时间：2019-07-20
中国特殊钢在实际应用中的快速生长
特殊钢是重大装备制造和国家重点工程建设所需的要害质料，是钢铁质料中的高技术含量产品，其生产和应用代表一个国家的工业化生长水平。
1、轴承钢现状和生长偏向
轴承广泛应用于矿山机械、精密机床、冶金设备、重型装备与高等轿车等重大装备领域和风力发电、高铁动车及航空航天等新兴工业领域。中国生产的轴承主要为中低端轴承和小中型轴承，体现为低端过剩和高端缺乏。与外洋相比，在高端轴承和大型轴承方面保存较大差别。中国高速铁路客车专用配套轮对轴承全部需要从外洋进口。在航空航天、高速铁路、高等轿车及其他工业领域用的要害轴承上，中国轴承在使用寿命、可靠性、Dn值与承载能力等方面与先进水平保存较大差别。例如，外洋汽车变速箱轴承的使用寿命最低50万公里，而海内同类轴承寿命约10万公里，且可靠性、稳定性差。
航空方面
关于汽车轮毂轴承，中国目前广泛应用的是第1代和第2代轮毂轴承（球轴承），而欧洲已广泛接纳第3代轮毂轴承。第3代轮毂轴承的主要优点是可靠、有效载荷间距短、易装置、无需调解、结构紧凑等。目前，中国引进车型大多接纳这种轻量化和一体化结构轮毂轴承。
铁路车辆方面
目前，中国铁路重载列车用轴承接纳国产电渣重熔G20CrNi2MoA渗碳钢制造，而外洋已经将超高纯轴承钢（EP钢）的真空脱气冶炼技术、夹杂物均匀化技术（IQ钢）、超长寿命钢技术（TF钢）、细质化热处理技术、外貌超硬化处理技术和先进的密封润滑技术等应用到轴承的生产和制造，从而大幅度提升了轴承的寿命与可靠性。中国电渣轴承钢不但质量低，并且本钱比真空脱气钢横跨2000-3000元/吨，未来中国需要开发超高纯、细质化、均匀化与质量稳定的真空脱气轴承钢取代目前接纳的电渣轴承钢。
风电能源方面
关于风电轴承，目前中国还无法生产技术含量较高的主轴轴承和增速器轴承，基本依靠进口，3MW以上风电机组配套轴承的国产化问题还没有解决。外洋为了提高风电轴承的强度、韧性和使用寿命，接纳了新型特殊热处理钢SHX（40CrSiMo），关于偏航和变浆轴承，通过外貌感应淬火热处理控制淬硬层深度、外貌硬度、软带宽度和外貌裂纹；关于增速器轴承和主轴轴承接纳碳氮共渗，使零件外貌获得较多稳定剩余奥氏体体积分数（30%-35%）和大宗细小碳化物、碳氮化物，提高了轴承在污染润滑工况下的使用寿命。
一是经济洁净度：在考虑经济性的前提下，进一步提高钢的洁净度，降低钢中的氧和钛含量，抵达轴承钢中的氧与钛的质量分数划分小于6×10-6和15×10-6的水平，减小钢中夹杂物的含量与尺寸，提高漫衍均匀性。
二是组织细化与均匀化：通过合金化设计与控轧控冷工艺的应用，进一步提高夹杂物与碳化物的均匀性，降低和消除网状和带状碳化物，降低平均尺寸与最大颗粒尺寸，抵达碳化物的平均尺寸小于1μ m的目标；进一步提高基体组织的晶粒度，使轴承钢的晶粒尺寸进一步细化。
三是减少低倍组织缺陷：进一步降低轴承钢中的中心疏松、中心缩孔与中心身分偏析，提崎岖倍组织的均匀性。
四是轴承钢的高韧性化：通过新型合金化、热轧工艺优化与热处理工艺研究，提高轴承钢的韧性。
2、弹簧钢现状和生长偏向
