 系低密度鋼的Mn 含量約為5%-30%,Al 為3%-15%,C 為0.1%-1.5%(重量百分比),具有很高的強塑積。與Fe-Mn-Si-Al 系TWIP 鋼(成分為高Mn(約20%-30%)、Al(約1.5%-3%)、Si(約2%-3%)、低C(<0.4%))室溫下的組織是穩(wěn)定的奧氏體不同,Fe-Mn-Al-C 系低密度鋼的密度更低,常溫下組織中含有大量k型碳化物(Fe,Mn)3AlC),可以為鐵素體、奧氏體、鐵素體-奧氏體雙相,或者它們的復合相,組織調(diào)控難度也較大,生產(chǎn)工藝更繁復。隨著層錯能增加,其相構(gòu)成、析出物的類別與形態(tài)的不同,應變條件下奧氏體變形機制依次為相變誘導塑性(TRIP)、孿晶誘導塑性(TWIP)和位錯滑移/微帶/剪切帶誘導塑性(DG/MBIP/SIP)等。
編輯：冶金材料設(shè)備網(wǎng)
發(fā)布時間：2020-05-15
