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轧制中心20周年 · 钢铁及有色金属材料研发
发布时间:2017-5-18

    2005年伊始,高效轧制国家工程研究中心在总结并吸取了学校与企业合作经验的基础上,更加强调团队的协调合作机制,通过资源整合、学科交叉、产学研结合,确定了热轧、冷轧、有色、特钢和用户技术五个主攻方向,组建了品种研发团队。多年来,品种研发团队针对高端金属材料领域国家和行业的重大需求,通过购置、试制多种实验仪器设备,建立了高端金属材料基础研究实验室,在100多项国家级、省部级以及校企合作的科研项目的支持下,和企业紧密结合,按照“同一个队伍、同一个目标、同一个机制、同一个任务”的指导思想,紧紧围绕高端金属材料的成分设计、组织调控、关键工艺技术的相关基础研究,协助钢铁和有色金属企业开发了多种新材料、新品种,走出了一条高校科技成果产业化发展的特色之路。
                               一热轧产品领域
    热轧团队承担了多项国家“973”、“863”、科技支撑、自然科学基金等项目,并与鞍钢、首钢、河钢、山钢、湘钢、南钢、新钢、重钢等企业合作,开发出了系列高强工程机械用钢、耐磨钢、高强及耐蚀船板钢、高等级及耐腐蚀管线钢、低成本LNG储罐钢、核电用钢等前沿产品。高品质管线钢被称为热轧带钢和中厚板的精品,是冶金行业高技术含量、高附加值产品之一,也是一个企业工艺装备、技术和管理等水平的综合体现。同时,通过该产品的开发与批量生产,可以带动企业综合能力的提高。2006年以前,世界上只有日本、德国等国家的少数钢铁企业具备生产X100管线钢能力,国内钢铁企业一直没有建树。鞍钢和北科大合作后短短1年的时间里,研制生产的X100管线钢宽厚板及用它卷制的直缝焊钢管,就顺利通过了国内权威科研机构——中石油管材研究所(现石油管工程技术研究院)试验评价。成为国内首家、世界上少数掌握这种高钢级管线钢技术,并具备生产能力的钢铁企业。团队作为主要成员参加了“十二五”国家科技支撑计划课题“高硫高酸油气环境下低合金钢的耐腐蚀与强韧化技术”,经过4年的研究工作,针对高硫、高酸油气储运环境,研究了H2S、CO2、SO2及Cl-等介质对低合金钢的腐蚀机理,以及各类元素、组织、夹杂物对材料抗腐蚀性能的影响。研究表明:新开发的耐腐蚀钢在模拟COT环境下,具有优于IMO国际海事组织要求的性能,较普通船板耐蚀性大幅提高,超过了日本报道的同类钢实物水平,钢的成分和工艺成本增加不超过15%。开发了COT耐蚀钢的腐蚀评价装置,并通过了CNAS、CMA、CCS认可,发布了世界上第二份船级社《原油油船货油舱耐蚀钢材检验指南》,确立了COT耐蚀钢的工业生产、检验和船舶应用规范。本课题的完成为COT耐蚀钢的工业试制、工程考核和示范应用奠定了技术基础和组织基础,形成了高端新材料“产—学—研—检—用”一体化创新推进机制,也为高硫、高酸油气环境下,其他低成本耐蚀钢的研制应用提供了技术思路和工程化典范。团队在“863计划” “高性能耐磨钢开发”项目及莱钢、中信金属公司的支持下,开展了耐磨及韧化机理研究,采用创新的合金设计与显微组织调控技术,采用高纯净度的冶炼技术、低缺陷的连铸技术、结合高精度板型控制的轧制及热处理技术,生产制备了不同厚度规格的系列超级耐磨钢,其中薄板超级耐磨钢采用离线热处理制备工艺的技术路线,中板采用中厚板轧机在线热处理的工艺路线,厚板采用中厚板生产线离线热处理的工艺路线。创新性地利用多尺度相、亚稳奥氏体提高加工硬化率抵抗凿削磨损,利用多相硬化、韧化显微组织抵抗显微切削磨损的机制及工艺技术。开发出新一代NM450、 NM500、NM550、 NM600系列高强耐磨钢,其中在莱钢4300mm宽厚板生产的NM500成功应用于三一重工摊铺机。