弹簧钢(60Si2Mn、65Mn、50CrV4、51CrV、C75S等牌号）主要用于汽车、发动机制造业以及铁路行业。目前，中国弹簧钢产品保存的问题是，中低端产品过剩，高端及特殊品种缺乏；中国弹簧钢在纯净度、抗疲劳性、外貌质量以及质量稳定性等方面与外洋保存较大差别，无法满足高等乘用车悬架簧、气门弹簧、铁路及重载货车专用弹簧等对弹簧钢性能的要求。中国高等次及深加工弹簧钢仍然依赖进口。进口品种(C75S等)主要为轿车用弹簧钢、铁道用弹簧圆钢、油泵阀门弹簧钢丝等。
虽然降低钢中氧及夹杂物含量是获得纯净钢的一种途径，可是要想获得零夹杂的弹簧钢比较困难，为此有研究者提出了氧化物冶金技术，这是一种有效的晶粒细化的要领，是实现钢铁质料强度与韧性成倍提高的最有效要领。它利用钢中细小弥散的高熔点非金属夹杂物，主要是氧化物、硫化物以及氮化物，作为晶内铁素体的形核焦点，从而起到细化晶粒的作用。海内外已经对Ti、Zr氧化物体系做了系统的研究，认为含钛氧化物是最理想的。在奥氏体晶粒内钛的氧化物质点成为针状铁素体有效形核所在，增进晶内铁素体形成。可是，由于钢种身分的限制，钛氧化物冶金的推广受到了限制。最近几年开始对稀土元素进行研究，可以利用稀土元素的强脱氧脱硫能力及产品熔点高的特点来研究稀土氧化物对钢材性能的影响。
汽车行业对悬簧强度的要求越来越高，设计应力提高到1100-1200MPa，为这天本开发出添加合金来提高强度和提高耐腐化疲劳强度的钢材。中国弹簧钢无法满足高等乘用车悬架簧用钢性能需求，强度1200MPa及以上悬架弹簧产品用弹簧钢（51CrV4等）全部依赖进口。然而，近年来，为规避资源危害、降低本钱和实现原质料的全球化供应，强烈要求使用标准钢（SAE9254）维持高强度，并且强烈要求提高钢的韧性，因此越来越多地接纳喷丸硬化处理取代处理用度高的外貌硬化热处理。喷丸硬化处理将压缩剩余应力作用于外貌，可提高抗疲劳强度，减小外貌缺陷的影响水平，因此近年来将它视为外貌处理不可或缺的技术。随着外貌强化技术的生长，悬簧的设计应力也抵达了1200MPa级。预计今后对高强度悬簧用钢的强度、韧性和耐腐化性及耐用性的要求将越来越高。未来，随着汽车轻量化，生长高强度、优良抗弹减性能和抗疲劳性能的汽车悬架用弹簧钢是提高中国高端装备零部件自主配套能力、有效替代进口的一定趋势。
所有弹簧产品中，气门弹簧对证料要求最为严格，特别是高应力及异型截面气门弹簧对证料要求近乎苛刻。例如，要求抗拉强度抵达2000MPa；对氧化物、硫化物的夹杂物品级要求均抵达0级；异型截面质料对曲率、是非轴等有特殊要求。目前，外洋气门弹簧专用弹簧钢（SUP6等）生产主要集中在日本、韩国、瑞典，生产企业有日本铃木、三兴、住友、神钢钢线、韩国KisWire、瑞典Garphyttan等，险些垄断了中国全部异型截面和高应力气门弹簧钢市场。2000年以后，随着新型发动机的开发，对发动机的旋转速度和轻量化、紧凑化的要求越来越高，因这天本开始接纳2100-2200MPa的OT钢丝。在此情况下，不但要调解合金身分，还要对现有制造工艺进行革新，低温弥散硬化成为必不可少的工艺。然而，低温弥散硬化后的弹簧形状爆发变革，为了提高形状和尺寸的控制精度，控制整个制造工序中的形状变革的技术开始引人关注。
未来，为满足高端弹簧基础零部件国产化的生长需求，应不绝开发高性能弹簧钢产品，一方面是向高强度偏向生长，要求在高应力下同时提高疲劳寿命和抗松弛性能；另一方面是向功效性偏向生长，凭据差别的用途，要求具有耐蚀性、非磁性、导电性、耐磨性、耐热性等。
