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超高強度是鋼材的研究方向

發表時間:2015-03-17 11:34  責任編輯:山東基諾悅  點擊:
超高強度是鋼材的研究方向
超高強度鋼現在已發展成為應用范圍很廣的一類重要鋼種,如已經大量應用于火箭發動機外殼、飛機起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領域。
    綜合媒體2007年8月28日報道,隨著潔凈化、微合金和控軋控冷等先進冶金技術在鋼鐵企業的逐步推廣和應用,鋼材的品質得到了大幅度提高,發達國家正在研制相當于目前常用鋼材抗拉強度數倍的超高強度鋼。這種鋼具有超細化、超潔凈、超均質的組織和成分 的特征,以及超高強度和超高韌性的特點。超高強度鋼與普通結構鋼的強度的界限目前尚無統一規定,習慣上是將室溫抗拉強度超過1,400MPa、屈服強度大于1,200MPa 的鋼稱為超高強度鋼。超高強度鋼除了要求其高的抗拉強度外,還要求具有一定塑性和韌性、盡可能小的缺口敏感性、高的疲勞強度、一定的抗蝕性、良好的工藝性能、符合資源情況及價格低廉等。超高強度鋼現在已發展成為應用范圍很廣的一類重要鋼種,如已經大量應用于火箭發動機外殼、飛機起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領域,而且其使用范圍正在不斷地擴大到建筑、機械制造、車輛和其它軍事裝備上。因此,超高強度鋼不僅是鋼鐵材料研究的重要方向,而且具有廣闊的應用和發展前景。
    超高強度鋼的發展
    超高強度合金鋼是為滿足某些特殊要求發展起來的,按其物理冶金學特點,超高強度鋼大體可以分為低合金超高強度鋼、二次硬化超高強度鋼和馬氏體時效鋼。典型的低合金超高強度鋼是AISI 4340 和D6AC;典型的二次硬化型中,合金超高強度鋼是HY180 和AF1410,由于馬氏體時效鋼屬高合金鋼,在這里將不擬述及。
    1.低合金超高強度鋼
    低合金超高強度鋼大多是AISI 4130、4140、4330 或4340的改進型鋼種。AISI 4340 是最早出現的低合金超高強度鋼,它于1950年開始研究,并于1955年開始用于飛機起落架。通過淬火和低溫回火處理,AISI 4130、4140、4330 或4340鋼的抗拉強度均可超過1,500MPa,而且缺口沖擊韌性較高。
    為了抑制低合金超高強度鋼回火脆性,1952年美國國際鎳公司開發了300M。該鋼通過添加了1%至2%的硅來提高回火溫度(260至315攝氏度),并可抑制馬氏體回火脆性。另外,通過調整碳含量和添加少量釩,又開發了AMS 6434 和LadishD6AC鋼。20世紀80年代,中國通過對AISI 4330的改進,研制開發了高強韌性能的685和686裝甲鋼。在AISI 4340 的基礎上,中國還研制了新型超高硬度695裝甲鋼,其抗穿甲彈防護系數達到1.3以上。值得注意的是,盡管以4340和300M 鋼為代表的低合金超高強度鋼具有高強度,但它們的斷裂韌性和抗應力腐蝕能力都比較差,因而其應用受到了一定的限制。
    2.二次硬化超高強度鋼
    隨著航空工業的快速發展,開發強度高、斷裂韌性好、可焊接性好的新型航空材料成為發展方向。研究者于20 世紀70 年代開發了HY180鋼。為了達到航空構件材料的損傷容限和耐久性,70 年代末Speich 和Chendhok 等在對Fe10Ni 系合金鋼進行的研究基礎上,對HYl80 進行了改進,開發了AF1410超高強度合金鋼,該鋼經830℃油淬正510℃時效后,σ0.2大于等于1517MPa,KⅠc大于等于154MPa m1/2。因此該鋼以極高的強韌性、良好的加工性能和焊接性能成為受航空界歡迎的一種新型高強度鋼。
    在保持AF 1410 超高強度合金鋼良好韌性的基礎上,為進一步提高其強度及在海水環境中的抗應力腐蝕開裂性能和降低韌脆性轉變溫度,1991 年Hemphill 等開發了Aermet100 超高強度合金鋼。該鋼與AF 1410 鋼相比,強度有了進一步提高(屈服強度提高到2000 MPa),但韌性稍有下降(斷裂韌性為115MPa m1/2)。
    中國近年來一直在二次硬化鋼上尋求突破,現在已經成功地研制出具有中國特色的G99 和G50 新型超高強度鋼。G50 是一種經濟型無鈷低合金超高強度鋼,是中國自行研制的用于航天的專利鋼種,其主要特點是成本低、高強高韌。
