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    我國特殊鋼生產技術及未來發展方向

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    文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2018-03-22 16:30:00

    特殊鋼是指具有特殊的化學成分(合金化)、采用特殊的工藝生產、具備特殊的組織和性能、能夠滿足特殊需要的鋼類。與普通鋼相比,特殊鋼具有更高的強度和韌性、物理性能、化學性能、生物相容性和工藝性能。是全世界重大裝備制造和各個國家重點工程建設所需的關鍵材料,它不只是一塊普通的鋼鐵,它是一個國家科技水平的提現,其生產和應用代表一個國家的工業化發展水平。 

    1、軸承鋼現狀和發展方向 

    軸承廣泛應用于礦山機械、精密機床、冶金設備、重型裝備與高檔轎車等重大裝備領域和風力發電、高鐵動車及航空航天等新興產業領域。中國生產的軸承主要為中低端軸承和小中型軸承,表現為低端過剩和高端缺乏。與國外相比,在高端軸承和大型軸承方面存在較大差距。中國高速鐵路客車專用配套輪對軸承全部需要從國外進口。在航空航天、高速鐵路、高檔轎車及其他工業領域用的關鍵軸承上,中國軸承在使用壽命、可靠性、Dn值與承載能力等方面與先進水平存在較大差距。例如,國外汽車變速箱軸承的使用壽命最低50萬公里,而國內同類軸承壽命約10萬公里,且可靠性、穩定性差。  

    航空方面 

    作為航空發動機的關鍵基礎零部件,國外正在研發推力比為15-20的第2代航空發動機軸承,準備在2020年前后裝配到第5代戰機中。近10年來,美國研發了第2代航空發動機用軸承鋼,其代表性鋼種為耐500℃的高強耐蝕軸承鋼CSS-42L和耐350℃高氮不銹軸承鋼X30(Cronidur30),中國則在進行第2代航空發動機用軸承的研發。  

    汽車方面 

    對于汽車輪轂軸承,中國目前廣泛應用的是第1代和第2代輪轂軸承(球軸承),而歐洲已廣泛采用第3代輪轂軸承。第3代輪轂軸承的主要優點是可靠、有效載荷間距短、易安裝、無需調整、結構緊湊等。目前,中國引進車型大多采用這種輕量化和一體化結構輪轂軸承。  

    鐵路車輛方面 

    目前,中國鐵路重載列車用軸承采用國產電渣重熔G20CrNi2MoA滲碳鋼制造,而國外已經將超高純軸承鋼(EP鋼)的真空脫氣冶煉技術、夾雜物均勻化技術(IQ鋼)、超長壽命鋼技術(TF鋼)、細質化熱處理技術、表面超硬化處理技術和先進的密封潤滑技術等應用到軸承的生產和制造,從而大幅度提升了軸承的壽命與可靠性。中國電渣軸承鋼不僅質量低,而且成本比真空脫氣鋼高出2000-3000元/噸,未來中國需要開發超高純、細質化、均勻化與質量穩定的真空脫氣軸承鋼取代目前采用的電渣軸承鋼。

    風電能源方面 

    對于風電軸承,目前中國還無法生產技術含量較高的主軸軸承和增速器軸承,基本依靠進口,3MW以上風電機組配套軸承的國產化問題還沒有解決。國外為了提高風電軸承的強度、韌性和使用壽命,采用了新型特殊熱處理鋼SHX(40CrSiMo),對于偏航和變漿軸承,通過表面感應淬火熱處理控制淬硬層深度、表面硬度、軟帶寬度和表面裂紋;對于增速器軸承和主軸軸承采用碳氮共滲,使零件表面得到較多穩定殘余奧氏體體積分數(30%-35%)和大量細小碳化物、碳氮化物,提高了軸承在污染潤滑工況下的使用壽命。 

    為提高軋機軸承的使用壽命以及運轉精度,未來需要進行軋機用GCr15SiMn和G20Cr2Ni4等軸承鋼的超高純真空脫氣冶煉和軸承表層大奧氏體量控制熱處理等技術的研發。日本NSK與NTN軸承公司分別開發了表面奧氏體強化技術,即通過增加表層奧氏體含量,開發出了TF軸承和WTF軸承,從而將軸承的壽命提高了6-10倍。

    未來中國軸承鋼的研發方向主要體現在四個方面: 

    一是經濟潔凈度:在考慮經濟性的前提下,進一步提高鋼的潔凈度,降低鋼中的氧和鈦含量,達到軸承鋼中的氧與鈦的質量分數分別小于6×10-6和15×10-6的水平,減小鋼中夾雜物的含量與尺寸,提高分布均勻性。 

