一、研究的背景與問(wèn)題

特殊鋼是鋼鐵強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志，也是一個(gè)國(guó)家工業(yè)化程度的重要標(biāo)志之一。軸承、齒輪、緊固件、彈簧、軸類(lèi)等基礎(chǔ)件作為先進(jìn)制造業(yè)的核心部件，量大面廣，對(duì)制造業(yè)具有重大支撐作用，其發(fā)展趨勢(shì)是更高可靠性、更長(zhǎng)壽命、以及更好的環(huán)境適應(yīng)性。目前，我國(guó)基礎(chǔ)件及其用特殊鋼整體上與國(guó)外先進(jìn)水平存在較大差距，導(dǎo)致制造業(yè)大而不強(qiáng)，汽車(chē)、機(jī)械、航空、新型能源等行業(yè)的先進(jìn)裝備目前尚未完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，成為“中國(guó)制造2025”制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要瓶頸。與日本、德國(guó)等裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)基礎(chǔ)件用特殊鋼產(chǎn)量大，但其質(zhì)量穩(wěn)定性、加工和使用性能與國(guó)外先進(jìn)水平存在明顯差距，導(dǎo)致基礎(chǔ)件可靠性低、壽命波動(dòng)大、服役環(huán)境適應(yīng)性差，無(wú)法滿(mǎn)足高端裝備制造業(yè)的需求，急需在相關(guān)基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵共性技術(shù)以及應(yīng)用等方面開(kāi)展追趕工作，以滿(mǎn)足制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展需求。

針對(duì)以上問(wèn)題，鋼鐵研究總院聯(lián)合興澄特鋼等十家單位，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“先進(jìn)制造業(yè)基礎(chǔ)件用特殊鋼及應(yīng)用”等項(xiàng)目支持下，選取軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、緊固件用鋼、軸類(lèi)用鋼等量大面廣的典型基礎(chǔ)件用特殊鋼，開(kāi)展了長(zhǎng)壽命機(jī)理研究及質(zhì)量穩(wěn)定性控制等系列關(guān)鍵技術(shù)、高效測(cè)試表征技術(shù)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)攻關(guān)，以滿(mǎn)足汽車(chē)、航空、機(jī)床、新能源等先進(jìn)裝備的需求，為先進(jìn)裝備的國(guó)產(chǎn)化和制造業(yè)升級(jí)奠定基礎(chǔ)，從而帶動(dòng)我國(guó)特殊鋼行業(yè)的升級(jí)換代，提升基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

本項(xiàng)目圍繞先進(jìn)制造業(yè)基礎(chǔ)件技術(shù)提升目標(biāo)，選取軸承鋼、齒輪鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、緊固件用鋼、彈簧鋼等量大面廣的典型基礎(chǔ)件用特殊鋼，圍繞質(zhì)量穩(wěn)定性提升和長(zhǎng)壽命化等突出問(wèn)題，開(kāi)展長(zhǎng)壽命化機(jī)理基礎(chǔ)研究，突破質(zhì)量穩(wěn)定性與性能提升、高效檢測(cè)評(píng)價(jià)等系列關(guān)鍵共性技術(shù)；在上述工作基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)件用特殊鋼系列高端品種，實(shí)現(xiàn)高性能和高附加值、綠色高效低碳生產(chǎn)，助力提升我國(guó)基礎(chǔ)件用特殊鋼產(chǎn)業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，滿(mǎn)足我國(guó)高端制造業(yè)急需。項(xiàng)目的總體技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖1。

