一、研究的背景與問題

特殊鋼是鋼鐵強國的重要標志，也是一個國家工業(yè)化程度的重要標志之一。軸承、齒輪、緊固件、彈簧、軸類等基礎(chǔ)件作為先進制造業(yè)的核心部件，量大面廣，對制造業(yè)具有重大支撐作用，其發(fā)展趨勢是更高可靠性、更長壽命、以及更好的環(huán)境適應(yīng)性。目前，我國基礎(chǔ)件及其用特殊鋼整體上與國外先進水平存在較大差距，導(dǎo)致制造業(yè)大而不強，汽車、機械、航空、新型能源等行業(yè)的先進裝備目前尚未完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，成為“中國制造2025”制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要瓶頸。與日本、德國等裝備制造業(yè)發(fā)達國家相比，我國基礎(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外先進水平存在明顯差距，導(dǎo)致基礎(chǔ)件可靠性低、壽命波動大、服役環(huán)境適應(yīng)性差，無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)用等方面開展追趕工作，以滿足制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的發(fā)展需求。

針對以上問題，鋼鐵研究總院聯(lián)合興澄特鋼等十家單位，在國家重點研發(fā)計劃“先進制造業(yè)基礎(chǔ)件用特殊鋼及應(yīng)用”等項目支持下，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，開展了長壽命機理研究及質(zhì)量穩(wěn)定性控制等系列關(guān)鍵技術(shù)、高效測試表征技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)攻關(guān)，以滿足汽車、航空、機床、新能源等先進裝備的需求，為先進裝備的國產(chǎn)化和制造業(yè)升級奠定基礎(chǔ)，從而帶動我國特殊鋼行業(yè)的升級換代，提升基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)的整體競爭力。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

本項目圍繞先進制造業(yè)基礎(chǔ)件技術(shù)提升目標，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)定性提升和長壽命化等突出問題，開展長壽命化機理基礎(chǔ)研究，突破質(zhì)量穩(wěn)定性與性能提升、高效檢測評價等系列關(guān)鍵共性技術(shù)；在上述工作基礎(chǔ)上開發(fā)基礎(chǔ)件用特殊鋼系列高端品種，實現(xiàn)高性能和高附加值、綠色高效低碳生產(chǎn)，助力提升我國基礎(chǔ)件用特殊鋼產(chǎn)業(yè)的整體競爭力，滿足我國高端制造業(yè)急需。項目的總體技術(shù)路線見圖1。

首先，高強度螺栓、彈簧等基礎(chǔ)件在生產(chǎn)加工過程及復(fù)雜環(huán)境中服役時存在氫致延遲斷裂風險，是限制基礎(chǔ)件用特殊鋼進一步高強度化和應(yīng)用關(guān)鍵瓶頸之一。如何通過合金成分與微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高材料的抗氫脆能力是鋼鐵領(lǐng)域的一個關(guān)鍵科學(xué)問題。對此，本項目將第一性原理計算與三維原子探針層析技術(shù)等先進實驗表征手段相結(jié)合，試圖闡明不同種類碳化物相界面氫捕獲的電子—原子機制，為氫陷阱設(shè)計和抗氫脆材料開發(fā)提供理論基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上開展抗延遲斷裂技術(shù)研究。其次，先進制造業(yè)基礎(chǔ)件不但要求具有高強度，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、齒輪等運動部件早期失效主要原因，對此深入研究夾雜物、組織演變及表面處理對軸承鋼、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)件用鋼的長疲勞壽命化技術(shù)及疲勞性能的高效評估技術(shù)。針對基礎(chǔ)件用特殊鋼產(chǎn)品同質(zhì)化和低值化等問題，在上述研究工作基礎(chǔ)上，開發(fā)高潔凈冶煉、大顆粒脆性夾雜物及硫化物控制、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，并開發(fā)先進制造業(yè)急需的一系列高端品種，以滿足高端機床、海上風電、新能源汽車、工程機械、航空等行業(yè)的升級換代需求。

圖1 項目的總體技術(shù)路線

三、主要創(chuàng)新性成果

1、開發(fā)出精煉渣CaO活度預(yù)測及控制模型和硫化物變性與氧化物冶金耦合的硫化物長寬比控制技術(shù)，解決了大尺寸脆性夾雜物和硫化物長徑比的控制難題