    二是組織細化與均勻化:通過合金化設計與控軋控冷工藝的應用,進一步提高夾雜物與碳化物的均勻性,降低和消除網狀和帶狀碳化物,降低平均尺寸與最大顆粒尺寸,達到碳化物的平均尺寸小于1μ m的目標;進一步提高基體組織的晶粒度,使軸承鋼的晶粒尺寸進一步細化。 

    三是減少低倍組織缺陷:進一步降低軸承鋼中的中心疏松、中心縮孔與中心成分偏析,提高低倍組織的均勻性。 

    四是軸承鋼的高韌性化:通過新型合金化、熱軋工藝優化與熱處理工藝研究,提高軸承鋼的韌性。

    2、彈簧鋼現狀和發展方向 

    彈簧鋼主要用于汽車、發動機制造業以及鐵路行業。目前,中國彈簧鋼產品存在的問題是,中低端產品過剩,高端及特殊品種缺乏;中國彈簧鋼在純凈度、抗疲勞性、表面質量以及質量穩定性等方面與國外存在較大差距,無法滿足高檔乘用車懸架簧、氣門彈簧、鐵路及重載貨車專用彈簧等對彈簧鋼性能的要求。中國高檔次及深加工彈簧鋼仍然依賴進口。進口品種主要為轎車用彈簧鋼、鐵道用彈簧圓鋼、油泵閥門彈簧鋼絲等。 

    雖然降低鋼中氧及夾雜物含量是獲得純凈鋼的一種途徑,但是要想得到零夾雜的彈簧鋼比較困難,為此有研究者提出了氧化物冶金技術,這是一種有效的晶粒細化的方法,是實現鋼鐵材料強度與韌性成倍提高的最有效方法。它利用鋼中細小彌散的高熔點非金屬夾雜物,主要是氧化物、硫化物以及氮化物,作為晶內鐵素體的形核核心,從而起到細化晶粒的作用。國內外已經對Ti、Zr氧化物體系做了系統的研究,認為含鈦氧化物是最理想的。在奧氏體晶粒內鈦的氧化物質點成為針狀鐵素體有效形核地點,促進晶內鐵素體形成。但是,由于鋼種成分的限制,鈦氧化物冶金的推廣受到了限制。最近幾年開始對稀土元素進行研究,可以利用稀土元素的強脫氧脫硫能力及產物熔點高的特點來研究稀土氧化物對鋼材性能的影響。 

    汽車行業對懸簧強度的要求越來越高,設計應力提高到1100-1200MPa,為此日本開發出添加合金來提高強度和提高耐腐蝕疲勞強度的鋼材。中國彈簧鋼無法滿足高檔乘用車懸架簧用鋼性能需求,強度1200MPa及以上懸架彈簧產品用彈簧鋼全部依賴進口。然而,近年來,為規避資源風險、降低成本和實現原材料的全球化供給,強烈要求使用標準鋼(SAE9254)維持高強度,而且強烈要求提高鋼的韌性,因此越來越多地采用噴丸硬化處理取代處理費用高的表面硬化熱處理。噴丸硬化處理將壓縮殘余應力作用于表面,可提高抗疲勞強度,減小表面缺陷的影響程度,因此近年來將它視為表面處理不可或缺的技術。隨著表面強化技術的發展,懸簧的設計應力也達到了1200MPa級。預計今后對高強度懸簧用鋼的強度、韌性和耐腐蝕性及耐用性的要求將越來越高。未來,隨著汽車輕量化,發展高強度、優良抗彈減性能和抗疲勞性能的汽車懸架用彈簧鋼是提高中國高端裝備零部件自主配套能力、有效替代進口的必然趨勢。 

    所有彈簧產品中,氣門彈簧對材料要求最為嚴格,特別是高應力及異型截面氣門彈簧對材料要求近乎苛刻。例如,要求抗拉強度達到2000MPa;對氧化物、硫化物的夾雜物等級要求均達到0級;異型截面材料對曲率、長短軸等有特殊要求。目前,國外氣門彈簧專用彈簧鋼生產主要集中在日本、韓國、瑞典,生產企業有日本鈴木、三興、住友、神鋼鋼線、韓國KisWire、瑞典Garphyttan等,幾乎壟斷了中國全部異型截面和高應力氣門彈簧鋼市場。2000年以后,隨著新型發動機的開發,對發動機的旋轉速度和輕量化、緊湊化的要求越來越高,因此日本開始采用2100-2200MPa的OT鋼絲。在此情況下,不僅要調整合金成分,還要對現有制造工藝進行改進,低溫彌散硬化成為必不可少的工藝。然而,低溫彌散硬化后的彈簧形狀發生變化,為了提高形狀和尺寸的控制精度,控制整個制造工序中的形狀變化的技術開始引人關注。 

