東北大學(xué)徐偉教授團隊《Acta Materialia》：富鉻碳化物溶解助力免鍍層熱成形鋼實現(xiàn)優(yōu)異抗氧化性能

傳統(tǒng)熱成形鋼在高溫奧氏體化過程中極易發(fā)生嚴重氧化，形成疏松、易剝落的氧化皮，不僅會損傷模具、降低零件尺寸精度，還會影響后續(xù)焊接與涂裝性能。當前工業(yè)上普遍采用Al-Si鍍層抑制氧化，但鍍層會降低鋼材焊接性與彎曲韌性，并增加工藝復(fù)雜度和制造成本。因此，如何在無需鍍層和保護氣氛的條件下，依靠鋼材本征組織設(shè)計提升高溫短時抗氧化性能，成為汽車用熱成形鋼綠色制造與低成本應(yīng)用亟需解決的關(guān)鍵問題。

圍繞這一問題，東北大學(xué)數(shù)字鋼鐵全國重點實驗室徐偉教授團隊在通用汽車中國科學(xué)研究院對抗氧化熱成形鋼應(yīng)用需求、工藝適配性與服役問題的支持下，聯(lián)合澳大利亞蒙納士大學(xué)開展系統(tǒng)研究。相關(guān)工作由徐偉教授團隊王靈禺副教授負責，通用汽車中國科學(xué)研究院王建鋒院長和王舟博士共同指導(dǎo)，澳大利亞蒙納士大學(xué)吳宇祥博士支持模擬計算，第一作者李昭為東北大學(xué)/通用汽車聯(lián)合培養(yǎng)博士生。

研究以預(yù)退火工藝為調(diào)控手段，利用富Cr碳化物調(diào)控高溫相變行為，系統(tǒng)探究了不同尺寸與Cr含量的M?C?型碳化物對免鍍層熱成形鋼高溫短時抗氧化行為的作用機制。團隊以Cr-Si合金化免鍍層熱成形鋼為對象，通過調(diào)控700 ℃預(yù)退火時間制備差異化碳化物組織，結(jié)合950 ℃空氣高溫氧化實驗、多尺度表征與熱力學(xué)動力學(xué)模擬，揭示了基體固溶態(tài)Cr與富Cr碳化物緩慢溶解釋放Cr共同作用的“雙Cr源供給機制”。該機制可有效延緩亞表面Cr貧化，維持保護性Cr?O?層穩(wěn)定生長，使長時預(yù)退火樣品在950 ℃空氣氧化過程中僅生成0.12 ± 0.02 μm的致密氧化層，抗氧化性能顯著優(yōu)于已報道的商用及實驗熱成形鋼。相關(guān)工作“Dissolution of Cr-rich carbides enables superior oxidation resistance in a coating-free press-hardened steel”發(fā)表于Acta Materialia。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122260

圖1. 熱成形前（a，b）SA和（c，d）LA樣品的HAADF-STEM顯微照片和EDS點掃描，（e）M?C?尺寸分布直方圖，（f）碳化物直徑與Cr含量之間的相關(guān)性。

圖2 在950℃下氧化600秒的NA、SA和LA樣品的氧化動力學(xué)曲線：（a）氧化層厚度增厚和（b）通過曲線擬合獲得的相應(yīng)kp值；（c）本工作中實驗PHS（600秒）與傳統(tǒng)22MnB5 PHS以及其他抗氧化PHS（300秒）在725-950℃空氣中抗氧化性能的比較。

圖3. 在950℃下氧化不同時間的NA樣品的電子探針元素分布分析結(jié)果：（a）60 s，（b）180 s，（c）420 s，（d）600 s。

圖4. 在950℃下氧化不同時間的LA樣品的電子探針元素分布分析結(jié)果：（a）60 s，（b）180 s，（c）420 s，（d）600 s。

圖5. 在950℃氧化后亞表層EDS線掃結(jié)果：（a）NA樣品，（b）SA樣品，（c）LA樣品，（d）-（f）不同樣品對比。

圖6. 950 ℃氧化過程中M?C?碳化物的溶解動力學(xué)曲線：（a）SA和（b）LA樣品中富Cr碳化物顆粒的溶解曲線，（c）SA和（d）LA樣品中M?C?和奧氏體中Cr的分布，（e）SA和LA樣品中奧氏體和M?C?中Cr分布的比較，（f）Cr在奧氏體中的擴散距離。

圖7. 950 ℃氧化過程中氧化物結(jié)構(gòu)演變的示意圖。

綜上，本文提出了利用富Cr碳化物調(diào)控免鍍層熱成形鋼高溫抗氧化性能的全新策略，通過工業(yè)場景下常見的預(yù)退火工藝實現(xiàn)碳化物尺寸與成分的精準調(diào)控，系統(tǒng)驗證了富Cr碳化物溶解動力學(xué)、雙Cr源供給與抗氧化性能之間的構(gòu)效關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，獲得了在950 ℃空氣環(huán)境下具備優(yōu)異抗氧化性能的免鍍層熱成形鋼，該鋼材無需防護鍍層、無需特殊保護氣氛，可直接適配現(xiàn)有熱成形工業(yè)流程。微觀表征與模擬分析證實，大尺寸、高Cr含量的M?C?碳化物可通過緩慢持續(xù)溶解釋放Cr，實現(xiàn)短程擴散補Cr，有效抑制基體亞表面Cr貧化，穩(wěn)定生成致密的三層保護性氧化結(jié)構(gòu)。此外，這種基于富Cr碳化物溶解調(diào)控抗氧化性能的設(shè)計思路可推廣至其他 Cr 合金化高強鋼體系，為下一代低成本、綠色化無鍍層熱成形鋼的集成設(shè)計與工業(yè)化應(yīng)用提供了核心理論支撐與技術(shù)方案。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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