齿轮（20CrMo等）在事情时，恒久受到变载荷的攻击力、接触应力、脉动弯曲应力及摩擦力等多种应力的作用，还受到加工精度、装配精度、外来硬质点的研磨等多种因素的影响，是极易损坏的零件，因此要求齿轮钢具有较高的强韧性、疲劳强度和耐磨性。为了生产出优质齿轮钢，一方面要求钢厂为用户提供淬透性稳定且适应用户工艺要求的齿轮钢产品，另一方面齿轮厂也要优化现有工艺，引进新工艺来提高齿轮的质量。
与日本、德国、美国生产的齿轮钢相比，中国齿轮钢（30CrMo、42CrMo）保存的差别主要是：钢的牌号未形成系列化，产品标准落后；钢的淬透性带较宽，外洋钢的淬透性带已经抵达4HRC，而中国在6-8HRC左右，并且不敷稳定；钢的纯净度较低，从日本、德国、奥地利等国进口的齿轮钢，其氧含量波动在（7-18）×10-6，中国在（15-25）×10-6左右，并且非金属夹杂物弥散水平不敷，漫衍不均，大颗粒夹杂物较多；晶粒度要求差别，中国齿轮钢晶粒度级别一般要求5-8级，而日本特别强调渗碳齿轮钢的晶粒度应不粗于6级；日本开发了低硅抗晶界氧化渗碳钢系列，可使晶界氧化层降低到≤5μm，而SCM420H等Cr-Mo钢为15-20μm；平均使用寿命短，单位产品能耗大，劳动生产率低。别的，在轧制历程中如何包管疏松等低倍缺陷在很小且芯部规模内，也是中国未曾研究的领域，因为低倍组织缺陷会对零件后续加工以及热处理变形带来许多倒运影响。
目前，中国汽车用齿轮钢的主体钢种仍是20CrMnTi，该钢种通常接纳气体渗碳工艺，由于渗碳气氛中氧化性气体的保存，导致渗层中对氧亲和力较大的元素Si、Mn、Cr在晶界处爆发氧化，形成晶界氧化层。晶界氧化层的爆发会导致渗层Si、Mn、Cr等合金元素固溶量下降，降低渗层的淬透性，从而降低渗层的硬度并导致非马氏体组织的爆发，进而显著降低齿轮的疲劳性能。为解决这一问题可以接纳两种手段：
1）接纳特殊的热处理工艺。真空渗碳可降低渗碳气氛中的氧势，从而可以较为有效地减小渗碳层晶界氧化的爆发水平；稀土渗碳工艺也可以降低晶界氧化水平，由于稀土优先在工件外貌富集并择优沿钢的晶界扩散，并且与氧的亲协力远比Si、Mn、Cr高得多，它将优先与氧结合,阻碍氧原子继续向内扩散，从而有助于减轻非马氏体组织的爆发。
2）通过合金设计，开发抗晶界氧化的齿轮钢。Ni、Mo具有很强的抗氧化能，Cr元素次之，Mn抗氧化能力弱，而Si的抗氧化能力最弱（Si氧化倾向是Cr、Mn的10倍）。因此为减小晶界氧化并包管淬透性，在齿轮钢身分设计时，应适当降低易氧化元素的含量，特别是Si的含量，相应地提高难氧化元素Ni、Mo的含量。据报道，将Si、Mn、Cr划分控制在0.05%、0.35%、0.01%可以完全抑制外貌组织异常，并且纵然在1000℃也很少有晶界氧化的爆发。
1、轴承钢现状和生长偏向
轴承广泛应用于矿山机械、精密机床、冶金设备、重型装备与高等轿车等重大装备领域和风力发电、高铁动车及航空航天等新兴工业领域。中国生产的轴承主要为中低端轴承和小中型轴承，体现为低端过剩和高端缺乏。与外洋相比，在高端轴承和大型轴承方面保存较大差别。中国高速铁路客车专用配套轮对轴承全部需要从外洋进口。在航空航天、高速铁路、高等轿车及其他工业领域用的要害轴承上，中国轴承在使用寿命、可靠性、Dn值与承载能力等方面与先进水平保存较大差别。例如，外洋汽车变速箱轴承的使用寿命最低50万公里，而海内同类轴承寿命约10万公里，且可靠性、稳定性差。
