日前，在經(jīng)過“代表現(xiàn)場講述+專家提問點評+評分綜合排名”后，《提高板材煉鐵總廠硫銨收率》等5項來自板材公司基層單位的精益課題從14項精益課題中脫穎而出，被評為板材公司2024年第一期優(yōu)秀精益課題，標(biāo)志著板材公司2024年第一期精益課題大賽圓滿結(jié)束。這是板材公司以精益課題為抓手，輻射引領(lǐng)骨干“克難關(guān)、創(chuàng)效益”，不斷拓寬降本增效新路徑的一個縮影。
今年以來，板材公司秉承本鋼集團“改革+精益”“數(shù)字+科技”四輪驅(qū)動戰(zhàn)略，深入落實“六化”“六有”生產(chǎn)經(jīng)營理念，以汽車鋼戰(zhàn)略為中心，堅持“對標(biāo)+精益”，圍繞精益運營與集中一貫管理相結(jié)合、精益現(xiàn)場與五制配套相融合的整體思路，將精益管理融入生產(chǎn)經(jīng)營管理全流程、全鏈條，實現(xiàn)效益效率的全面提升，打造汽車鋼核心品牌，賦能企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
在實際工作中，板材公司將傳承和弘揚新時代“鞍鋼憲法”精神與深入開展精益管理工作有機結(jié)合，以五制配套計劃值管理為基礎(chǔ)，以對標(biāo)找差為方法，以降本增效為目的，聚焦核心問題，以課題創(chuàng)效，實現(xiàn)精益問效。為了最大限度激發(fā)職工的創(chuàng)新思維及創(chuàng)效能力，板材公司精益辦在全板材公司范圍內(nèi)開展精益課題大賽活動，活動分為兩期。經(jīng)立項階段、實施及結(jié)項階段板材公司過程輔導(dǎo)及結(jié)果評估，最終第一期精益課題大賽共有9家單位的14項精益課題參賽。
在板材公司2024年第一期精益課題大賽決賽評審中，本鋼集團精益辦負責(zé)人、板材公司科技創(chuàng)新部及運營管理中心業(yè)務(wù)骨干、愛波瑞公司顧問等專家評委，從經(jīng)濟效益、工具運用、邏輯思路、改善難度、成果固化、發(fā)表效果等維度，進行了生動的點評和客觀評價。精益課題講述人虛心聽取評審專家意見和建議，與評審專家進行了深入溝通和交流，實現(xiàn)以評促改、以評促效的目標(biāo)。最終，板材煉鐵總廠《提高板材煉鐵總廠硫銨收率》《提高新一號高爐產(chǎn)量》、板材熱連軋廠《降低2300線軋破硌印返修率》、本鋼浦項《降低4#鍍鋅機組輥系對帶鋼表面產(chǎn)生的劃傷缺陷》、板材冷軋總廠《提升酸洗入口時序》共5項精益課題被評為優(yōu)秀精益課題。
“精益課題是推動板材公司創(chuàng)效提質(zhì)的核心動力。不僅為全員建立一套結(jié)構(gòu)化問題解決思維，為職工提供了標(biāo)準(zhǔn)化的‘問題解決十步法模型’，而且進一步統(tǒng)一思想，共通語言，提升管理效率，最大限度釋放精益效能，對汽車鋼戰(zhàn)略的進一步落實落地奠定了堅實基礎(chǔ)，推動企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。”板材公司精益辦相關(guān)負責(zé)人說。
板材公司相關(guān)負責(zé)人，板材公司綜合管理部負責(zé)人、精益辦人員、各廠精益辦主任及精益辦掛職鍛煉人員出席本次大賽。