首先，高強(qiáng)度螺栓、彈簧等基礎(chǔ)件在生產(chǎn)加工過(guò)程及復(fù)雜環(huán)境中服役時(shí)存在氫致延遲斷裂風(fēng)險(xiǎn)，是限制基礎(chǔ)件用特殊鋼進(jìn)一步高強(qiáng)度化和應(yīng)用關(guān)鍵瓶頸之一。如何通過(guò)合金成分與微觀(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)提高材料的抗氫脆能力是鋼鐵領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。對(duì)此，本項(xiàng)目將第一性原理計(jì)算與三維原子探針層析技術(shù)等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)表征手段相結(jié)合，試圖闡明不同種類(lèi)碳化物相界面氫捕獲的電子—原子機(jī)制，為氫陷阱設(shè)計(jì)和抗氫脆材料開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展抗延遲斷裂技術(shù)研究。其次，先進(jìn)制造業(yè)基礎(chǔ)件不但要求具有高強(qiáng)度，而且還要求具有高安全性和可靠性。鑒于疲勞破壞是軸承、彈簧、齒輪等運(yùn)動(dòng)部件早期失效主要原因，對(duì)此深入研究夾雜物、組織演變及表面處理對(duì)軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼和非調(diào)鋼等疲勞性能的影響規(guī)律，形成基礎(chǔ)件用鋼的長(zhǎng)疲勞壽命化技術(shù)及疲勞性能的高效評(píng)估技術(shù)。針對(duì)基礎(chǔ)件用特殊鋼產(chǎn)品同質(zhì)化和低值化等問(wèn)題，在上述研究工作基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)高潔凈冶煉、大顆粒脆性?shī)A雜物及硫化物控制、高均勻度凝固均質(zhì)化控制、熱處理及表面改性等產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定控制及低成本制造等系列關(guān)鍵共性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)件用特殊鋼品種的穩(wěn)定化生產(chǎn)與應(yīng)用示范，并開(kāi)發(fā)先進(jìn)制造業(yè)急需的一系列高端品種，以滿(mǎn)足高端機(jī)床、海上風(fēng)電、新能源汽車(chē)、工程機(jī)械、航空等行業(yè)的升級(jí)換代需求。

圖1 項(xiàng)目的總體技術(shù)路線(xiàn)

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1、開(kāi)發(fā)出精煉渣CaO活度預(yù)測(cè)及控制模型和硫化物變性與氧化物冶金耦合的硫化物長(zhǎng)寬比控制技術(shù)，解決了大尺寸脆性?shī)A雜物和硫化物長(zhǎng)徑比的控制難題

建立了“爐渣分子—離子體系自由CaO活度預(yù)測(cè)及控制模型”，結(jié)合在線(xiàn)CaO活度控制和中間包流場(chǎng)控制，軸承鋼DS夾雜可穩(wěn)定控制≤0.5級(jí)，近三年約3萬(wàn)爐合格率達(dá)到99%，接觸疲勞壽命提高到4倍；通過(guò)控制氧化物析出溫度獲得均勻細(xì)小氧化物作為硫化物形核核心結(jié)合硫化物變性處理，解決了硫化物長(zhǎng)寬比控制難題，非調(diào)質(zhì)鋼硫化物長(zhǎng)寬比≤5，平均值2.6。

2、開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)感應(yīng)補(bǔ)熱、水口返流調(diào)節(jié)等中間包溫度控制和基于位移控制的連鑄輕壓下等鑄坯均質(zhì)化技術(shù)，解決了基礎(chǔ)件用鋼的碳偏析穩(wěn)定性等難題

開(kāi)發(fā)了包含中間包沖擊區(qū)內(nèi)鋼液沖擊深度、返流分速度等參數(shù)的流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合模型，采用在線(xiàn)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)感應(yīng)補(bǔ)熱、過(guò)鋼流速及水口返流調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)中間包過(guò)熱度10~16 ℃；通過(guò)對(duì)大方坯末端液芯模型優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了凝固末端準(zhǔn)確判斷，創(chuàng)新提出了位移控制模型，解決了軸承鋼液析碳化物、彈簧鋼黑心偏析和齒輪鋼超窄淬透性帶寬等難題，齒輪鋼截面碳極差≤0.02%和淬透性帶≤4HRC合格率超過(guò)97%，軸承鋼液析碳化物均為0級(jí)。

3、在國(guó)際上首次提出了基于Bader原子體積的氫陷阱設(shè)計(jì)原則，開(kāi)發(fā)了基于納米碳化物氫陷阱的高強(qiáng)鋼超長(zhǎng)壽命化技術(shù)

