軋制中心20周年 · 鋼鐵及有色金屬材料研發
2005年伊始，高效軋制國家工程研究中心在總結并吸取了學校與企業合作經驗的基礎上，更加強調團隊的協調合作機制，通過資源整合、學科交叉、產學研結合，確定了熱軋、冷軋、有色、特鋼和用戶技術五個主攻方向，組建了品種研發團隊。多年來，品種研發團隊針對高端金屬材料領域國家和行業的重大需求，通過購置、試制多種實驗儀器設備，建立了高端金屬材料基礎研究實驗室，在100多項國家級、省部級以及校企合作的科研項目的支持下，和企業緊密結合，按照“同一個隊伍、同一個目標、同一個機制、同一個任務”的指導思想，緊緊圍繞高端金屬材料的成分設計、組織調控、關鍵工藝技術的相關基礎研究，協助鋼鐵和有色金屬企業開發了多種新材料、新品種，走出了一條高校科技成果產業化發展的特色之路。
一熱軋產品領域
熱軋團隊承擔了多項國家“973”、“863”、科技支撐、自然科學基金等項目，并與鞍鋼、首鋼、河鋼、山鋼、湘鋼、南鋼、新鋼、重鋼等企業合作，開發出了系列高強工程機械用鋼、耐磨鋼、高強及耐蝕船板鋼、高等級及耐腐蝕管線鋼、低成本LNG儲罐鋼、核電用鋼等前沿產品。高品質管線鋼被稱為熱軋帶鋼和中厚板的精品，是冶金行業高技術含量、高附加值產品之一，也是一個企業工藝裝備、技術和管理等水平的綜合體現。同時，通過該產品的開發與批量生產，可以帶動企業綜合能力的提高。2006年以前，世界上只有日本、德國等國家的少數鋼鐵企業具備生產X100管線鋼能力，國內鋼鐵企業一直沒有建樹。鞍鋼和北科大合作后短短1年的時間里，研制生產的X100管線鋼寬厚板及用它卷制的直縫焊鋼管，就順利通過了國內權威科研機構——中石油管材研究所（現石油管工程技術研究院）試驗評價。成為國內首家、世界上少數掌握這種高鋼級管線鋼技術，并具備生產能力的鋼鐵企業。團隊作為主要成員參加了“十二五”國家科技支撐計劃課題“高硫高酸油氣環境下低合金鋼的耐腐蝕與強韌化技術”，經過4年的研究工作，針對高硫、高酸油氣儲運環境，研究了H2S、CO2、SO2及Cl-等介質對低合金鋼的腐蝕機理，以及各類元素、組織、夾雜物對材料抗腐蝕性能的影響。研究表明：新開發的耐腐蝕鋼在模擬COT環境下，具有優于IMO國際海事組織要求的性能，較普通船板耐蝕性大幅提高，超過了日本報道的同類鋼實物水平，鋼的成分和工藝成本增加不超過15%。開發了COT耐蝕鋼的腐蝕評價裝置，并通過了CNAS、CMA、CCS認可，發布了世界上第二份船級社《原油油船貨油艙耐蝕鋼材檢驗指南》，確立了COT耐蝕鋼的工業生產、檢驗和船舶應用規范。本課題的完成為COT耐蝕鋼的工業試制、工程考核和示范應用奠定了技術基礎和組織基礎，形成了高端新材料“產—學—研—檢—用”一體化創新推進機制，也為高硫、高酸油氣環境下，其他低成本耐蝕鋼的研制應用提供了技術思路和工程化典范。團隊在“863計劃” “高性能耐磨鋼開發”項目及萊鋼、中信金屬公司的支持下，開展了耐磨及韌化機理研究，采用創新的合金設計與顯微組織調控技術，采用高純凈度的冶煉技術、低缺陷的連鑄技術、結合高精度板型控制的軋制及熱處理技術，生產制備了不同厚度規格的系列超級耐磨鋼，其中薄板超級耐磨鋼采用離線熱處理制備工藝的技術路線，中板采用中厚板軋機在線熱處理的工藝路線，厚板采用中厚板生產線離線熱處理的工藝路線。創新性地利用多尺度相、亞穩奧氏體提高加工硬化率抵抗鑿削磨損，利用多相硬化、韌化顯微組織抵抗顯微切削磨損的機制及工藝技術。開發出新一代NM450、 NM500、NM550、 NM600系列高強耐磨鋼，其中在萊鋼4300mm寬厚板生產的NM500成功應用于三一重工攤鋪機。
二 冷軋產品領域