性。為了滿足對更高強度的需求，各鋼鐵企業(yè)根據(jù)不同成分設(shè)計開發(fā)了各種高強度螺栓用鋼，如表1所示。另一方面，為了實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展，限制稀有合金的使用，業(yè)內(nèi)正在開發(fā)更多的新型鋼材。
在這一社會背景下，日本神戶制鋼開發(fā)了一種用于高強度螺栓的1600MP級調(diào)質(zhì)鋼，在節(jié)省合金用量的同時，還兼具抗延遲斷裂性和冷鍛性。本文介紹了所開發(fā)鋼材的設(shè)計理念和性能。
1傳統(tǒng)鋼材和新開發(fā)鋼材的材料設(shè)計理念
在開發(fā)常規(guī)高強度螺栓用鋼時，原奧氏體晶界處的晶間斷裂是調(diào)質(zhì)型螺栓延遲斷裂的特征之一，因此，提高抗延遲斷裂性能的基本方針就是晶界強化，表2所示的成分設(shè)計現(xiàn)有已開發(fā)鋼材的共同特征。其中，添加Mo和V并在高溫下回火，并使片狀滲碳體球化，可提高韌性和抗延遲斷裂性，同時利用Mo和V碳化物的二次硬化實現(xiàn)高強度。不過，在這種設(shè)計模式下，隨著強度的提高，必須增加稀有金屬Mo的添加量。此外，還衍生出了制造性和合金成本問題，且高強度化也受到一定限制。
另一方面，非調(diào)質(zhì)型螺栓也是實現(xiàn)高強度和抗延遲斷裂的另一種方法。眾所周知，非調(diào)質(zhì)型螺栓沒有原奧氏體晶界，因此，即使提高強度，也不太可能發(fā)生脆化。另一個優(yōu)點是可以通過拉絲加工進行強化，而無需添加特殊合金，但高強度鋼材在螺栓成型技術(shù)上還存在一定問題，尚未得到廣泛應(yīng)用。
本研發(fā)的目的是在不使用稀有金屬Mo和節(jié)省合金用量的情況下，開發(fā)一種1600MPa級調(diào)質(zhì)型高強度螺栓用鋼，該鋼種兼具抗延遲斷裂性和冷鍛性。為了在不使用合金碳化物的情況下提高強度，可以降低回火溫度，但這會導(dǎo)致在原奧氏體晶界形成片狀粗大滲碳體，從而降低韌性。因此，在低溫回火時抑制片狀滲碳體的形成和長大，以及提高韌性，這些至關(guān)重要，故而重點關(guān)注了Si。由于Si能抑制滲碳體的形成和長大，因此，在現(xiàn)有鋼材中廣為使用。此外，有報道稱Si添加鋼在400℃左右回火時會產(chǎn)生氫捕獲效應(yīng)，從而有望提高抗延遲斷裂性能。另一方面，Si會降低冷鍛性和抗延遲斷裂性，因此，傳統(tǒng)的高強度螺栓鋼通常在設(shè)計時都會減少Si的含量，本研究過程中，嘗試積極利用Si，在節(jié)省合金用量的同時實現(xiàn)理想的強度和韌性。
當(dāng)從外部環(huán)境中滲透的氫超過斷裂極限時，就會發(fā)生延遲斷裂。強度越高，斷裂極限值越低，因此，控制氫滲透非常重要。此外，考慮到氫陷阱可能會加速氫滲透。在此次開發(fā)中，為了同時減少氫陷阱和氫氣滲透，添加了可以有效抑制氫滲透的Cu和Ni。表2顯示了新開發(fā)鋼的成分設(shè)計。
2成分對抗延遲斷裂性能的影響
為了驗證利用Si同時實現(xiàn)理想強度和韌性的新理念，使用表3所示的Si添加量不同的鋼材作為鋼樣，并以1000-1200MPa級SCM435和SCM440作為對比材料，進行延遲斷裂試驗。
