一、研究的背景與問(wèn)題
第二相粒子調(diào)控是實(shí)現(xiàn)鋼鐵材料強(qiáng)韌化的重要手段，在組織中形成尺寸細(xì)小、彌散分布、成分可控的第二相粒子，可以改良傳統(tǒng)大尺寸第二相屬性，成為晶界釘扎和相變形核質(zhì)點(diǎn)，變害為利，使鋼材具有優(yōu)異的韌性、抗硫化氫腐蝕能力，尤其能夠顯著提升焊接性能。但在本項(xiàng)目實(shí)施前，甚至在實(shí)施過(guò)程中，普遍存在第二相氧化物粒子難以精細(xì)化和穩(wěn)定化控制的問(wèn)題，出現(xiàn)多批次多鋼種性能大幅波動(dòng)現(xiàn)象，這源于技術(shù)理論理解不充分和工藝控制方法不成熟，主要體現(xiàn)在以下幾方面：
（1）關(guān)于復(fù)合第二相粒子精細(xì)化技術(shù)控制原理缺乏系統(tǒng)研究，針對(duì)脫氧合金體系、元素復(fù)合時(shí)序性、誘發(fā)組織相變機(jī)制、強(qiáng)韌性等級(jí)匹配等問(wèn)題尚不明確，冶煉、軋制、冷卻和熱處理全流程中復(fù)合第二相粒子的演化行為和作用機(jī)理還未掌握。
（2）利用鋼中第二相異質(zhì)粒子進(jìn)行焊接熱影響區(qū)性能調(diào)控的技術(shù)手段還不成熟，晶內(nèi)第二相異質(zhì)形核促進(jìn)針狀鐵素體的生長(zhǎng)機(jī)制仍不清楚，特別是當(dāng)焊接熱輸入提高時(shí)，如何利用第二相粒子以何種機(jī)制保證焊接韌性成為共性難題。
（3）復(fù)合第二相粒子的種類、尺寸、分布與材料低溫韌性的改善關(guān)系還有待明確，減少斷裂裂紋源的方法缺少理論指導(dǎo)和實(shí)踐驗(yàn)證，通過(guò)改性復(fù)合第二相粒子調(diào)控不可逆氫陷阱密度提高抗氫致開(kāi)裂的理論有待完善。
（4）針對(duì)免預(yù)熱焊接工藝的高強(qiáng)鋼開(kāi)發(fā)缺少理論指導(dǎo)和工藝思路，在高強(qiáng)鋼的高合金成分的設(shè)計(jì)體系中復(fù)合粒子合金元素的選用和控制方法成為難題，后續(xù)焊接工藝過(guò)程中組織匹配調(diào)控方法有待進(jìn)一步探討。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
基于上述背景，2012年起，依托“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)“高強(qiáng)度、大規(guī)格、易焊接海洋工程用鋼及應(yīng)用”等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，開(kāi)展“產(chǎn)學(xué)研用”項(xiàng)目合作，對(duì)復(fù)合第二相精細(xì)化控制技術(shù)提升中厚板焊接性、低溫韌性、耐酸腐蝕性等關(guān)鍵性能的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，建立了高強(qiáng)高韌鋼鐵材料冶煉、軋制、冷卻、熱處理以及焊接工藝全流程一體化第二相控制體系技術(shù)。該技術(shù)在超大熱輸入船舶海工鋼、高強(qiáng)韌管線鋼等系列產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)了推廣應(yīng)用。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1.本項(xiàng)目系統(tǒng)研究了復(fù)合第二相在鋼液中析出的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)條件，揭示了微細(xì)第二相粒子的復(fù)合球化析出行為和形成規(guī)律。針對(duì)不同鋼種性能需求實(shí)現(xiàn)個(gè)性定制化的復(fù)合第二相粒子設(shè)計(jì)和控制，明確了特定氧勢(shì)條件下Ti、Ca等元素添加時(shí)序性，闡明了第二相微細(xì)化、復(fù)合化、球狀化、彌散化控制的關(guān)鍵共性技術(shù)原理，開(kāi)發(fā)冶煉、軋制、冷卻、熱處理全流程一體化第二相控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有高溫?zé)岱€(wěn)定性的復(fù)合第二相粒子在鋼中基體細(xì)小彌散分布。