    未來,為滿足高端彈簧基礎零部件國產化的發展需求,應不斷開發高性能彈簧鋼產品,一方面是向高強度方向發展,要求在高應力下同時提高疲勞壽命和抗松弛性能;另一方面是向功能性方向發展,根據不同的用途,要求具有耐蝕性、非磁性、導電性、耐磨性、耐熱性等。

    3、齒輪鋼現狀和發展方向 

    齒輪在工作時,長期受到變載荷的沖擊力、接觸應力、脈動彎曲應力及摩擦力等多種應力的作用,還受到加工精度、裝配精度、外來硬質點的研磨等多種因素的影響,是極易損壞的零件,因此要求齒輪鋼具有較高的強韌性、疲勞強度和耐磨性。為了生產出優質齒輪鋼,一方面要求鋼廠為用戶提供淬透性穩定且適應用戶工藝要求的齒輪鋼產品,另一方面齒輪廠也要優化現有工藝,引進新工藝來提高齒輪的質量。 

    與日本、德國、美國生產的齒輪鋼相比,中國齒輪鋼存在的差距主要是:鋼的牌號未形成系列化,產品標準落后;鋼的淬透性帶較寬,國外鋼的淬透性帶已經達到4HRC,而中國在6-8HRC左右,并且不夠穩定;鋼的純凈度較低,從日本、德國、奧地利等國進口的齒輪鋼,其氧含量波動在(7-18)×10-6,中國在(15-25)×10-6左右,并且非金屬夾雜物彌散程度不夠,分布不均,大顆粒夾雜物較多;晶粒度要求不同,中國齒輪鋼晶粒度級別一般要求5-8級,而日本特別強調滲碳齒輪鋼的晶粒度應不粗于6級;日本開發了低硅抗晶界氧化滲碳鋼系列,可使晶界氧化層降低到≤5μm,而SCM420H等Cr-Mo鋼為15-20μm;平均使用壽命短,單位產品能耗大,勞動生產率低。此外,在軋制過程中如何保證疏松等低倍缺陷在很小且芯部范圍內,也是中國未曾研究的領域,因為低倍組織缺陷會對零件后續加工以及熱處理變形帶來很多不利影響。 

    目前,中國汽車用齒輪鋼的主體鋼種仍是20CrMnTi,該鋼種通常采用氣體滲碳工藝,由于滲碳氣氛中氧化性氣體的存在,導致滲層中對氧親和力較大的元素Si、Mn、Cr在晶界處發生氧化,形成晶界氧化層。晶界氧化層的發生會導致滲層Si、Mn、Cr等合金元素固溶量下降,降低滲層的淬透性,從而降低滲層的硬度并導致非馬氏體組織的產生,進而顯著降低齒輪的疲勞性能。為解決這一問題可以采用兩種手段: 

    1)采用特殊的熱處理工藝。真空滲碳可降低滲碳氣氛中的氧勢,從而可以較為有效地減小滲碳層晶界氧化的發生程度;稀土滲碳工藝也可以降低晶界氧化程度,由于稀土優先在工件表面富集并擇優沿鋼的晶界擴散,而且與氧的親合力遠比Si、Mn、Cr高得多,它將優先與氧結合,阻礙氧原子繼續向內擴散,從而有助于減輕非馬氏體組織的產生。 

    2)通過合金設計,開發抗晶界氧化的齒輪鋼。Ni、Mo具有很強的抗氧化能,Cr元素次之,Mn抗氧化能力弱,而Si的抗氧化能力最弱(Si氧化傾向是Cr、Mn的10倍)。因此為減小晶界氧化并保證淬透性,在齒輪鋼成分設計時,應適當降低易氧化元素的含量,特別是Si的含量,相應地提高難氧化元素Ni、Mo的含量。據報道,將Si、Mn、Cr分別控制在0.05%、0.35%、0.01%可以完全抑制表面組織異常,而且即使在1000℃也很少有晶界氧化的發生。 

    為滿足汽車行業高性能以及輕量化的發展要求,未來應重點開發:淬透性帶窄的齒輪鋼、超低氧滲碳鋼、低晶界氧化層滲碳鋼、超細晶粒滲碳鋼、提高高溫硬度和高溫抗軟化滲碳鋼、易切削齒輪鋼、冷鍛齒輪用鋼等。

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