先進耐延遲斷裂高強度螺栓鋼的開發應用

高強度和長壽命是先進鋼鐵材料的重要特征，是當今國際上科技發展的重要方向和研究熱點之一。機械制造用鋼是鋼鐵產品中的一類重要產品，使用量大，應用面廣，主要制造軸類、連接件(螺栓等緊固件)、齒輪等機械零部件，大多是中碳鋼和中碳合金鋼，多在調質熱處理后使用。目前我國年產量已超過1500萬噸。我國是一個緊固件制造大國，產量位居亞洲第一，約占世界總產量的1/4。近年來，緊固件的鋼材消耗量在400萬噸以上，其中高強度產品占40%，即鋼材消耗量在160萬噸以上。

美國和歐盟的近期調查表明，近年來，每年因破壞事故所引發的經濟損失占本國年GDP的4%。一般而言，當鋼的抗拉強度水平低于約1200MPa時，疲勞強度和延遲斷裂抗力均隨強度和硬度的提高而提高；但當抗拉強度超過約1200MPa時，疲勞強度不再繼續提高，延遲斷裂抗力反而急劇降低。機械制造用鋼大多是中碳合金鋼，并在調質狀態下使用，其抗拉強度水平大多為800～1000MPa，顯然提高其強度水平并不困難，如通過降低回火溫度、增加碳含量和合金含量等都可達到目的，最大的困難在于解決強度水平提高后的低壽命問題。因此，疲勞破壞和延遲斷裂問題是機械制造用鋼高強度化和長壽命化的主要障礙。

正因為螺栓等緊固件的如此重要性，在日本、韓國和中國分別于1997年、1998年和1999年投入巨資實施的“超級鋼計劃STX-21”、“高性能結構鋼計劃HIPERS21”和“新一代鋼鐵材料的重大基礎研究NGSEELS”中，耐延遲斷裂高強度螺栓鋼的研究開發均為其中的一個重要課題。研究人員從純凈度、晶粒細化、微觀組織和控制氫陷阱等方面對高強度鋼的延遲斷裂行為進行了大量的系統理論研究，并著重從材料本身的角度探索了改善高強度鋼耐延遲斷裂性能的種種途徑，提出了解決高強度鋼延遲斷裂問題的創新性思路。在理論研究的基礎上，成功地設計出1300MPa～1600MPa級的新一代耐延遲斷裂高強度結構鋼ADF系列及其制造技術，其獨特的合金設計使ADF系列鋼成功地將傳統調質鋼的強度水平提高到1300MPa級以上，同時具有良好的塑性和韌性。ADF系列鋼的延遲斷裂抗力明顯優于常用機械制造用鋼42CrMo和從美國進口的AISI8740鋼。在ADF系列鋼設計的初期即考慮到滿足目前先進的特殊鋼生產工藝流程，采用“電爐－爐外精練－合金鋼棒線材控軋控冷”工藝流程對該鋼進行了多輪工業試制，結果表明，該鋼的冶金生產工藝成熟，質量穩定。

ADF系列鋼除可用來制耐延遲斷裂高強度螺栓等緊固件應用于汽車行業外，還可以應用于對高強度螺栓的強度水平要求不斷提高的鐵路、橋梁、工程機械、建筑、油田、近海實施等領域。同時，ADF系列鋼還可推廣應用到其它許多行業，可用來制造各類軸、連桿、連桿蓋、齒輪、抽油設備等許多零部件，并可推廣到軍工領域。