                                二 冷轧产品领域
    随着汽车工业的发展,以及汽车保有量的不断增加,随之带来了能耗、排放和污染等一系列问题。安全、环保、节能成为当前汽车制造业发展的主题,采用高强度钢板制造的车身,不仅可以有效减轻车身重量、降低油耗,还可以提高汽车的安全性和舒适性,是同时实现车体轻量化和提高碰撞安全性的最佳途径。传统汽车用钢的力学性能已经不能满足汽车工业发展对轻量化和高安全性的双重要求。当前汽车用钢的研究热点是探索新的组织设计、技术路线和相关理论,以期得到更高强度、高成形性、高性价比的高强韧汽车用钢,从而赋予冲压构件更好的成形性,赋予安全件更高的吸能或防碰撞变形的功能,以满足汽车工业技术进步的需要。
    团队在国家“863”计划支持下,开展了TWIP钢的研究工作,在国家自然科学基金资助下,开展了QP钢、超细晶TRIP钢和超深冲DP钢的开发与组织性能调控,对超高强钢的组织演变规律和增强、增塑机理等方面开展了大量理论和试验研究。近年来,与宝钢、鞍钢、武钢、首钢、马钢和河北钢铁等企业合作开展了系列汽车用钢的研发与应用研究,产品综合性能满足宝马、一汽大众等汽车用户使用要求。图1所示为与首钢合作研发的镀锌汽车板DX54D Z制成的宝马5系轿车侧围。


    传统双相(DP)钢深冲性能较差(r<1.0),限制了其在汽车覆盖件或冲压件上的使用范围。团队设计了C-Mn-Al-Cr-Mo系和C-Si-Mn-Nb-Ti系深冲DP钢,并对该钢种的制备工艺与组织性能以及织构控制进行了系统研究与理论分析。研发出了抗拉强度在400-600MPa级别,延伸率大于30%,r值达到1.4及以上的深冲DP钢,可以满足汽车外板对高强钢成形性的要求。为进一步提高DP钢的强韧性,通过化学成分设计和工艺控制,获得了含有少量残留奥氏体的超高强DP钢,其抗拉强度达到了1483 MPa,延伸率为11%。团队针对TRIP钢的C、Mn扩散控制及组织演变规律进行了相关研究。制备了不同C、Mn含量的超细晶中锰TRIP钢,基于连续退火工艺制备的中锰TRIP钢(0.2C-5Mn)的屈服强度为1089MPa,抗拉强度达到了1330MPa,延伸率为30.0%,基于罩式退火工艺制备的中锰TRIP钢(0.1C-7Mn)的屈服强度为789MPa,抗拉强度达到了1139MPa,延伸率为30.4%。运用细观力学理论和计算机模拟,从宏观(macro)、细观(meso)和微观(micro)尺度分析了超细晶TRIP钢的塑性变形机理和TRIP效应,建立了多尺度的相变增塑模型,揭示了超细晶TRIP钢宏观力学性能与微观模型之间的联系,为开发高性能TRIP钢提供理论基础。在商用TRIP钢和QP钢的基础上,适当提高C、Mn含量,通过工艺参数的优化控制,获得了以板条马氏体为基体,拥有不同残留奥氏体含量的高强韧汽车用钢,屈服强度为1038MPa,抗拉强度达到了1514MPa,延伸率为15.2%,钢中残留奥氏体含量达到了19.4%。将退火马氏体基的概念引入至淬火-配分(Q·P)钢中去,开发出一种具有退火马氏体基的Q·P钢。针对这种新型热处理工艺过程展开了从微观组织到力学特性的细致研究,通过非平衡组织再加热时奥氏体形成热力学条件以及形核长大条件的机理的研究,使得低合金钢再加热至两相区时奥氏体的形态发生改变,最终的残留奥氏体由于其形状的改变、应力状态的改善等,稳定性得到明显改善,室温下体积分数明显增多,从而提升了低合金钢的综合力学性能,强塑积从20GPa·%提高至超过30GPa·%。充分发挥细晶强韧化、具有纳米结构的贝氏体强化和相变增塑效应,开发了一种具有TRIP效应的超细贝氏体钢,制备了高强度(1500-2200MPa)和高塑性(10%-20%)的超高强钢。同时,以改进型热冲压成形为工业应用背景,设计一种预变形-淬火与贝氏体转变(A-QBT)工艺,将细化原奥氏体晶粒、预变形和马氏体预相变等技术相结合加速低温贝氏体转变,将低温贝氏体等温转变时间缩短到4-6h以内,降低合金成本和工艺成本,得到贝氏体铁素体板条宽度小于100nm,长度小于10μm,马氏体体积分数小于5%-10%的超细贝氏体复相组织,为生产超细贝氏体汽车零件提供技术支撑。