從原子和電子層面研究了合金元素與氫陷阱交互作用機(jī)理，提出了基于Bader原子體積的氫陷阱設(shè)計(jì)原則；提出了控制服役環(huán)境中鋼材析氫反應(yīng)的合金化新思路，降低了可擴(kuò)散原子氫含量；明確了滲碳層與夾雜物在疲勞過(guò)程的作用機(jī)理，建立了一種綜合考慮夾雜物和滲碳層參數(shù)影響的滲碳鋼疲勞強(qiáng)度評(píng)估模型。

4、開(kāi)發(fā)出軸承鋼夾雜物超聲波在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)和非調(diào)質(zhì)鋼金相試樣測(cè)量疲勞極限技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)檢測(cè)與高效評(píng)估

開(kāi)發(fā)了超聲波設(shè)備及數(shù)據(jù)處理模型，解決了超聲波探傷無(wú)法檢測(cè)大顆粒夾雜物難題，實(shí)現(xiàn)了宏觀(guān)夾雜物在線(xiàn)檢測(cè)；發(fā)明了高/超純凈鋼中粗大夾雜物高效檢測(cè)的氫脆拉伸法；提出了鐵素體強(qiáng)化和細(xì)化的非調(diào)鋼組織調(diào)控技術(shù)，突破了金相試驗(yàn)測(cè)量疲勞極限技術(shù)，建立了缺口疲勞極限預(yù)測(cè)模型。

5、開(kāi)發(fā)出一系列長(zhǎng)壽命高端品種，滿(mǎn)足了新能源汽車(chē)、海上風(fēng)電、航空等高端制造業(yè)需求

發(fā)明了1400 MPa級(jí)高強(qiáng)韌貝氏體型非調(diào)鋼、12.9級(jí)風(fēng)電螺栓用耐延遲斷裂高強(qiáng)鋼和2100 MPa級(jí)超高強(qiáng)彈簧鋼；開(kāi)發(fā)了LF爐超低硫、硫化物變性結(jié)合真空自耗低熔速深脫氣技術(shù)，取代傳統(tǒng)雙真空冶煉工藝，形成了航空軸用鋼低成本單真空熔煉技術(shù)，成本降低了30%。

四、應(yīng)用情況與效果

本項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的改善基礎(chǔ)件用鋼質(zhì)量穩(wěn)定性及服役壽命的一系列關(guān)鍵技術(shù)，自2017年起在興澄特鋼、大冶特鋼、石鋼、撫鋼、東北特鋼、寶武特冶等企業(yè)已廣泛應(yīng)用于軸承鋼、齒輪鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、緊固件用鋼、彈簧鋼、軸類(lèi)用鋼等特殊鋼的生產(chǎn)，近三年產(chǎn)量約770萬(wàn)噸，新增產(chǎn)值104億元，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。開(kāi)發(fā)的系列品種廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工程機(jī)械、精密機(jī)床、風(fēng)電等高端裝備零部件，滿(mǎn)足了下游行業(yè)的急需，促進(jìn)了我國(guó)制造業(yè)升級(jí)。同時(shí)，還批量出口到國(guó)外軸承、齒輪、汽車(chē)鍛件等零部件制造企業(yè)，顯著提升了我國(guó)基礎(chǔ)原材料的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

興澄特鋼開(kāi)發(fā)的超高純凈長(zhǎng)壽命軸承鋼是“中國(guó)名牌”產(chǎn)品，目前已獲得全球軸承權(quán)威瑞典SKF、德國(guó)SCHAEFFLER、日本NTN-SNR、NSK等質(zhì)量認(rèn)證并長(zhǎng)年批量穩(wěn)定供貨，是獲得SKF“綠色通道”的第一家中國(guó)鋼鐵企業(yè)，2019年“高性能軸承鋼”榮獲工信部制造業(yè)單項(xiàng)冠軍產(chǎn)品；除供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)外，產(chǎn)品還出口到德國(guó)、法國(guó)、日本、美國(guó)等18個(gè)國(guó)家和地區(qū)。作為世界最著名軸承公司的主要供應(yīng)商之一，全球主要市場(chǎng)占有率超過(guò)20%，近3年生產(chǎn)超高純凈長(zhǎng)壽命軸承鋼8000多爐批共約75萬(wàn)余噸，產(chǎn)品覆蓋航空、軌道交通、汽車(chē)、風(fēng)電、工程機(jī)械等重點(diǎn)領(lǐng)域，解決了我國(guó)高端軸承鋼依賴(lài)進(jìn)口的局面，產(chǎn)品技術(shù)水平達(dá)到世界先進(jìn)。