2.針對(duì)400MPa級(jí)具有高熱輸入焊接需求的船舶海工鋼種，形成以MgO-Al2O3為核心外層包裹TiO2的典型復(fù)合第二相體系，在冷卻相變后明確典型復(fù)合第二相粒子與AF間的晶體學(xué)關(guān)系以及周圍奧氏體穩(wěn)定元素的溶質(zhì)分布狀態(tài)，揭示溶質(zhì)貧乏及低能共格界面誘導(dǎo)晶內(nèi)異質(zhì)形核機(jī)理，掌握亞微米尺寸大基數(shù)復(fù)合第二相誘導(dǎo)生成具有大角度晶體取向的細(xì)密狀針狀鐵素體的控制方法。解決低碳高強(qiáng)鋼HAZ在大線能量條件下發(fā)生組織粗化、韌性惡化的核心難題。
3.針對(duì)500MPa級(jí)高強(qiáng)韌和耐蝕管線鋼，本項(xiàng)目改性鋼中傳統(tǒng)第二相，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)第二相粒子復(fù)合彌散化分布，減少因大尺寸硬脆類第二相導(dǎo)致的裂紋源產(chǎn)生，通過(guò)TMCP工藝控制多相組織比例協(xié)調(diào)加工變形能力，具有小尺寸鐵素體晶粒和大角度晶界占比的基體組織為裂紋擴(kuò)展提供有效的阻礙作用。闡明通過(guò)第二相改性提高不可逆氫陷阱密度改善鋼材耐硫化氫腐蝕性能機(jī)理，提升耐硫化氫蝕性能和延遲斷裂性能。解決管線鋼在大變形條件下韌性不足、在服役過(guò)程中耐腐蝕性能不足的問(wèn)題。
4.針對(duì)高強(qiáng)免預(yù)熱易焊接鋼Q690D，采用高合金比例低碳當(dāng)量的成分體系設(shè)計(jì)，利用Zr合金化形成復(fù)合第二相粒子，并結(jié)合TMCP特種工藝形成全板厚第二相及相變組織均勻化控制。明確微細(xì)復(fù)合第二相粒子在高溫下降低奧氏體晶界遷移速率、延緩?qiáng)W氏體晶粒長(zhǎng)大機(jī)制，結(jié)合異質(zhì)形核作用在HAZ中形成具備大角度晶界的多位向貝氏體組織，抑制裂紋擴(kuò)展，滿足焊接強(qiáng)韌性需求，解決高強(qiáng)鋼韌性不足、焊前預(yù)熱的難題。
四、應(yīng)用情況與效果
2015年以來(lái)，本項(xiàng)目成果已經(jīng)在南鋼進(jìn)行了重點(diǎn)推廣和應(yīng)用，其中DH36-W200、EH460-W150和Q690D等產(chǎn)品總體技術(shù)達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平，E40-W600系列產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)首家獲得ABS、BV、CCS、DNV、LR多家船級(jí)社認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)下游用戶焊接效率提高8倍以上。
南鋼A~EH36-W100~200-Z35高熱輸入焊接船體及海工結(jié)構(gòu)用鋼應(yīng)用于半潛打撈工程船、FPSO、集裝箱船、液化石油氣船等項(xiàng)目，經(jīng)用戶反饋，產(chǎn)品板型平整，力學(xué)性能均勻穩(wěn)定，強(qiáng)韌性匹配優(yōu)良，具有良好的可焊性。
2019年7月南鋼X80管線鋼應(yīng)用于中俄東線天然氣管道項(xiàng)目。2022年，南鋼X80M鋼板用于西氣東輸三線和四線天然氣管道項(xiàng)目，鋼板制管后焊接性能穩(wěn)定，熱影響區(qū)及焊縫沖擊功數(shù)據(jù)指標(biāo)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)，鋼管整體表現(xiàn)出良好的強(qiáng)韌性。
2019年，南鋼生產(chǎn)的60mm厚Q690D鋼板采用獨(dú)特的治煉工藝和生產(chǎn)流程，國(guó)內(nèi)首次通過(guò)免預(yù)熱焊接工藝評(píng)定，焊接接頭的性能指標(biāo)顯著提升。
以綠色、高效為目標(biāo)的多尺度復(fù)合第二相精細(xì)化調(diào)控一體化技術(shù)具有行業(yè)示范和推廣作用，大幅提高下游用戶生產(chǎn)效率，減少資源能源消耗，符合國(guó)家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型綠色材料工業(yè)的總體要求。南鋼建立了高強(qiáng)高韌鋼鐵材料多尺度復(fù)合第二相精細(xì)化調(diào)控控制工藝技術(shù)體系，提升我國(guó)船舶海工、交通運(yùn)輸、工程機(jī)械、能源環(huán)保等領(lǐng)域關(guān)鍵核心材料的國(guó)產(chǎn)化保障，有力支持并促進(jìn)我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和下游行業(yè)的快速高質(zhì)量發(fā)展，提升了我國(guó)鋼鐵行業(yè)水平和全球競(jìng)爭(zhēng)力。
信息來(lái)源：南京鋼鐵股份有限公司