隨著汽車工業的發展，以及汽車保有量的不斷增加，隨之帶來了能耗、排放和污染等一系列問題。安全、環保、節能成為當前汽車制造業發展的主題，采用高強度鋼板制造的車身，不僅可以有效減輕車身重量、降低油耗，還可以提高汽車的安全性和舒適性，是同時實現車體輕量化和提高碰撞安全性的最佳途徑。傳統汽車用鋼的力學性能已經不能滿足汽車工業發展對輕量化和高安全性的雙重要求。當前汽車用鋼的研究熱點是探索新的組織設計、技術路線和相關理論，以期得到更高強度、高成形性、高性價比的高強韌汽車用鋼，從而賦予沖壓構件更好的成形性，賦予安全件更高的吸能或防碰撞變形的功能，以滿足汽車工業技術進步的需要。
團隊在國家“863”計劃支持下，開展了TWIP鋼的研究工作，在國家自然科學基金資助下，開展了QP鋼、超細晶TRIP鋼和超深沖DP鋼的開發與組織性能調控，對超高強鋼的組織演變規律和增強、增塑機理等方面開展了大量理論和試驗研究。近年來，與寶鋼、鞍鋼、武鋼、首鋼、馬鋼和河北鋼鐵等企業合作開展了系列汽車用鋼的研發與應用研究，產品綜合性能滿足寶馬、一汽大眾等汽車用戶使用要求。圖1所示為與首鋼合作研發的鍍鋅汽車板DX54D Z制成的寶馬5系轎車側圍。
傳統雙相（DP）鋼深沖性能較差（r<1.0），限制了其在汽車覆蓋件或沖壓件上的使用范圍。團隊設計了C-Mn-Al-Cr-Mo系和C-Si-Mn-Nb-Ti系深沖DP鋼，并對該鋼種的制備工藝與組織性能以及織構控制進行了系統研究與理論分析。研發出了抗拉強度在400-600MPa級別，延伸率大于30%，r值達到1.4及以上的深沖DP鋼，可以滿足汽車外板對高強鋼成形性的要求。為進一步提高DP鋼的強韌性，通過化學成分設計和工藝控制，獲得了含有少量殘留奧氏體的超高強DP鋼，其抗拉強度達到了1483 MPa，延伸率為11%。團隊針對TRIP鋼的C、Mn擴散控制及組織演變規律進行了相關研究。制備了不同C、Mn含量的超細晶中錳TRIP鋼，基于連續退火工藝制備的中錳TRIP鋼（0.2C-5Mn）的屈服強度為1089MPa，抗拉強度達到了1330MPa，延伸率為30.0%，基于罩式退火工藝制備的中錳TRIP鋼（0.1C-7Mn）的屈服強度為789MPa，抗拉強度達到了1139MPa，延伸率為30.4%。運用細觀力學理論和計算機模擬，從宏觀（macro）、細觀（meso）和微觀（micro）尺度分析了超細晶TRIP鋼的塑性變形機理和TRIP效應，建立了多尺度的相變增塑模型，揭示了超細晶TRIP鋼宏觀力學性能與微觀模型之間的聯系，為開發高性能TRIP鋼提供理論基礎。在商用TRIP鋼和QP鋼的基礎上，適當提高C、Mn含量，通過工藝參數的優化控制，獲得了以板條馬氏體為基體，擁有不同殘留奧氏體含量的高強韌汽車用鋼，屈服強度為1038MPa，抗拉強度達到了1514MPa，延伸率為15.2%，鋼中殘留奧氏體含量達到了19.4%。將退火馬氏體基的概念引入至淬火-配分（Q·P）鋼中去，開發出一種具有退火馬氏體基的Q·P鋼。針對這種新型熱處理工藝過程展開了從微觀組織到力學特性的細致研究，通過非平衡組織再加熱時奧氏體形成熱力學條件以及形核長大條件的機理的研究，使得低合金鋼再加熱至兩相區時奧氏體的形態發生改變，最終的殘留奧氏體由于其形狀的改變、應力狀態的改善等，穩定性得到明顯改善，室溫下體積分數明顯增多，從而提升了低合金鋼的綜合力學性能，強塑積從20GPa·%提高至超過30GPa·%。充分發揮細晶強韌化、具有納米結構的貝氏體強化和相變增塑效應，開發了一種具有TRIP效應的超細貝氏體鋼，制備了高強度（1500-2200MPa）和高塑性（10%-20%）的超高強鋼。同時，以改進型熱沖壓成形為工業應用背景，設計一種預變形-淬火與貝氏體轉變（A-QBT）工藝，將細化原奧氏體晶粒、預變形和馬氏體預相變等技術相結合加速低溫貝氏體轉變，將低溫貝氏體等溫轉變時間縮短到4-6h以內，降低合金成本和工藝成本，得到貝氏體鐵素體板條寬度小于100nm，長度小于10μm，馬氏體體積分數小于5%-10%的超細貝氏體復相組織，為生產超細貝氏體汽車零件提供技術支撐。