                                           三 特钢产品领域
    团队成员承担了多项973、863、科技支撑和自然科学基金等课题攻关,并与宝钢、太钢、武钢、首钢、酒钢、邢钢、邯钢等国内大型钢铁公司开展合作,开发了高性能特殊钢产品,如汽车用高品质特殊钢、高性能工模具钢和不锈钢等产品。目前正在开发第三代先进高强钢、高强度、高韧性、高接触疲劳强度低应变齿轮钢及调温渗碳型齿轮、轴类件用钢,细晶/超细晶、含硼高强度的冷镦齿轮钢及无铅高硫系易切削非调质钢、石墨化易切削钢,高疲劳性能、高耐磨马氏体时效钢及微合金化高强度贝氏体钢,超细晶、中碳非调质钢,高精度、高表面质量、高疲劳寿命弹簧钢等。团队根据我国资源条件和国民经济发展的需要,在高性能不锈钢方面开展以下几个方面的研究和开发:1)针对我国镍资源严重短缺、铬资源对外依存度高的现状,开发资源节约型不锈钢,如节镍和无镍型高性能不锈钢品种和生产技术,主要品种包括超纯铁素体不锈钢、高性能200系列奥氏体不锈钢和高性能高氮锰铬系不锈钢。2)针对我国汽车工业的发展,开发出具有优良高温性能的汽车排气管用铁素体不锈钢,采用铌钛双稳定制备出超纯铁素体不锈钢,并进行适当的合金化,进一步提高铁素体不锈钢高温抗氧化性,并采用优化生产工艺,控制形变和再结晶过程,得到合适的织构,进一步提高超纯铁素体不锈钢的成形性,开发出具有良好深冲性能的铁素体不锈钢。3)开发含铜铁素体不锈钢,利用铜析出对成形性能的有利作用和铜离子的杀菌作用,同时借鉴超低碳IF钢的设计思路,采取超低碳和微量铌钛处理,尽可能减少或去除碳、氮间隙固溶元素,为获得高r值和有利织构奠定基础。运用金属学和现代材料设计原理,进行合理的成分设计,获得了超纯铁素体含铜抗菌不锈钢成分和关键生产工艺。工模具是装备制造业的基础,是衡量一个国家工业水平的重要标志,进入21世纪以来,我国的模具工业发展十分迅速,已经成为世界模具制造大国,与国外先进水平相比较,我国工模具钢在品种、质量和性能稳定性等方面存在较大差别,不能满足我国的模具工业发展的需要,急需开发工模具钢的先进制备技术和高性能品种。团队开展了系列高性能工模具钢的研究和开发,主要有:1)开发了一种新型的高碳高铬莱氏体冷作模具钢,在普通D2钢的基础上加入RE、N、Nb等微合金元素,通过微合金化和工艺优化,获得马氏体基体上均匀分布的一次碳化物和弥散析出的二次碳化物,获得高硬度和较高韧性。并成功应用于森吉米尔工作辊,获得良好的使用效果。2)开发了一种Fe-Mn-Cr-Ni-N无磁钢,用Mn、Ni和N来扩大奥氏体区,获得奥氏体基体组织,并降低Ni含量,减少生产成本,加入一定Cr保证获得足够的耐腐蚀和耐热性能,同时采用中碳成分,保证获得足够的强度,通过优化成分设计和工艺,得到抗拉强度大于1000MPa、屈服强度大于600MPa和磁导率小于1.002的无磁钢,并成功制作连铸电磁搅拌夹送辊,2012年获得中国机械工业科学技术三等奖。3)开发了Cr5、Cr8系列冷轧轧辊用钢,有效控制碳化物的生成和弥散程度,进行合理成分设计,保证足够的淬透性,得到合适的淬硬深度,获得优良的耐磨性。
                                         四 有色金属产品领域
