2015年我國(guó)碳素鋼行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局分析

　　據(jù)碳素鋼行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)了解，實(shí)現(xiàn)鋼材產(chǎn)品的升級(jí)，開(kāi)發(fā)高性能、高精度、低成本和綠色化的鋼鐵材料，是當(dāng)前鋼鐵企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的“紅?！敝姓痉€(wěn)腳跟、突圍發(fā)展的迫切希望，也是適應(yīng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。碳素鋼作為近代工業(yè)中用量最大的基本材料，其質(zhì)量提升、品種拓展、使用范圍擴(kuò)大受到了世界各工業(yè)國(guó)家的重視。現(xiàn)對(duì)2015年我國(guó)碳素鋼行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局分析。

　　面對(duì)著經(jīng)濟(jì)日益增長(zhǎng)的發(fā)展需求和不斷惡化的資源環(huán)境問(wèn)題，各用鋼行業(yè)對(duì)鋼鐵工業(yè)都提出越來(lái)越高的要求。一方面，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)需要高性能、高精度和低成本的先進(jìn)鋼鐵材料;另一方面，社會(huì)的發(fā)展對(duì)鋼鐵的生產(chǎn)、加工、使用和回收等環(huán)節(jié)又提出了節(jié)約能源、節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境等要求。從科學(xué)發(fā)展的角度來(lái)看，開(kāi)發(fā)高性能、高精度、低成本和綠色化的鋼鐵材料是適應(yīng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

　　根據(jù)這些要求，碳素鋼具有明顯的發(fā)展優(yōu)勢(shì)和潛力：首先，在碳素鋼中不含Nb、V、Ni和Mo等價(jià)格昂貴的合金元素，具有生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)。其次，碳素鋼因節(jié)約了合金資源，避免了合金元素在鋼中無(wú)法回收的問(wèn)題，有利于滿(mǎn)足鋼材循環(huán)利用的要求。再其次，碳素鋼易于切削加工，成形性好，具有高精度的特點(diǎn)。因此，在此基礎(chǔ)上，如果能充分提高碳素鋼的強(qiáng)度，改善其綜合性能，那么我國(guó)具有高產(chǎn)量的碳素鋼將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。

　　控制納米滲碳體的析出是關(guān)鍵

　　鋼鐵材料的基本強(qiáng)化機(jī)制主要包括固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化，通過(guò)這些強(qiáng)化機(jī)制來(lái)控制微觀組織以獲得最優(yōu)綜合性能。而固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化在應(yīng)用中都存在一定的局限性。

　　滲碳體是鋼中最常見(jiàn)且最經(jīng)濟(jì)的第二相，也是碳素鋼中最主要的強(qiáng)化相。它的形狀與分布對(duì)鋼的性能有著很大的影響。在碳素鋼中，滲碳體的體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到10%而無(wú)須增加生產(chǎn)成本。根據(jù)第二相強(qiáng)化理論，若能有效地使?jié)B碳體細(xì)化到數(shù)十納米的尺寸，將可以產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的第二相強(qiáng)化效果，起到與微合金碳化物一樣的強(qiáng)化作用，在極大地節(jié)約生產(chǎn)成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)鋼材的高性能。

　　在不添加任何特殊合金元素的前提下，如果要在碳素鋼中利用納米滲碳體的析出達(dá)到強(qiáng)化的作用，那么只有通過(guò)控軋控冷工藝控制亞共析鋼中共析滲碳體的析出行為才有可能實(shí)現(xiàn)。然而，在傳統(tǒng)熱軋工藝的冷卻過(guò)程中，碳鋼發(fā)生共析轉(zhuǎn)變生成珠光體，滲碳體往往呈片層狀生長(zhǎng)，而并非以納米顆粒形式析出。此外，滲碳體沉淀析出后，會(huì)立即發(fā)生聚集長(zhǎng)大過(guò)程。滲碳體的熟化速率一般比微合金碳氮化物要高2.5個(gè)~4個(gè)數(shù)量級(jí)，即使在很低的溫度下，滲碳體也會(huì)發(fā)生明顯的粗化。因此，如何通過(guò)控制熱軋工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)亞共析鋼中納米滲碳體的析出將是該研究方向的難題之一。

　　研究人員對(duì)碳素鋼中納米滲碳體控制和鋼材強(qiáng)韌化影響機(jī)理方面的最新進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，在此基礎(chǔ)上提出了制備納米滲碳體強(qiáng)韌化熱軋鋼材的生產(chǎn)工藝技術(shù)。

　　熱力學(xué)分析提供理論證明

　　Nb、V、Ti等合金的碳氮化物是在近平衡條件下析出的穩(wěn)定相。而碳素鋼中的滲碳體，在近平衡條件下通常形成片層的珠光體結(jié)構(gòu)，無(wú)法形成納米級(jí)滲碳體顆粒的析出，顆粒狀滲碳體是在較大過(guò)冷度條件下形成的亞穩(wěn)相。因此，須要利用KRC和LFG等熱力學(xué)模型對(duì)在超快速冷卻條件下過(guò)冷奧氏體的相變驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，分析碳素鋼形成納米級(jí)滲碳體顆粒的可能性和規(guī)律性，為熱軋實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。