三 特鋼產品領域
團隊成員承擔了多項973、863、科技支撐和自然科學基金等課題攻關，并與寶鋼、太鋼、武鋼、首鋼、酒鋼、邢鋼、邯鋼等國內大型鋼鐵公司開展合作，開發了高性能特殊鋼產品，如汽車用高品質特殊鋼、高性能工模具鋼和不銹鋼等產品。目前正在開發第三代先進高強鋼、高強度、高韌性、高接觸疲勞強度低應變齒輪鋼及調溫滲碳型齒輪、軸類件用鋼，細晶/超細晶、含硼高強度的冷鐓齒輪鋼及無鉛高硫系易切削非調質鋼、石墨化易切削鋼，高疲勞性能、高耐磨馬氏體時效鋼及微合金化高強度貝氏體鋼，超細晶、中碳非調質鋼，高精度、高表面質量、高疲勞壽命彈簧鋼等。團隊根據我國資源條件和國民經濟發展的需要，在高性能不銹鋼方面開展以下幾個方面的研究和開發：1）針對我國鎳資源嚴重短缺、鉻資源對外依存度高的現狀，開發資源節約型不銹鋼，如節鎳和無鎳型高性能不銹鋼品種和生產技術，主要品種包括超純鐵素體不銹鋼、高性能200系列奧氏體不銹鋼和高性能高氮錳鉻系不銹鋼。2）針對我國汽車工業的發展，開發出具有優良高溫性能的汽車排氣管用鐵素體不銹鋼，采用鈮鈦雙穩定制備出超純鐵素體不銹鋼，并進行適當的合金化，進一步提高鐵素體不銹鋼高溫抗氧化性，并采用優化生產工藝，控制形變和再結晶過程，得到合適的織構，進一步提高超純鐵素體不銹鋼的成形性，開發出具有良好深沖性能的鐵素體不銹鋼。3）開發含銅鐵素體不銹鋼，利用銅析出對成形性能的有利作用和銅離子的殺菌作用，同時借鑒超低碳IF鋼的設計思路，采取超低碳和微量鈮鈦處理，盡可能減少或去除碳、氮間隙固溶元素，為獲得高r值和有利織構奠定基礎。運用金屬學和現代材料設計原理，進行合理的成分設計，獲得了超純鐵素體含銅抗菌不銹鋼成分和關鍵生產工藝。工模具是裝備制造業的基礎，是衡量一個國家工業水平的重要標志，進入21世紀以來，我國的模具工業發展十分迅速，已經成為世界模具制造大國，與國外先進水平相比較，我國工模具鋼在品種、質量和性能穩定性等方面存在較大差別，不能滿足我國的模具工業發展的需要，急需開發工模具鋼的先進制備技術和高性能品種。團隊開展了系列高性能工模具鋼的研究和開發，主要有：1）開發了一種新型的高碳高鉻萊氏體冷作模具鋼，在普通D2鋼的基礎上加入RE、N、Nb等微合金元素，通過微合金化和工藝優化，獲得馬氏體基體上均勻分布的一次碳化物和彌散析出的二次碳化物，獲得高硬度和較高韌性。并成功應用于森吉米爾工作輥，獲得良好的使用效果。2）開發了一種Fe-Mn-Cr-Ni-N無磁鋼，用Mn、Ni和N來擴大奧氏體區，獲得奧氏體基體組織，并降低Ni含量，減少生產成本，加入一定Cr保證獲得足夠的耐腐蝕和耐熱性能，同時采用中碳成分，保證獲得足夠的強度，通過優化成分設計和工藝，得到抗拉強度大于1000MPa、屈服強度大于600MPa和磁導率小于1.002的無磁鋼，并成功制作連鑄電磁攪拌夾送輥，2012年獲得中國機械工業科學技術三等獎。3）開發了Cr5、Cr8系列冷軋軋輥用鋼，有效控制碳化物的生成和彌散程度，進行合理成分設計，保證足夠的淬透性，得到合適的淬硬深度，獲得優良的耐磨性。
四 有色金屬產品領域