    镁及其合金是迄今在工程应用中最轻的金属结构材料,其密度约为1.30-1.99g/cm3,是铝的2/3、锌的1/4、钢的1/5。在汽车工业、通讯、电子工业和航空航天工业等领域正得到日益广泛的应用。但由于镁合金为密排六方结构,室温下塑性变形能力较差,塑性加工一直是镁合金应用的主要障碍,所以目前市场上主要应用镁合金铸造技术,塑性加工产品很少,这大大限制了镁合金的应用范围。为扩大镁合金的应用范围,利用各种塑性变形方法制造各种镁合金制品是未来镁合金发展的一大趋势。团队在国家“十一五”科技支撑计划及教育部支持下,针对AZ31镁合金,研究了轧制参数对AZ31织构与性能的影响规律;单轴拉伸、压缩过程中的{0002}双峰织构与拉伸、压缩孪晶的内在联系;滑移、孪生的协调变形机制及其对AZ31综合性能的影响,并成功制备了高强塑超细晶镁合金板材,其抗拉强度可达300MPa,延伸率在20%以上。“十二五”期间,在国家科技支撑计划——“镁合金板带高效低成本轧制技术开发”项目支持下,研究了不同含量稀土元素(Y、Gd、Ce)及轧制工艺对Mg-Zn体系合金板材室温成形性能的影响,并制备出了具有基面织构弱化特征的、高成形性能的镁合金。
    团队与广灵精华镁业合作建成一套镁合金薄带卷生产线,包括热处理、纵剪、横剪、平整、抛光等机组,能够提供0.2mm厚、350mm宽、卷重200kg的带卷,并可为镁行业提供成套工艺技术和装备(如图2)。


    2014年与美国波音公司开展高性能镁合金合作研究,并于2015-2016年获得持续资助。目前,成功地设计制备出具有高强度、高塑性、室温成形性良好的、含钙稀土镁合金板材。铝合金具有密度小、比强度与比刚度高、抗冲击性好、耐蚀性高和散热性好等优点,且相对于钛、镁等轻合金价格低廉,已经成为世界汽车制造企业最为关注的轻量化材料之一,极具发展潜力。2012年,团队承担国家科技支撑计划:“交通运输用超大规格热连轧铝板带生产集成技术的开发与应用”项目。研究了Er(铒)、Zr(锆)等合金元素对5052铝合金和5083铝合金铸锭晶粒尺寸和加工性能的影响,建立了宽幅铝板热连轧全过程的三维温度场数学模型,揭示了板材内部的变形程度及变形速率对板材温度变化的影响规律,制定了5052、5083等合金的轧制规程表。在福特公司“ICME Model Devel opment f or f orging automotive components”项目的支持下,开发汽车大锻件用6082铝合金,研究了微合金元素Mn、Zr等对6082合金微观组织、力学性能和工艺性能的影响规律。同时,通过计算机软件模拟铝轮毂锻造过程,为实际生产工艺制定和优化提供理论依据,可节约大量生产成本和时间。由于钛及钛合金比强度高、耐热性好、耐蚀性优良,已成为工业上最重要的金属之一,广泛用于国民工业中。但钛及钛合金的特殊性能——低塑性、高变形抗力和高温氧化性及在加热时或在氟化盐溶液中酸洗时高的吸气倾向,给带材的生产带来一定难度。2010年,团队与国内钛制品企业开展合作“TA2钛材冷轧工艺开发及焊管基础实验研究”。开发了TA2钛材酸洗、冷轧、退火等成套工艺技术,以及氩弧焊和激光焊等多种管材焊接工艺。2012年,团队与北京航空材料研究院先后开展合作项目:“TC4铸造钛合金的热暴露实验及组织性能研究”和“Ti3AL合金热暴露实验及其氧化行为研究”。为我国大飞机项目提供了可靠的热暴露实验评价结果,并揭示了热暴露过程组织的演变机理,同时开发了含铌钛铝金属间化合物,通过包套轧制得到表面质量完好的板材,并对其热加工工艺性能、热暴露后力学性能以及抗氧化能力做了综合评价。 2015年,团队与湖南金天钛金属开展的合作项目“钛板表面抛光、切削加工及成形性能研究”,使客户具备了高表面质量、高成形性能的钛板卷产品生产能力。