    中國超高強度鋼的研究進展
    1.低合金超高強度鋼
    中國低合金超高強度鋼的研究開始于20 世紀50 年代,一是仿制國外已有的牌號,五六十年代主要以仿制前蘇聯的鋼種為主,如30CrMnSiNi2A,70 年代開始以仿制美國的鋼種為主,如4340、300M、D6AC 等。二是根據中國的資源情況和工程的需要,自主開發研制了具有中國特點的低合金超高強度鋼,如406 鋼等。
    中國成功仿制了一系列國外鋼種,在許多重大工程中發揮了很大作用。最早研制的30CrMnSiNi2A 是仿制前蘇聯30XГCH2A 鋼生產的。70 年代開始仿制美國的鋼種,最具代表性的有40CrNi2MoA 鋼,是仿4340 鋼研制而成的;40Si2Ni2CrMoVA 鋼是仿美國的300M 鋼研制的,45CrNiMo1VA是仿D6AC 鋼研制的。
    在50年代,中國立足國內資源,走自我研制的道路,先后研制出一系列新型合金鋼種,如無鎳鉻的35Si2Mn2MoVA,不含鎳的406、D406A、40CrMnSiMoVA(GC-4),含少量鎳的37Si2MnCrNiMoVA 等。406 鋼是國內自行設計、自行研制最成功的典范,它是為解決航天固體火箭發動機殼體材料而研制的超高強度鋼。為了提高材料的韌性又開發了D406A。
    中國常規武器用超高強度鋼自50 年代開始研究以來,在科研人員的努力下,開發出一批符合中國資源配比的高強度鋼,它們廣泛應用于國內步兵輪式戰車、槍、炮、彈等領域。中國新研發的速射武器身管用鋼獲得了國家二等科技發明獎,該鋼屬貝氏體鋼范疇,經調質處理后具有優良的綜合力學性能、高溫性能及疲勞性能,應用于速射武器身管、耐燒蝕零件(如氣體調整器、活塞等。另外,立足于中國資源而研制的中碳低合金鋼,該鋼主要用于制造機槍的槍管、活塞、擊針以及小口徑火炮的炮箱、受彈器、高強度螺栓和軸等。新型高硬度裝甲鋼,是中國為改善高壓鎢鋼焊接性能而自行研制的新鋼種,應用于輕型坦克的薄板裝甲板、履帶車輛等領域。
    2.二次硬化超高強度鋼的研究進展
    近年來,國內又先后研制了G99 和G50 兩種超高強度鋼。G99 是由中國鋼鐵研究總院、長城特殊鋼公司、航天部七O三所、東北大學共同承擔研制的,與國外應用最廣的AF1410相當,在航空航天上具有廣闊的應用前景。為了降低成本,中國開發了G50 鋼,該鋼的特點是價格低廉、強度韌性也很高,是具有中國特色的新型無鈷高強高韌鋼。G50 通過添加1.50%至2.30%的Si 來推遲低溫回火脆性,Si 同時起固溶強化的作用,為了細化晶粒,G50 中又加入了0.01%至0.06%的鈮。在有害氣體的控制上,中國的這兩種鋼都相當好,基本已經達到了高純凈度鋼的要求。
    提高超高強度鋼純凈度的冶煉工藝
    由于超高強度鋼具有很高的強度,因此這些鋼對各種表面缺陷如裂紋、夾雜、焊縫和表面加工所造成缺陷十分敏感。近年來如何降低超高強度鋼的缺口敏感性、提高鋼的韌性成為一個重要的研究方向。為了改善鋼的韌性,近年來冶金工作者圍繞如何降低鋼中有害雜質元素含量和改善夾雜物的形態以提高鋼的韌性進行了大量的研究。美國的鋼種多采用真空感應+真空自耗重熔的雙真空工藝,俄羅斯多采用電渣重熔的冶煉工藝。從生產檢驗標準的變化來看也說明人們在努力追求更高的純凈度和冶金質量。如美國的300M 鋼,1961年SAE 頒布了第一個標準,即采用非真空冶煉的AMS 6416,1968 年SAE 又頒布了采用真空冶煉的AMS 6417, 1976 年修訂為AMS 6417B, 1989 年修訂為AMS 6417C,到1991 年修訂為AMS 6417D。同樣,D6AC 的標準從1964 年的AMS6431A 到1980 年己修訂為AMS 6431F。每一次修訂均在鋼的內在質量、純凈度和低倍組織等方面提出了更高的要求。
    國內超強鋼的冶煉主要是通過雙真空爐來完成,即真空感應爐熔煉+真空電渣重熔,中國在研究G50 鋼的過程中采用了高純化熔煉新技術,這是保證鋼具有優良韌塑性的重要條件。該技術的主要特征是:根據G50 鋼成分特點,在真空感應冶煉過程中加入微量的稀薄渣及適量的Ca-Si 塊,以改變原有夾雜物的性質,從而提高G50的韌塑性。AMS6532中規定S小于等于0.005%、P小于等于0.008%、O小于等于0.0020%、N小于等于0.0015%、Al小于等于0.015%、Ti小于等于0.015%。Aermet 系列和中國的G99、G50 的純凈度都遠遠超過了這個標準的要求。