鎂及其合金是迄今在工程應用中最輕的金屬結構材料，其密度約為1.30-1.99g/cm3，是鋁的2/3、鋅的1/4、鋼的1/5。在汽車工業、通訊、電子工業和航空航天工業等領域正得到日益廣泛的應用。但由于鎂合金為密排六方結構，室溫下塑性變形能力較差，塑性加工一直是鎂合金應用的主要障礙，所以目前市場上主要應用鎂合金鑄造技術，塑性加工產品很少，這大大限制了鎂合金的應用范圍。為擴大鎂合金的應用范圍，利用各種塑性變形方法制造各種鎂合金制品是未來鎂合金發展的一大趨勢。團隊在國家“十一五”科技支撐計劃及教育部支持下，針對AZ31鎂合金，研究了軋制參數對AZ31織構與性能的影響規律；單軸拉伸、壓縮過程中的{0002}雙峰織構與拉伸、壓縮孿晶的內在聯系；滑移、孿生的協調變形機制及其對AZ31綜合性能的影響，并成功制備了高強塑超細晶鎂合金板材，其抗拉強度可達300MPa，延伸率在20%以上。“十二五”期間，在國家科技支撐計劃——“鎂合金板帶高效低成本軋制技術開發”項目支持下，研究了不同含量稀土元素（Y、Gd、Ce）及軋制工藝對Mg-Zn體系合金板材室溫成形性能的影響，并制備出了具有基面織構弱化特征的、高成形性能的鎂合金。
團隊與廣靈精華鎂業合作建成一套鎂合金薄帶卷生產線，包括熱處理、縱剪、橫剪、平整、拋光等機組，能夠提供0.2mm厚、350mm寬、卷重200kg的帶卷，并可為鎂行業提供成套工藝技術和裝備（如圖2）。
2014年與美國波音公司開展高性能鎂合金合作研究，并于2015-2016年獲得持續資助。目前，成功地設計制備出具有高強度、高塑性、室溫成形性良好的、含鈣稀土鎂合金板材。鋁合金具有密度小、比強度與比剛度高、抗沖擊性好、耐蝕性高和散熱性好等優點，且相對于鈦、鎂等輕合金價格低廉，已經成為世界汽車制造企業最為關注的輕量化材料之一，極具發展潛力。2012年，團隊承擔國家科技支撐計劃：“交通運輸用超大規格熱連軋鋁板帶生產集成技術的開發與應用”項目。研究了Er（鉺）、Zr（鋯）等合金元素對5052鋁合金和5083鋁合金鑄錠晶粒尺寸和加工性能的影響，建立了寬幅鋁板熱連軋全過程的三維溫度場數學模型，揭示了板材內部的變形程度及變形速率對板材溫度變化的影響規律，制定了5052、5083等合金的軋制規程表。在福特公司“ICME Model Devel opment f or f orging automotive components”項目的支持下，開發汽車大鍛件用6082鋁合金，研究了微合金元素Mn、Zr等對6082合金微觀組織、力學性能和工藝性能的影響規律。同時，通過計算機軟件模擬鋁輪轂鍛造過程，為實際生產工藝制定和優化提供理論依據，可節約大量生產成本和時間。由于鈦及鈦合金比強度高、耐熱性好、耐蝕性優良，已成為工業上最重要的金屬之一，廣泛用于國民工業中。但鈦及鈦合金的特殊性能——低塑性、高變形抗力和高溫氧化性及在加熱時或在氟化鹽溶液中酸洗時高的吸氣傾向，給帶材的生產帶來一定難度。2010年，團隊與國內鈦制品企業開展合作“TA2鈦材冷軋工藝開發及焊管基礎實驗研究”。開發了TA2鈦材酸洗、冷軋、退火等成套工藝技術，以及氬弧焊和激光焊等多種管材焊接工藝。2012年，團隊與北京航空材料研究院先后開展合作項目：“TC4鑄造鈦合金的熱暴露實驗及組織性能研究”和“Ti3AL合金熱暴露實驗及其氧化行為研究”。為我國大飛機項目提供了可靠的熱暴露實驗評價結果，并揭示了熱暴露過程組織的演變機理，同時開發了含鈮鈦鋁金屬間化合物，通過包套軋制得到表面質量完好的板材，并對其熱加工工藝性能、熱暴露后力學性能以及抗氧化能力做了綜合評價。 