中錳鋼
關注創(chuàng)建者：默契的等候 創(chuàng)建時間：2019-03-26
中錳鋼的實例教程
對比于現(xiàn)有的金屬材料，此次研發(fā)的D&P鋼具有最優(yōu)的強度和延展性的結合，在大部分屈服強度高于2.0GPa以上的金屬材料中，此次所研發(fā)的D&P鋼具有不可比擬的延展性（見下圖1）。
圖1 D&P鋼與其它金屬材料的強度和延展性的對比，其具有最優(yōu)的強度和延展性的結果。
除此之外，該鋼還有如下兩個優(yōu)點：1）合金成本較低。本發(fā)明的超級鋼是成分簡單的中錳鋼成分體系，含有10%錳，0.47%碳，2%鋁，0.7%釩（V）（質量百分比），這些都是現(xiàn)在廣泛使用的鋼材料中常見的合金元素，并沒有通過大量使用昂貴的合金元素來提高強韌性，圖2是該超級鋼與其它先進鋼材的成本比較。
2）該鋼是通過工業(yè)界廣泛使用的加工工藝來制備，如熱軋、冷軋、熱處理等常規(guī)工業(yè)制備工藝，而不是采用那些難以規(guī)模化工業(yè)生產的特殊加工工藝來制備。因此，本發(fā)明的超級鋼，具備直接在鋼鐵企業(yè)進行百噸級規(guī)模的工業(yè)化生產的潛力。
圖2 此次發(fā)明的超級鋼（D&P鋼）與其它鋼鐵材料原材料成本比較。
該超級鋼的發(fā)明也是京港臺三地科學家精誠合作的典型成功范例。該研究通訊作者單位香港大學機械工程系的黃明欣博士團隊，一直致力于超高強度的金屬材料的新機理研究，在此次研究中，前瞻性地提出通過提高位錯密度可以同時實現(xiàn)提高強度和延展性的創(chuàng)新機理；而之前的經典理論中一直認為提高材料中的位錯密度只可以顯著提高強度，但會惡化材料的延展性。而該研究另一通訊作者單位的北京科技大學羅海文教授團隊則利用多年來在鋼鐵材料領域的加工經驗。尤其是自2010年在國家973基礎研究項目中就開始了第三代汽車用鋼中錳鋼的研發(fā)工作，之后在2014年又獲得國家自然科學基金委鋼鐵聯(lián)合基金重點項目的支持，持續(xù)對中錳鋼進入深入系統(tǒng)的研究，在該領域積累了豐富的經驗和知識。
展開 國外品牌以及合資品牌的汽車中高強度鋼和超高強度鋼的使用比例已達到40%～50%，其中歐洲達到50%～60%，而我國自主品牌汽車高強鋼的比例僅在30%左右，與國外同類車型相比，我國自主品牌轎車的自重平均偏重8%～10%，商用車平均偏重10%～15%。因此，我國需要大力發(fā)展高強度汽車鋼板。
隨著鋼強度水平的提高，其塑性降低，成形能力下降，不能保證碰撞安全性。在國家支撐計劃課題的支持下，山西太鋼不銹鋼股份有限公司（以下簡稱太鋼） 聯(lián)合鋼鐵研究院開發(fā)的中錳合金系第三代汽車鋼，具有高強度、高塑性的力學性能特點，在工業(yè)大生產線上進行全流程的開發(fā)生產，為新一代汽車的輕量化、節(jié)能減排提供一種全新的鋼鐵制造材料。
1 第三代汽車鋼的微觀組織和力學性能特征
在充分總結分析第一代、第二代汽車鋼的微觀組織、力學性能、強塑化機理的基礎上，提出第三代汽車鋼的微觀組織類型為具有多相（multi-phase）、亞穩(wěn)（metastable）、多尺度（multi-scale）特征的M3 組織[3]。利用中錳系合金鋼通過逆相變熱處理思路，獲得超細晶鐵素體層片組織與奧氏體層片狀組織的復合組織。鐵素體/ 奧氏體板條的平均厚度約為0.3μm，基本與板條馬氏體的板條厚度0.2～0.3 μm一致，利用割線法測出平均晶粒尺寸約為0.55 μm，奧氏體具有非常細小的層錯結構（見圖1）。
中錳鋼經逆相變處理后可獲得高強度、高塑性的力學性能。下頁圖2 為第三代汽車鋼在不同退火時間后的拉伸真應力- 真應變曲線以及對應的加工硬化率曲線。由圖2 可知，其與單相組織（如純馬氏體）的單調遞減轉變行為明顯不同。第三代汽車鋼的加工硬化率由三階段構成：在變形初始階段，加工硬化率快速下降；隨著變形量的增加，加工硬化率逐漸增加；然后再逐漸降低。