航空方面
作为航空发动机的要害基础零部件，外洋正在研发推力比为15-20的第2代航空发动机轴承，准备在2020年前后装配到第5代战机中。近10年来，美国研发了第2代航空发动机用轴承钢，其代表性钢种为耐500℃的高强耐蚀轴承钢CSS-42L和耐350℃高氮不锈轴承钢X30（Cronidur30），中国则在进行第2代航空发动机用轴承的研发。
汽车方面关于汽车轮毂轴承，中国目前广泛应用的是第1代和第2代轮毂轴承（球轴承），而欧洲已广泛接纳第3代轮毂轴承。第3代轮毂轴承的主要优点是可靠、有效载荷间距短、易装置、无需调解、结构紧凑等。目前，中国引进车型大多接纳这种轻量化和一体化结构轮毂轴承。
铁路车辆方面
目前，中国铁路重载列车用轴承接纳国产电渣重熔G20CrNi2MoA渗碳钢制造，而外洋已经将超高纯轴承钢（EP钢）的真空脱气冶炼技术、夹杂物均匀化技术（IQ钢）、超长寿命钢技术（TF钢）、细质化热处理技术、外貌超硬化处理技术和先进的密封润滑技术等应用到轴承的生产和制造，从而大幅度提升了轴承的寿命与可靠性。中国电渣轴承钢不但质量低，并且本钱比真空脱气钢横跨2000-3000元/吨，未来中国需要开发超高纯、细质化、均匀化与质量稳定的真空脱气轴承钢取代目前接纳的电渣轴承钢。
风电能源方面
关于风电轴承，目前中国还无法生产技术含量较高的主轴轴承和增速器轴承，基本依靠进口，3MW以上风电机组配套轴承的国产化问题还没有解决。外洋为了提高风电轴承的强度、韧性和使用寿命，接纳了新型特殊热处理钢SHX（40CrSiMo），关于偏航和变浆轴承，通过外貌感应淬火热处理控制淬硬层深度、外貌硬度、软带宽度和外貌裂纹；关于增速器轴承和主轴轴承接纳碳氮共渗，使零件外貌获得较多稳定剩余奥氏体体积分数（30%-35%）和大宗细小碳化物、碳氮化物，提高了轴承在污染润滑工况下的使用寿命。
为提高轧机轴承的使用寿命以及运转精度，未来需要进行轧机用GCr15SiMn和G20Cr2Ni4等轴承钢的超高纯粹空脱气冶炼和轴承表层大奥氏体量控制热处理等技术的研发。日本NSK与NTN轴承公司划离开发了外貌奥氏体强化技术，即通过增加表层奥氏体含量，开发出了TF轴承和WTF轴承，从而将轴承的寿命提高了6-10倍。
一是经济洁净度：在考虑经济性的前提下，进一步提高钢的洁净度，降低钢中的氧和钛含量，抵达轴承钢中的氧与钛的质量分数划分小于6×10-6和15×10-6的水平，减小钢中夹杂物的含量与尺寸，提高漫衍均匀性。
二是组织细化与均匀化：通过合金化设计与控轧控冷工艺的应用，进一步提高夹杂物与碳化物的均匀性，降低和消除网状和带状碳化物，降低平均尺寸与最大颗粒尺寸，抵达碳化物的平均尺寸小于1μ m的目标；进一步提高基体组织的晶粒度，使轴承钢的晶粒尺寸进一步细化。
三是减少低倍组织缺陷：进一步降低轴承钢中的中心疏松、中心缩孔与中心身分偏析，提崎岖倍组织的均匀性。
四是轴承钢的高韧性化：通过新型合金化、热轧工艺优化与热处理工艺研究，提高轴承钢的韧性。
2、弹簧钢现状和生长偏向