興澄特鋼齒輪鋼主要用戶(hù)為德國(guó)ZF、德國(guó)BOSCH、加拿大MAGNA、美國(guó)ETN、德國(guó)GETRAG、日本AISIN、日本JATCO等，產(chǎn)品終端用戶(hù)覆蓋寶馬、奔馳、大眾、通用、福特、標(biāo)致、沃爾沃、豐田、日產(chǎn)、本田等世界知名汽車(chē)公司、成功打入國(guó)際高端市場(chǎng)，其中ZF公司齒輪鋼中國(guó)市場(chǎng)占有率100%，是ZF公司亞太地區(qū)唯一全球供應(yīng)商。撫鋼開(kāi)發(fā)的高品質(zhì)汽車(chē)齒輪鋼(FAS3420H、20MnCr5H等)成功地應(yīng)用于我國(guó)自主研發(fā)的高級(jí)轎車(chē)(如紅旗HS7、H9)、重型商用車(chē)等齒輪變速箱中，進(jìn)一步推動(dòng)了高級(jí)轎車(chē)的國(guó)產(chǎn)化，降低了高級(jí)轎車(chē)成本。另外，通過(guò)高品質(zhì)高穩(wěn)定性齒輪鋼及齒輪零件開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，各種車(chē)型變速箱的穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步提升。

冶鋼和石鋼利用創(chuàng)新的硫化物控制及組織性能調(diào)控技術(shù)，共開(kāi)發(fā)非調(diào)質(zhì)鋼品種50多個(gè)，包括硫化物變性處理非調(diào)質(zhì)鋼、低成本非調(diào)質(zhì)鋼、高性能非調(diào)質(zhì)鋼及其它品種的非調(diào)質(zhì)鋼等，近三年累計(jì)生產(chǎn)量約65萬(wàn)噸，廣泛應(yīng)用于制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、傳動(dòng)軸、方向機(jī)齒條等汽車(chē)零部件產(chǎn)品，液壓活塞桿、半軸、銷(xiāo)軸、拉桿等工程機(jī)械產(chǎn)品。產(chǎn)品獲得奔馳、寶馬、豐田、通用、沃爾沃、神龍、廣汽、長(zhǎng)安、長(zhǎng)城、柳汽等國(guó)內(nèi)外知名汽車(chē)廠(chǎng)和三一重工、中聯(lián)重工、柳工集團(tuán)等工程機(jī)械龍頭企業(yè)認(rèn)可。其中，開(kāi)發(fā)出的17個(gè)品種的硫化物調(diào)控非調(diào)質(zhì)鋼系列累計(jì)應(yīng)用量7.4萬(wàn)噸，使連桿、活塞等零件的切削性能提高了12~50%，生產(chǎn)效率提升了5~10%，且解決了重卡曲軸連鑄材的磁痕難題，成材率得到明顯提高。硫化物調(diào)控技術(shù)還推廣到其它有切削性能有要求的鋼種如含硫齒輪鋼、含硫不銹鋼、易切削模具鋼等。

我國(guó)軸承鋼、齒輪鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、緊固件用鋼、軸用鋼、彈簧鋼等量大面廣的基礎(chǔ)件用特殊鋼每年產(chǎn)量超過(guò)1000萬(wàn)噸，產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大，年產(chǎn)值超過(guò)1000億元。本項(xiàng)目成果起到很好的示范作用，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)修訂等方式帶動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步；同時(shí)，該成果還可推廣應(yīng)用于模具鋼等其他特殊鋼品種，全面提升特殊鋼質(zhì)量水平和服役性能，具備非常好的推廣應(yīng)用前景。

該成果獲得授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利35件，制/修訂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)8項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文78篇(SCI論文38篇、EI論文3篇)。

參考來(lái)源：

http://www.csm.org.cn//art/2022/6/23/art_6317_333057.html

來(lái)源：冶金信息網(wǎng)