    超高強度鋼在軍事的應用
    AISI 4340 鋼是最早出現的低合金超高強度鋼,也是低合金超高強度鋼的典型代表。美國從1950 年開始研究4340鋼,1955 年正式用于飛機起落架。1952 年美國國際鎳公司研制開發出的300M 鋼在1966 年后作為美國的軍機和主要民航飛機的起落架材料而獲廣泛的應用,F-15、F-16、DC-10、MD-11 等軍用戰斗機都采用了300M 鋼,此外波音747 等民用飛機的起落架及波音767 飛機機翼的襟滑軌、縫翼管道等也采用300M 鋼制造。美國于60 年代初開始研制D6AC,它是由AISI 4340 鋼改進而成的低合金超高強度鋼,被廣泛用于制造戰術和戰略導彈發動機殼體及飛機結構件。到了70 年代中期,D6AC 逐漸取代了其它合金結構鋼,成為一種制造固體火箭發動機殼體的專用鋼種。美國新型地空導彈“愛國者”,小型導彈“紅眼睛”,大中型導彈“民兵”、“潘興”、“北極星”、“大力神”等,D6AC 還曾用于制造F-111 飛機的起落架和機翼軸等,成為宇航工業使用的優秀材料之一。
    俄羅斯在前蘇聯時期開始研制低合金超高強度鋼,時間大體上與美國同步,具有自己的鋼種體系,由于鎳的加入提高了鋼的強度、塑性和韌性,也提高了鋼的淬透性,由此改良和派生出了一系列鋼種。40XH2CMA 是在40XH2MA 基礎上發展起來的,40XH2CBA是用W 代替40X H2CMA中Mo而成的。近十幾年來他們又研制了新型經濟型的低合金超高強度鋼,其抗拉強度分別可達到1800至2000MPa 和1950至2150MPa。
    為滿足快速發展的航空工業對材料的需要,人們分析了航空構件的結構重量效率和對材料斷裂韌性的要求,提出了開發新型二次硬化高強度合金鋼來代替低合金超高強度鋼的目標。有資料顯示,美國ARDEC 公司曾將AF1410 制成120毫米 火炮身管前端3米 長的套管,以減輕火炮前部的質量,另外美國將此合金用于空間發射空間器材或作為攔截導彈的彈丸發射器使用。二次硬化鋼Aermet 100 是綜合性能最高的材料之一,也是國際上超高強度鋼研究的熱點,第四代戰斗機和航母艦載機起落架之首選材料。美國己成功地將其應用在最先進的F-22 隱形戰斗機起落架上和F-18 艦載機的起落架上。Aermet 100 鋼具有最佳的強韌性配合和廣泛應用前景,將成為未來軍事裝備中關鍵器件的首選材料。
    中國超高強度鋼的應用對象主要是航空工業,406 鋼是為解決航天固體火箭發動機殼體材料而研制的超高強度鋼,D406A 鋼降低了強度,但卻大幅度提高了韌性,已成為中國大中型固體火箭發動機的專用鋼種。1980 年中國開始仿制300M 鋼,從“六五”到“九五”期間,鋼鐵研究總院和撫順特殊鋼公司在鋼的純凈化方面做了大量的工作,并發展了超純冶金技術,將該鋼成功地用于殲擊機起落架上,使中國實現了飛機與起落架同壽命的壯舉。45CrNiMo1VA 鋼是仿美D6AC 研制的,已成功用于地空導彈的發動機殼體。“八五”期間成功用于制造反坦克導彈的發動機殼體和高壓氣瓶。
    45CrNiMo1VA 具有優良的強韌性配合及工藝性能,是制造薄壁殼體的理想材料,在航天領域具有廣闊的應用前景。32 鋼應用于速射武器身管、耐燒蝕零件;30SiMn2VA鋼用于制造機槍的槍管、活塞、擊針以及小口徑火炮的炮箱、受彈器、高強度螺栓和軸等;616 鋼應用于輕型坦克的薄板裝甲板、履帶車輛等領域;38CrSi 用于制造裝甲車輛上的小軸、螺栓、履帶銷、行星齒輪、齒套、定位圈等多種零件;38CrNi3MoVA 為聯合研發的低合金超高強鋼,其綜合力學性能超過PCrNi3MoVA 鋼,是國內火炮身管用鋼、大型受力部件的理想材料。
    低合金超高強度鋼的生產成本低廉,生產工藝比較簡單,仍然是今后在軍事裝備中使用量最大的鋼種。通過提高冶金質量、調整成分和改善熱處理工藝,這類鋼可滿足各種使用要求。
    二次硬化超高強度鋼具有極高的強度和良好的強韌性匹配,還具有良好的抗海水腐蝕性能和極好的焊接性能等特點,是超高強度鋼中的佼佼者。通過這些鋼的應用可以極大地推進武器裝備輕量化、緊湊化的進程,對提高武器裝備的戰術技術性能具有重要作用。因此,中國的發展重點應是大力開發經濟型二次硬化超高強度鋼,以滿足飛機的承力部件、坦克和裝甲車輛的結構件、火炮身管和各種槍械等研制的需求,這將對兵器裝備的發展、研制水平的提升都有十分重要的作用。
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