弹簧钢(60Si2Mn、65Mn、50CrV4、51CrV、C75S等牌号）主要用于汽车、发动机制造业以及铁路行业。目前，中国弹簧钢产品保存的问题是，中低端产品过剩，高端及特殊品种缺乏；中国弹簧钢在纯净度、抗疲劳性、外貌质量以及质量稳定性等方面与外洋保存较大差别，无法满足高等乘用车悬架簧、气门弹簧、铁路及重载货车专用弹簧等对弹簧钢性能的要求。中国高等次及深加工弹簧钢仍然依赖进口。进口品种(C75S等)主要为轿车用弹簧钢、铁道用弹簧圆钢、油泵阀门弹簧钢丝等。
虽然降低钢中氧及夹杂物含量是获得纯净钢的一种途径，可是要想获得零夹杂的弹簧钢比较困难，为此有研究者提出了氧化物冶金技术，这是一种有效的晶粒细化的要领，是实现钢铁质料强度与韧性成倍提高的最有效要领。它利用钢中细小弥散的高熔点非金属夹杂物，主要是氧化物、硫化物以及氮化物，作为晶内铁素体的形核焦点，从而起到细化晶粒的作用。海内外已经对Ti、Zr氧化物体系做了系统的研究，认为含钛氧化物是最理想的。在奥氏体晶粒内钛的氧化物质点成为针状铁素体有效形核所在，增进晶内铁素体形成。可是，由于钢种身分的限制，钛氧化物冶金的推广受到了限制。最近几年开始对稀土元素进行研究，可以利用稀土元素的强脱氧脱硫能力及产品熔点高的特点来研究稀土氧化物对钢材性能的影响。
汽车行业对悬簧强度的要求越来越高，设计应力提高到1100-1200MPa，为这天本开发出添加合金来提高强度和提高耐腐化疲劳强度的钢材。中国弹簧钢无法满足高等乘用车悬架簧用钢性能需求，强度1200MPa及以上悬架弹簧产品用弹簧钢（51CrV4等）全部依赖进口。然而，近年来，为规避资源危害、降低本钱和实现原质料的全球化供应，强烈要求使用标准钢（SAE9254）维持高强度，并且强烈要求提高钢的韧性，因此越来越多地接纳喷丸硬化处理取代处理用度高的外貌硬化热处理。喷丸硬化处理将压缩剩余应力作用于外貌，可提高抗疲劳强度，减小外貌缺陷的影响水平，因此近年来将它视为外貌处理不可或缺的技术。随着外貌强化技术的生长，悬簧的设计应力也抵达了1200MPa级。预计今后对高强度悬簧用钢的强度、韧性和耐腐化性及耐用性的要求将越来越高。未来，随着汽车轻量化，生长高强度、优良抗弹减性能和抗疲劳性能的汽车悬架用弹簧钢是提高中国高端装备零部件自主配套能力、有效替代进口的一定趋势。
所有弹簧产品中，气门弹簧对证料要求最为严格，特别是高应力及异型截面气门弹簧对证料要求近乎苛刻。例如，要求抗拉强度抵达2000MPa；对氧化物、硫化物的夹杂物品级要求均抵达0级；异型截面质料对曲率、是非轴等有特殊要求。目前，外洋气门弹簧专用弹簧钢（SUP6等）生产主要集中在日本、韩国、瑞典，生产企业有日本铃木、三兴、住友、神钢钢线、韩国KisWire、瑞典Garphyttan等，险些垄断了中国全部异型截面和高应力气门弹簧钢市场。2000年以后，随着新型发动机的开发，对发动机的旋转速度和轻量化、紧凑化的要求越来越高，因这天本开始接纳2100-2200MPa的OT钢丝。在此情况下，不但要调解合金身分，还要对现有制造工艺进行革新，低温弥散硬化成为必不可少的工艺。然而，低温弥散硬化后的弹簧形状爆发变革，为了提高形状和尺寸的控制精度，控制整个制造工序中的形状变革的技术开始引人关注。