展開 然而隨著鋼板強度的提升，傳統(tǒng)冷沖壓成形中往往存在開裂、回彈、起皺等缺陷，同時成形力明顯增加又對壓力機和模具壽命提出更高的要求。為解決這些問題，一種能夠降低成形力和成形難度，且成形后所得構件兼具超高強度和高精度的先進材料加工技術——熱沖壓技術應運而生。時至今日，熱沖壓成形技術已廣泛用于汽車車身及底盤結構件成形制造中（圖1）。
熱沖壓成形技術的概念與特點
熱沖壓成形技術包括直接熱沖壓和間接熱沖壓兩種形式。以最常用的直接熱沖壓成形為例，其工藝流程如圖2所示，首先將高強度硼鋼板坯料加熱到奧氏體化溫度以上，并保溫一定時間使其充分奧氏體化（通常為900～950℃），隨后將加熱的坯料迅速轉移至帶有冷卻系統(tǒng)的模具內沖壓成形，同時保壓淬火，使構件材料發(fā)生馬氏體轉變。與傳統(tǒng)的冷沖壓相比，鋼板在高溫時成形性好，可一次成形復雜形狀的構件，并且構件強度可達1500MPa甚至更高。此外，熱沖壓工藝的構件回彈小、精度高、變形抗力約為冷沖壓的三分之一、設備噸位小。
圖1 熱沖壓構件在汽車上的應用
圖2 熱沖壓工藝流程
目前熱沖壓成形材料主要用22MnB5，包括鋁硅（Al-10Si）鍍層、GI/GA鍍層、鋅鎳（Zn-10Ni）鍍層、復合鍍層及其他涂層和裸板。作為典型的第三代先進高強度鋼，將中錳鋼加熱至750℃即可獲得全奧氏體組織，擴大了熱成形工藝窗口。
熱沖壓成形技術與裝備研究進展
本研究團隊在中國汽車產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金（編號：U1564202）、湖北省技術創(chuàng)新專項重大項目（編號：2016AAA053）等資助下，圍繞超高強度硼鋼熱沖壓成形機理、技術及裝備開展了相關研究。
高強鋼熱沖壓成形過程中不僅包含塑性變形過程，還包含溫度變化及組織演變過程，是一個典型的熱-力-相變耦合的過程。
展開 這是由于高牌號灰鐵HT300成分要求Mn含量較高（1%左右），加之廢鋼自身錳也高（船板中的16錳鋼含Mn在1.6%），而廢鋼中的S以及回爐鐵（包括鐵屑）中的S和錳反應產生的MnS在爐料中的積累達到一定程度，就會產生過量，從而產生上述缺陷。
為了減少鐵水中的MnS含量，一般用加入一定量的優(yōu)質新生鐵（低S低Mn）來調整，另外提高孕育效果，可使MnS細化，減弱其不良影響。
廢鋼加入量過大時，由于廢鋼熔點在1530度左右，而生鐵和回爐料的熔點只是1230度左右，多用廢鋼增加了電耗，加大了鐵水的過冷傾向，還吸附大量的氮氣，一般來說合成鑄鐵工藝并不適用于灰鑄鐵，而比較適用于球鐵。
二、關于電爐灰鑄鐵增硫問題
前面已經說過，中頻感應電爐熔煉鑄鐵工藝對比沖天爐熔煉，除了具有熔化溫度高的優(yōu)勢外，卻有不少缺點，主要有三個方面的問題：一是鐵水過冷傾向較大，極易產生影響材料機械性能的D、E型石墨；二是鐵水純凈，異質結晶核心較少，導致孕育效果差，在同等成分條件下，鑄件強度偏低鐵質偏硬；三是收縮傾向較大，在高牌號灰鑄鐵中錳含量較高時，容易產生顯微縮孔、縮松。
針對上述問題，應對的措施是：
1、在熔化后期增加一個高溫保持時間，盡可能使各種爐料熔化的鐵水晶粒均勻，尤其是細化石墨；
2、適量增加外來異質核心（如硫化物），強化孕育效果，促進A型石墨的形成；
3、控制高牌號灰鑄鐵的硫、錳含量及其比例，控制回爐料比例，達到合適成分。
這些措施，對不同結構的鑄件產品是有差別的，需在實踐中掌握。
某公司某日，用電爐熔煉6爐灰鐵HT300鐵水，澆鑄液壓閥G03、G02等產品，經解剖內部組織發(fā)現(xiàn)大面積顯微縮孔、縮松、縮裂，共830只全部報廢。
展開 配料優(yōu)化組合（%）
組成生鐵廢鋼回爐料
配比A403030、配比B304030、配比C204040、配比D205030
錳硫含量
需要提高硬度時錳的含量可達1.0－1.2%，但不要求相應提高硫的含量（關于灰鐵中的硫含量，另行分析）。