　　根據(jù)KFC和LFG模型，過(guò)冷奧氏體存在3種可能的相變機(jī)制。一是先共析轉(zhuǎn)變，即由奧氏體中析出先共析鐵素體，余下的是殘余奧氏體;二是退化珠光體型轉(zhuǎn)變，奧氏體分解為平衡濃度的滲碳體和鐵素體;三是奧氏體以馬氏體相變方式轉(zhuǎn)變?yōu)橥煞值蔫F素體，然后在過(guò)飽和的鐵素體中析出滲碳體，自身成為過(guò)飽和C含量較低的鐵素體。

　　計(jì)算結(jié)果顯示，KRC和LFG模型得到的相變趨勢(shì)大體是一致的，過(guò)冷奧氏體以退化珠光體方式轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力最大(負(fù)值最多)，以先共析鐵素體方式轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力次之，以馬氏體相變方式轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力最小。如果過(guò)冷奧氏體組織發(fā)生退化珠光體轉(zhuǎn)變，分解生成平衡濃度的滲碳體和鐵素體，那么在實(shí)際熱軋過(guò)程的超快速冷卻條件下，碳原子的擴(kuò)散將受到抑制，在短時(shí)間內(nèi)滲碳體將很有可能無(wú)法充分長(zhǎng)大成片層結(jié)構(gòu)而直接形成彌散分布的納米級(jí)顆粒。因此，熱力學(xué)的計(jì)算結(jié)果從理論上證明了通過(guò)增大軋后冷速實(shí)現(xiàn)組織中滲碳體顆粒納米級(jí)析出的可能性。

　　超快速冷卻工藝

　　在熱力學(xué)模型計(jì)算提供理論依據(jù)的基礎(chǔ)上，研究人員采用C含量為0.17%和0.33%的碳素鋼材料進(jìn)行了熱軋實(shí)驗(yàn)。在兩種實(shí)驗(yàn)鋼的成分設(shè)計(jì)中采用了不同的碳含量，并且都無(wú)微合金元素添加。實(shí)驗(yàn)鋼在熱軋結(jié)束后，立即采用超快速冷卻，冷卻速率為100℃/s~120℃/s，控制超快速冷卻終冷溫度，并與后續(xù)層流冷卻相配合，在500℃的溫度區(qū)間進(jìn)行卷取。

　　結(jié)果顯示，當(dāng)超快速冷卻終冷溫度持續(xù)降低時(shí)，兩種實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有明顯的提高，而且變化趨勢(shì)相當(dāng)。與傳統(tǒng)ACC層流冷卻工藝對(duì)比，當(dāng)采用超快速冷卻終冷時(shí)，兩種實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度增量都超過(guò)100MPa。當(dāng)然，材料的延伸率相應(yīng)地略有下降。實(shí)驗(yàn)鋼的組織由黑色的鐵素體區(qū)和白色的珠光體區(qū)組成。珠光體在組織中占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，而且隨著鋼中碳含量的增加，組織中珠光體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，鐵素體分?jǐn)?shù)相應(yīng)減少。鐵素體的內(nèi)部組織非常純凈，無(wú)析出物分布。實(shí)驗(yàn)鋼中的珠光體形貌已經(jīng)不再是傳統(tǒng)的片層狀結(jié)構(gòu)，而是發(fā)生了退化，片層結(jié)構(gòu)被打破，生成了短片狀、橢圓形甚至接近圓形的納米顆粒。這種由均勻的過(guò)冷奧氏體直接形成的非片狀珠光體叫作退化珠光體，這一過(guò)程叫作珠光體退化。兩種實(shí)驗(yàn)鋼中都有大量納米級(jí)滲碳體彌散析出，顆粒尺寸在10 個(gè)~100個(gè)納米的范圍內(nèi)，通過(guò)超快速冷卻技術(shù)在無(wú)微合金添加的條件下實(shí)現(xiàn)了碳鋼組織中滲碳體的納米級(jí)析出。

　　可見(jiàn)，超快速冷卻工藝可以在不增加合金成分的條件下，明顯提高鋼材強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)鋼材的產(chǎn)品升級(jí)，例如Q235和Q345的升級(jí)軋制。

　　超快速冷卻+形變熱處理工藝

　　雖然通過(guò)超快速冷卻在無(wú)微合金添加的條件下實(shí)現(xiàn)了滲碳體以納米顆粒的形式析出，但組織中滲碳體的析出分布并不均勻，依然存在一定量的先共析鐵素體區(qū)。由于先共析鐵素體碳含量非常低，內(nèi)部非常純凈，并無(wú)滲碳體析出，對(duì)于整體組織而言，在納米滲碳體析出時(shí)無(wú)法達(dá)到均勻強(qiáng)化的效果。因此，在超快速冷卻的基礎(chǔ)上，研究人員對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼繼續(xù)采用形變熱處理(TMT)工藝，以實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)烈的第二相強(qiáng)化作用。