未来，为满足高端弹簧基础零部件国产化的生长需求，应不绝开发高性能弹簧钢产品，一方面是向高强度偏向生长，要求在高应力下同时提高疲劳寿命和抗松弛性能；另一方面是向功效性偏向生长，凭据差别的用途，要求具有耐蚀性、非磁性、导电性、耐磨性、耐热性等。
（60Si2MnA冷轧后外貌）
3、齿轮钢现状和生长偏向齿轮（20CrMo等）在事情时，恒久受到变载荷的攻击力、接触应力、脉动弯曲应力及摩擦力等多种应力的作用，还受到加工精度、装配精度、外来硬质点的研磨等多种因素的影响，是极易损坏的零件，因此要求齿轮钢具有较高的强韧性、疲劳强度和耐磨性。为了生产出优质齿轮钢，一方面要求钢厂为用户提供淬透性稳定且适应用户工艺要求的齿轮钢产品，另一方面齿轮厂也要优化现有工艺，引进新工艺来提高齿轮的质量。
与日本、德国、美国生产的齿轮钢相比，中国齿轮钢（30CrMo、42CrMo）保存的差别主要是：钢的牌号未形成系列化，产品标准落后；钢的淬透性带较宽，外洋钢的淬透性带已经抵达4HRC，而中国在6-8HRC左右，并且不敷稳定；钢的纯净度较低，从日本、德国、奥地利等国进口的齿轮钢，其氧含量波动在（7-18）×10-6，中国在（15-25）×10-6左右，并且非金属夹杂物弥散水平不敷，漫衍不均，大颗粒夹杂物较多；晶粒度要求差别，中国齿轮钢晶粒度级别一般要求5-8级，而日本特别强调渗碳齿轮钢的晶粒度应不粗于6级；日本开发了低硅抗晶界氧化渗碳钢系列，可使晶界氧化层降低到≤5μm，而SCM420H等Cr-Mo钢为15-20μm；平均使用寿命短，单位产品能耗大，劳动生产率低。别的，在轧制历程中如何包管疏松等低倍缺陷在很小且芯部规模内，也是中国未曾研究的领域，因为低倍组织缺陷会对零件后续加工以及热处理变形带来许多倒运影响。
目前，中国汽车用齿轮钢的主体钢种仍是20CrMnTi，该钢种通常接纳气体渗碳工艺，由于渗碳气氛中氧化性气体的保存，导致渗层中对氧亲和力较大的元素Si、Mn、Cr在晶界处爆发氧化，形成晶界氧化层。晶界氧化层的爆发会导致渗层Si、Mn、Cr等合金元素固溶量下降，降低渗层的淬透性，从而降低渗层的硬度并导致非马氏体组织的爆发，进而显著降低齿轮的疲劳性能。为解决这一问题可以接纳两种手段：
1）接纳特殊的热处理工艺。真空渗碳可降低渗碳气氛中的氧势，从而可以较为有效地减小渗碳层晶界氧化的爆发水平；稀土渗碳工艺也可以降低晶界氧化水平，由于稀土优先在工件外貌富集并择优沿钢的晶界扩散，并且与氧的亲协力远比Si、Mn、Cr高得多，它将优先与氧结合,阻碍氧原子继续向内扩散，从而有助于减轻非马氏体组织的爆发。
2）通过合金设计，开发抗晶界氧化的齿轮钢。Ni、Mo具有很强的抗氧化能，Cr元素次之，Mn抗氧化能力弱，而Si的抗氧化能力最弱（Si氧化倾向是Cr、Mn的10倍）。因此为减小晶界氧化并包管淬透性，在齿轮钢身分设计时，应适当降低易氧化元素的含量，特别是Si的含量，相应地提高难氧化元素Ni、Mo的含量。据报道，将Si、Mn、Cr划分控制在0.05%、0.35%、0.01%可以完全抑制外貌组织异常，并且纵然在1000℃也很少有晶界氧化的爆发。
为满足汽车行业高性能以及轻量化的生长要求，未来应重点开发：淬透性带窄的齿轮钢、超低氧渗碳钢、低晶界氧化层渗碳钢、超细晶粒渗碳钢、提高高温硬度和高温抗软化渗碳钢、易切削齿轮钢、冷锻齿轮用钢等。
（纵剪中的20CrMo冷轧）