2015年，團隊與湖南金天鈦金屬開展的合作項目“鈦板表面拋光、切削加工及成形性能研究”，使客戶具備了高表面質量、高成形性能的鈦板卷產品生產能力。同年，團隊與西南不銹鋼有限公司開展的合作項目“鈦帶卷軟件數學模型開發與研究”，研究目標是實現鋼鐵企業在熱連軋生產線上能夠進行有色金屬鈦合金的穩定軋制，實現純鈦、鈦合金系列產品高精度帶材的成卷生產，并且獲得良好的表面質量及優異的綜合性能。隨著計算機、區域電視網絡、汽車、通訊、輕軌和地鐵電機車的發展，電線電纜的產品質量有了更高的要求。電工用銅線坯是電線電纜行業的重要原材料之一，在國民經濟發展中起著工業“血管”的作用，其生產工藝和裝備為滿足未來市場的需求，一直在不斷地發展。近年來，隨著電力和電器工業的不斷發展，對銅導線的質量要求越來越高。為了獲得優質的銅線坯，國內外銅線坯生產廠家均在生產工藝、裝機水平、質量檢測和管理方面作了大量工作，以提高產品質量，降低生產成本，提高自身的競爭力。2012年天津市華北電纜廠與有色團隊簽訂協議，合作開展“高品質低氧銅桿生產工藝實驗及組織性能研究”項目。通過“SCR銅桿生產工藝及組織性能控制”、“低成本銅桿生產工藝及成本控制”和“高性能含稀土銅桿及雙零銅線的開發”等工藝技術的開發，使得天津華北電纜廠通過1年的時間，產品質量得到大幅提高，并取得良好經濟效益。
五 深加工領域
我國鋼鐵工業正面臨著結構調整、產能過剩、資源和環境壓力日益增大等挑戰，依靠擴大規模來提高總體經濟效益的途徑已經行不通。鋼材深加工作為調整結構、服務用戶、提升技術轉化水平、轉變增長方式、尋求新增長空間的重要突破口，受到了冶金行業的普遍關注。與發達國家相比，我國鋼材深加工比重依然偏低，大多數企業主要從事中低端產品的生產，同質化情況嚴重，缺乏自主創新能力。對于如何挑選適合自身發展的鋼材深加工方向，以及相應的發展模式都缺乏明確的思路。在軋制中心籌備初期，汽車板團隊就曾經去美國俄亥俄州立大學的凈成形生產工程研究中心參觀訪問，了解美國汽車板及成形的技術發展和技術轉讓情況。20世紀90年代與鞍鋼、武鋼、寶鋼等鋼鐵廠聯合開發低碳鋁鎮靜鋼、IF鋼等汽車板時，密切聯系一汽、二汽等下游用戶，在汽車廠開展沖壓試驗，做到了科研、生產與應用相結合，主要進行了汽車板成形性能的評測、復雜路徑對成形性能的影響、在壓邊圈上疊加低頻振動改善沖壓摩擦狀態等研究工作，推動了我國汽車板的國產化進程。與普通汽車板相比，高強汽車鋼由于延伸率低，強度高等原因，成形時易發生開裂和回彈，成形裕度低。團隊針對高強汽車鋼成形問題，一方面對DP鋼、TRIP鋼、TWIP鋼等開展了微觀組織對成形性能影響的研究，分析了成形性能試驗時試件不同位置的應力應變狀態對微觀組織演變的影響，進而對宏觀成形性能的影響，另一方面開展了汽車高強鋼成形本構關系的研究，運用流變學理論，結合微、細觀力學構造高強汽車鋼本構模型，例如利用流變學模型Bingham的本構方程揭示了高強汽車鋼板TRIP800變形與時間的相關性，即黏性性質，得到了應力保持不變時應變隨時間的變化曲線，同時在非線性回彈預測方面也取得可喜進展。另外，深加工團隊與寶鋼金屬合作開展了“高碳鋼盤條夾雜物與成品質量的關系”攻關研究，提出了檢測標準。同時，發明了鋼絲表面硼砂涂層的觀測方法，通過潤滑工藝改進，實現了提高拉拔速度的目標。團隊聯合邢鋼與德國合資的北京新光凱樂汽車冷成型件有限責任公司完成了高檔轎車用扭力桿零件高速扭轉穩定性攻關，達到了國外同類產品性能級別。在“十三五”開局之年，品種研發團隊將繼續發揮鋼鐵冶金相關學科的優勢力量，開展冶金共性、前沿、個性化技術研發和冶金先進裝備原型創新研發。為鋼鐵企業產品研發提供科學、可靠的理論支持和技術支撐。