　　他們對(duì)0.17%C實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行了超快速冷卻和形變熱處理工藝研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用超快速冷卻和形變熱處理相結(jié)合的工藝強(qiáng)化效果遠(yuǎn)高于單獨(dú)采用超快速冷卻的工藝情況，實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度得到明顯提高，屈服強(qiáng)度可達(dá)到600MPa以上，甚至超過(guò)700MPa，實(shí)現(xiàn)了屈服強(qiáng)度的翻倍增長(zhǎng)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度隨著超快速冷卻終冷溫度的降低而升高，而延伸率隨著超快速冷卻終冷溫度的降低呈下降趨勢(shì)，變化范圍是16%~25%。在變形熱處理工藝條件下，實(shí)驗(yàn)鋼實(shí)現(xiàn)了基體組織的均勻化，形成了更加單一的組織結(jié)構(gòu)。在這樣單一的組織基體中，先共析鐵素體基本消失，并不存在明顯的貧碳區(qū)和富碳區(qū)。通過(guò)高倍的透射電鏡進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在單一的基體上均勻彌散地分布著大量納米滲碳體顆粒。與單獨(dú)的超快速冷卻工藝相比，相變前的變形產(chǎn)生了更多的形核位置，使得在保溫過(guò)程中，滲碳體得到更加充分的析出，而且尺寸小而均勻，大約為30nm~50nm。在超快速冷卻+變形熱處理工藝中，實(shí)驗(yàn)鋼的彈性極限顯著地提高，材料保持完全彈性變形的能力明顯增強(qiáng)。材料的屈服強(qiáng)度得到翻倍增加，抵抗初始塑性變形的能力提高。同時(shí)，屈服平臺(tái)消失，有利于提高材料加工時(shí)的表面質(zhì)量問(wèn)題。

　　該工藝可以實(shí)現(xiàn)普通結(jié)構(gòu)鋼更新?lián)Q代的作用，在使用溫度低于100℃的工作條件下，作為結(jié)構(gòu)件可以取代部分微合金鋼，還可以應(yīng)用于要求具備高彈性變形能力的部件中，例如彈簧鋼。此外，更重要的一點(diǎn)，如果根據(jù)市場(chǎng)需求，在實(shí)驗(yàn)鋼中加入一定量的合金成分，那么在該工藝條件下，其性能勢(shì)必會(huì)有更加明顯的提高和改進(jìn)，這也是未來(lái)鋼種開(kāi)發(fā)重要的發(fā)展方向之一。

　　超快速冷卻+球化退化工藝

　　碳素鋼行業(yè)市場(chǎng)調(diào)查分析報(bào)告顯示，在注重強(qiáng)度提高的同時(shí)，鋼材的成形性和可加工性也是評(píng)定鋼鐵材料綜合性能的重要一部分，其中擴(kuò)孔性能是評(píng)價(jià)鋼板沖壓成形性能的重要指標(biāo)之一。

　　一般說(shuō)來(lái)，鋼板的擴(kuò)孔性能往往隨著強(qiáng)度的升高而降低，隨著延伸率的提高而增強(qiáng)。從組織的角度看，沒(méi)有珠光體和大塊滲碳體組織的鐵素體鋼板在外加載荷后具有超高的延伸率和塑性成形性，因?yàn)檫@樣的組織有利于位錯(cuò)的移動(dòng)以減少局部的應(yīng)力集中，從而減少脆性斷裂的可能性。

　　因此，將超快速冷卻技術(shù)應(yīng)用于高擴(kuò)孔性中碳鋼的開(kāi)發(fā)過(guò)程，在準(zhǔn)確控制溫度的前提下實(shí)現(xiàn)了軋后高速冷卻，抑制了碳元素的擴(kuò)散，保證碳在初始組織中的均勻性，并通過(guò)后續(xù)退火工藝在鐵素體基體上形成均勻彌散的球化滲碳體組織。其中軟化相鐵素體具有高塑性和韌性，賦予鋼材良好的形變能力和成形性能。而彌散分布的滲碳體具有高強(qiáng)度，起到第二相強(qiáng)化作用，以保證鋼材能夠承受外加載荷。0.33%C實(shí)驗(yàn)鋼在經(jīng)過(guò)超快速冷卻+球化退化工藝處理后，滲碳體顆粒的直徑范圍為100nm~300nm。這樣均勻細(xì)化的組織結(jié)構(gòu)可以有效地避免相鄰微孔的聚合，以達(dá)到優(yōu)異的擴(kuò)孔性能和延伸性能。其擴(kuò)孔性能非常突出，擴(kuò)孔周?chē)谋诿娼拼怪庇谠嚇拥某跏计矫?，幾乎達(dá)到了擴(kuò)孔極限，其測(cè)量值為165.8%。

　　該工藝生產(chǎn)的高擴(kuò)孔性中碳鋼可以作為一體化冷擠壓成形的材料應(yīng)用到市場(chǎng)中，例如生產(chǎn)變速器的傳動(dòng)板、差速器錐齒輪和離合器零件等這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的傳動(dòng)系配件，滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)低成本、減量化的發(fā)展要求。