同年,团队与西南不锈钢有限公司开展的合作项目“钛带卷软件数学模型开发与研究”,研究目标是实现钢铁企业在热连轧生产线上能够进行有色金属钛合金的稳定轧制,实现纯钛、钛合金系列产品高精度带材的成卷生产,并且获得良好的表面质量及优异的综合性能。随着计算机、区域电视网络、汽车、通讯、轻轨和地铁电机车的发展,电线电缆的产品质量有了更高的要求。电工用铜线坯是电线电缆行业的重要原材料之一,在国民经济发展中起着工业“血管”的作用,其生产工艺和装备为满足未来市场的需求,一直在不断地发展。近年来,随着电力和电器工业的不断发展,对铜导线的质量要求越来越高。为了获得优质的铜线坯,国内外铜线坯生产厂家均在生产工艺、装机水平、质量检测和管理方面作了大量工作,以提高产品质量,降低生产成本,提高自身的竞争力。2012年天津市华北电缆厂与有色团队签订协议,合作开展“高品质低氧铜杆生产工艺实验及组织性能研究”项目。通过“SCR铜杆生产工艺及组织性能控制”、“低成本铜杆生产工艺及成本控制”和“高性能含稀土铜杆及双零铜线的开发”等工艺技术的开发,使得天津华北电缆厂通过1年的时间,产品质量得到大幅提高,并取得良好经济效益。
                                          五 深加工领域
    我国钢铁工业正面临着结构调整、产能过剩、资源和环境压力日益增大等挑战,依靠扩大规模来提高总体经济效益的途径已经行不通。钢材深加工作为调整结构、服务用户、提升技术转化水平、转变增长方式、寻求新增长空间的重要突破口,受到了冶金行业的普遍关注。与发达国家相比,我国钢材深加工比重依然偏低,大多数企业主要从事中低端产品的生产,同质化情况严重,缺乏自主创新能力。对于如何挑选适合自身发展的钢材深加工方向,以及相应的发展模式都缺乏明确的思路。在轧制中心筹备初期,汽车板团队就曾经去美国俄亥俄州立大学的净成形生产工程研究中心参观访问,了解美国汽车板及成形的技术发展和技术转让情况。20世纪90年代与鞍钢、武钢、宝钢等钢铁厂联合开发低碳铝镇静钢、IF钢等汽车板时,密切联系一汽、二汽等下游用户,在汽车厂开展冲压试验,做到了科研、生产与应用相结合,主要进行了汽车板成形性能的评测、复杂路径对成形性能的影响、在压边圈上叠加低频振动改善冲压摩擦状态等研究工作,推动了我国汽车板的国产化进程。与普通汽车板相比,高强汽车钢由于延伸率低,强度高等原因,成形时易发生开裂和回弹,成形裕度低。团队针对高强汽车钢成形问题,一方面对DP钢、TRIP钢、TWIP钢等开展了微观组织对成形性能影响的研究,分析了成形性能试验时试件不同位置的应力应变状态对微观组织演变的影响,进而对宏观成形性能的影响,另一方面开展了汽车高强钢成形本构关系的研究,运用流变学理论,结合微、细观力学构造高强汽车钢本构模型,例如利用流变学模型Bingham的本构方程揭示了高强汽车钢板TRIP800变形与时间的相关性,即黏性性质,得到了应力保持不变时应变随时间的变化曲线,同时在非线性回弹预测方面也取得可喜进展。另外,深加工团队与宝钢金属合作开展了“高碳钢盘条夹杂物与成品质量的关系”攻关研究,提出了检测标准。同时,发明了钢丝表面硼砂涂层的观测方法,通过润滑工艺改进,实现了提高拉拔速度的目标。团队联合邢钢与德国合资的北京新光凯乐汽车冷成型件有限责任公司完成了高档轿车用扭力杆零件高速扭转稳定性攻关,达到了国外同类产品性能级别。在“十三五”开局之年,品种研发团队将继续发挥钢铁冶金相关学科的优势力量,开展冶金共性、前沿、个性化技术研发和冶金先进装备原型创新研发。为钢铁企业产品研发提供科学、可靠的理论支持和技术支撑。

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