某公司為了節(jié)約成本，多用廢鋼，在兩個月內試制合成高牌號灰鑄鐵，廢鋼用量一度達60%，有一段時間除加入廢鋼外另加回爐料和少量鐵屑，最初質量不錯，但一段時間后發(fā)現(xiàn)鑄件批量縮孔、縮松和有白色硬斑，并且持續(xù)不斷越來越嚴重。
此缺陷成因：初步判斷是鐵水中MnS的含量過高而引起的鑄件顯微縮孔、縮松，MnS富集形成白色硬斑。這是由于高牌號灰鐵HT300成分要求Mn含量較高（1%左右），加之廢鋼自身錳也高（船板中的16錳鋼含Mn在1.6%），而廢鋼中的S以及回爐鐵（包括鐵屑）中的S和錳反應產生的MnS在爐料中的積累達到一定程度，就會產生過量，從而產生上述缺陷。
為了減少鐵水中的MnS含量，一般用加入一定量的優(yōu)質新生鐵（低S低Mn）來調整，另外提高孕育效果，可使MnS細化，減弱其不良影響。
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這是由于高牌號灰鐵HT300成分要求Mn含量較高（1%左右），加之廢鋼自身錳也高（船板中的16錳鋼含Mn在1.6%），而廢鋼中的S以及回爐鐵（包括鐵屑）中的S和錳反應產生的MnS在爐料中的積累達到一定程度，就會產生過量，從而產生上述缺陷。
為了減少鐵水中的MnS含量，一般用加入一定量的優(yōu)質新生鐵（低S低Mn）來調整，另外提高孕育效果，可使MnS細化，減弱其不良影響。
這是由于高牌號灰鐵HT300成分要求Mn含量較高（1%左右），加之廢鋼自身錳也高（船板中的16錳鋼含Mn在1.6%），而廢鋼中的S以及回爐鐵（包括鐵屑）中的S和錳反應產生的MnS在爐料中的積累達到一定程度，就會產生過量，從而產生上述缺陷。
為了減少鐵水中的MnS含量，一般用加入一定量的優(yōu)質新生鐵（低S低Mn）來調整，另外提高孕育效果，可使MnS細化，減弱其不良影響。
這是由于高牌號灰鐵HT300成分要求Mn含量較高（1%左右），加之廢鋼自身錳也高（船板中的16錳鋼含Mn在1.6%），而廢鋼中的S以及回爐鐵（包括鐵屑）中的S和錳反應產生的MnS在爐料中的積累達到一定程度，就會產生過量，從而產生上述缺陷。
為了減少鐵水中的MnS含量，一般用加入一定量的優(yōu)質新生鐵（低S低Mn）來調整，另外提高孕育效果，可使MnS細化，減弱其不良影響。
巧合的是現(xiàn)代的坦克制造中，優(yōu)秀的錳鋼也是必不可少的材料選擇，尤其是履帶，幾乎全是錳鋼制造。
然而，高錳鋼是沒有磁性的，而玄鐵重劍是有的……
目前比較主流的一種說法是：鎢鋼。鎢鋼是有名的硬質金屬，它的熔點高，硬度高，而且不易變形。
中錳鋼經逆相變處理后可獲得高強度、高塑性的力學性能。下頁圖2 為第三代汽車鋼在不同退火時間后的拉伸真應力- 真應變曲線以及對應的加工硬化率曲線。由圖2 可知，其與單相組織（如純馬氏體）的單調遞減轉變行為明顯不同。第三代汽車鋼的加工硬化率由三階段構成：在變形初始階段，加工硬化率快速下降；隨著變形量的增加，加工硬化率逐漸增加；然后再逐漸降低。
作為典型的第三代先進高強度鋼，將中錳鋼加熱至750℃即可獲得全奧氏體組織，擴大了熱成形工藝窗口。
熱沖壓成形技術與裝備研究進展
本研究團隊在中國汽車產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金（編號：U1564202）、湖北省技術創(chuàng)新專項重大項目（編號：2016AAA053）等資助下，圍繞超高強度硼鋼熱沖壓成形機理、技術及裝備開展了相關研究。
尤其是自2010年在國家973基礎研究項目中就開始了第三代汽車用鋼中錳鋼的研發(fā)工作，之后在2014年又獲得國家自然科學基金委鋼鐵聯(lián)合基金重點項目的支持，持續(xù)對中錳鋼進入深入系統(tǒng)的研究，在該領域積累了豐富的經驗和知識。這些積累極大地幫助了這一全新的成分體系的設計及其加工工藝，并最終成功地在鋼材中引入了大量的可移動位錯。國立臺灣大學的顏鴻威團隊則通過材料的先進表征技術證實了該機理的正確性（圖3）。
