基礎(chǔ)件用特殊鋼長(zhǎng)壽命機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

項(xiàng)目獲獎(jiǎng)情況：2022年冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

完成單位：鋼鐵研究總院有限公司、江陰興澄特種鋼鐵有限公司、大冶特殊鋼有限公司、北京交通大學(xué)、石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司、撫順特殊鋼股份有限公司、寶武特種冶金有限公司、東北特殊鋼集團(tuán)股份有限公司、北京科技大學(xué)、清華大學(xué)

完成人：蘇杰、錢剛、惠衛(wèi)軍、王毛球、許曉紅、周立新、白云、郝彥英、劉振寶、徐樂(lè)、馮桂萍、紀(jì)玉忠、張永健、鄭文超、何肖飛

1　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，也是體現(xiàn)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)具有重要支撐作用，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、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)，以滿足汽車、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。

2　解決問(wèn)題的思路與方案

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，滿足我國(guó)高端制造業(yè)急需。項(xiàng)目的總體技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目的總體技術(shù)路線

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)用的關(guān)鍵瓶頸之一。如何通過(guò)合金成分與微觀結(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)目將性原理計(jì)算與三維原子探針層析技術(shù)等先進(jìn)試驗(yàn)表征手段相結(jié)合，試圖闡明不同種類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，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)部件早期失效的主要原因，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，以滿足高端機(jī)床、海上風(fēng)電、新能源汽車、工程機(jī)械、航空等行業(yè)的升級(jí)換代需求。

3　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CaO活度控制和中間包流場(chǎng)控制，軸承鋼Ds夾雜物可穩(wěn)定控制≤0.5級(jí)，近三年約3萬(wàn)爐合格率達(dá)到99%，接觸疲勞壽命提高了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)?鋼硫化物長(zhǎng)寬比≤5，平均值為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)出了軸承鋼夾雜物超聲波在線檢測(cè)技術(shù)以及非調(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)大顆粒夾雜物的難題，實(shí)現(xiàn)了宏觀夾雜物在線檢測(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，滿足了新能源汽車、海上風(fēng)電、航空等高端制造業(yè)需求。

發(fā)明了1400MPa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2100MPa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%。

4　應(yīng)用情況與效果

本項(xiàng)目開(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、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，經(jīng)濟(jì)效益巨大。開(kāi)發(fā)的系列品種廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、精密機(jī)床、風(fēng)電等高端裝備零部件，滿足了下游行業(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廠商瑞典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”的家中國(guó)鋼鐵企業(yè)。撫鋼開(kāi)發(fā)的高品質(zhì)汽車齒輪鋼（FAS3420H、20MnCr5H等）成功應(yīng)用于我國(guó)自主研發(fā)的高級(jí)轎車、重型商用車等齒輪變速箱中，進(jìn)一步推動(dòng)了高級(jí)轎車的國(guó)產(chǎn)化，降低了高級(jí)轎車成本。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)，近三年累計(jì)生產(chǎn)量約65萬(wàn)噸，廣泛應(yīng)用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、輪轂、傳動(dòng)軸等汽車零部件產(chǎn)品以及液壓活塞桿、半軸、拉桿等工程機(jī)械產(chǎn)品。

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，可以推廣應(yīng)用于項(xiàng)目外其他相關(guān)企業(yè)以上品種，并可通過(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)，項(xiàng)目成果還可推廣應(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，強(qiáng)力支撐我國(guó)制造業(yè)升級(jí)。因此，項(xiàng)目成果具備非常好的推廣應(yīng)用前景。此外，項(xiàng)目獲得授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利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，其中SCI論文38篇、EI論文3篇。

來(lái)源：《世界金屬導(dǎo)報(bào)》37期B08，版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有。