東北大學徐偉教授團隊《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用亟需解決的關(guān)鍵問題。

圍繞這一問題，東北大學數(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研究院對抗氧化熱成形鋼應用需求、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，通用汽車中國科學研究院王建鋒院長和王舟博士共同指導，澳大利亞蒙納士大學吳宇祥博士支持模擬計算，第一作者李昭為東北大學/通用汽車聯(lián)合培養(yǎng)博士生。

研究以預退火工藝為調(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動力學模擬，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樣品的氧化動力學曲線：（a）氧化層厚度增厚和（b）通過曲線擬合獲得的相應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、雙Cr源供給與抗氧化性能之間的構(gòu)效關(guān)系。在此基礎上，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計與工業(yè)化應用提供了核心理論支撐與技術(shù)方案。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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