圖1顯示了延遲斷裂試驗結(jié)果，在1200MPa以上的高強度范圍內(nèi)，鋼樣表現(xiàn)出與1000-1200MPa級SCM鋼材相同的抗延遲斷裂性能。此外，不同鋼樣間的比較表明，Si的添加量越高，在高強度范圍內(nèi)的性能越好。結(jié)果表明，1.8%Si鋼具有作為1600MPa級螺栓用鋼的應(yīng)用潛力。接下來，為了驗證添加Si對抑制晶間斷裂的影響，對抗拉強度1500-1600MPa的SCM440（1565MPa）和1.8%Si鋼（1604MPa）進行了延遲斷裂試驗后，對斷口進行了觀察，結(jié)果顯示，SCM440顯示出明顯的晶間斷裂，而1.8%Si鋼則沒有顯示出晶間斷裂，斷口顯示為準(zhǔn)解理斷口和韌窩的混合斷口。從斷口表面的觀察結(jié)果可以確認，1.8%Si鋼在1600MPa強度范圍內(nèi)的晶間斷裂受到了一定抑制。
為了考察Si對碳化物析出的影響，隨后對鋼樣和SCM440進行了金相組織觀察和差示掃描量熱分析（DSC），金相觀察結(jié)果顯示，隨著Si添加量的增加，碳化物變得更加細小，原奧氏體晶界上的碳化物也變得更細小。另外，通過比較1.8%Si鋼和SCM440，可以確認1.8%Si鋼中的碳化物明顯更細小。差示掃描量熱分析（DSC）結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著Si添加量的增加，滲碳體的析出溫度向高溫一側(cè)移動，1.8%Si鋼中的析出溫度超過了400℃，這表明1.8%Si鋼中的滲碳體析出明顯受到抑制，碳化物變得更細小。
測定了氫擴散系數(shù)，以驗證金相組織觀察中證實的碳化物細化是否產(chǎn)生了氫捕獲效應(yīng)。結(jié)果如圖3所示，氫擴散系數(shù)隨著Si含量的增加而降低，這表明碳化物細化改善了氫捕獲效應(yīng)，明顯抑制了鋼中的氫擴散。此外，還驗證了Cu和Ni對耐腐蝕性能的改善，其目的是減少從環(huán)境中滲透的氫氣量，結(jié)果如圖4所示。1.8%Si鋼的腐蝕量降低到SCM440的1/3左右。隨著耐腐蝕性能的提高，還能有效減少與腐蝕相關(guān)的氫滲透。
由此可以推斷，1.8%Si鋼由于減少了晶間碳化物，碳化物細化改善了氫捕獲效應(yīng)；由于添加了Cu和Ni，有效提高了耐腐蝕性，抑制了氫氣的滲透，從而提高了抗延遲斷裂性能。
3螺栓試制評估
作為最終評估，進行了螺栓試制，以評估螺栓的成型性、鍛造力和抗延遲斷裂性能。考慮到添加大量Si后相變溫度的變化，在進行球化退火后，在零件成型機上分三個階段進行了M8螺栓的試鍛。試制螺栓沒有出現(xiàn)裂紋或其他外觀質(zhì)量問題，且法蘭和頸部底部的鍛造流線無異常，成型性良好。
圖5顯示了試制螺栓的鍛造力。其中，1.8%Si鋼的鍛造力一直遠高于SCM435，但在第三階段差值僅為8%，可以順利成型。通過優(yōu)化球化退火條件，即使是Si添加量較高的鋼材也能順利進行鍛造。對試制螺栓進行了延遲斷裂試驗，結(jié)果如圖6所示。1.8%Si鋼在1600MPa級強度范圍內(nèi)的抗延遲斷裂性能高于1200MPa級的SCM435，借助螺栓的延遲斷裂試驗，也驗證了其作為1600MPa級鋼材的應(yīng)用潛力。
4結(jié)語
通過利用Si元素，神戶制鋼所自主開發(fā)出一種1600MPa級調(diào)質(zhì)型高強度螺栓用鋼，不僅節(jié)省了合金用量，同時具有抗延遲斷裂性和冷鍛性。該鋼種目前已投入批量生產(chǎn)，為了應(yīng)對碳中和挑戰(zhàn)，今后還將在高強度鋼領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