建立了“爐渣分子—離子體系自由CaO活度預(yù)測及控制模型”，結(jié)合在線CaO活度控制和中間包流場控制，軸承鋼DS夾雜可穩(wěn)定控制≤0.5級，近三年約3萬爐合格率達到99%，接觸疲勞壽命提高到4倍；通過控制氧化物析出溫度獲得均勻細小氧化物作為硫化物形核核心結(jié)合硫化物變性處理，解決了硫化物長寬比控制難題，非調(diào)質(zhì)鋼硫化物長寬比≤5，平均值2.6。

2、開發(fā)了動態(tài)感應(yīng)補熱、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-溫度場耦合模型，采用在線檢測和動態(tài)感應(yīng)補熱、過鋼流速及水口返流調(diào)節(jié)，實現(xiàn)中間包過熱度10~16 ℃；通過對大方坯末端液芯模型優(yōu)化，實現(xiàn)了凝固末端準確判斷，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97%，軸承鋼液析碳化物均為0級。

3、在國際上首次提出了基于Bader原子體積的氫陷阱設(shè)計原則，開發(fā)了基于納米碳化物氫陷阱的高強鋼超長壽命化技術(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理，提出了基于Bader原子體積的氫陷阱設(shè)計原則；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，降低了可擴散原子氫含量；明確了滲碳層與夾雜物在疲勞過程的作用機理，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度評估模型。

4、開發(fā)出軸承鋼夾雜物超聲波在線檢測技術(shù)和非調(diào)質(zhì)鋼金相試樣測量疲勞極限技術(shù)，實現(xiàn)了在線檢測與高效評估

開發(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法檢測大顆粒夾雜物難題，實現(xiàn)了宏觀夾雜物在線檢測；發(fā)明了高/超純凈鋼中粗大夾雜物高效檢測的氫脆拉伸法；提出了鐵素體強化和細化的非調(diào)鋼組織調(diào)控技術(shù)，突破了金相試驗測量疲勞極限技術(shù)，建立了缺口疲勞極限預(yù)測模型。

5、開發(fā)出一系列長壽命高端品種，滿足了新能源汽車、海上風電、航空等高端制造業(yè)需求

發(fā)明了1400 MPa級高強韌貝氏體型非調(diào)鋼、12.9級風電螺栓用耐延遲斷裂高強鋼和2100 MPa級超高強彈簧鋼；開發(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

本項目所開發(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、軸類用鋼等特殊鋼的生產(chǎn)，近三年產(chǎn)量約770萬噸，新增產(chǎn)值104億元，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。開發(fā)的系列品種廣泛應(yīng)用于汽車、工程機械、精密機床、風電等高端裝備零部件，滿足了下游行業(yè)的急需，促進了我國制造業(yè)升級。同時，還批量出口到國外軸承、齒輪、汽車鍛件等零部件制造企業(yè)，顯著提升了我國基礎(chǔ)原材料的國際競爭力。

興澄特鋼開發(fā)的超高純凈長壽命軸承鋼是“中國名牌”產(chǎn)品，目前已獲得全球軸承權(quán)威瑞典SKF、德國SCHAEFFLER、日本NTN-SNR、NSK等質(zhì)量認證并長年批量穩(wěn)定供貨，是獲得SKF“綠色通道”的第一家中國鋼鐵企業(yè)，2019年“高性能軸承鋼”榮獲工信部制造業(yè)單項冠軍產(chǎn)品；除供應(yīng)國內(nèi)市場外，產(chǎn)品還出口到德國、法國、日本、美國等18個國家和地區(qū)。作為世界最著名軸承公司的主要供應(yīng)商之一，全球主要市場占有率超過20%，近3年生產(chǎn)超高純凈長壽命軸承鋼8000多爐批共約75萬余噸，產(chǎn)品覆蓋航空、軌道交通、汽車、風電、工程機械等重點領(lǐng)域，解決了我國高端軸承鋼依賴進口的局面，產(chǎn)品技術(shù)水平達到世界先進。

興澄特鋼齒輪鋼主要用戶為德國ZF、德國BOSCH、加拿大MAGNA、美國ETN、德國GETRAG、日本AISIN、日本JATCO等，產(chǎn)品終端用戶覆蓋寶馬、奔馳、大眾、通用、福特、標致、沃爾沃、豐田、日產(chǎn)、本田等世界知名汽車公司、成功打入國際高端市場，其中ZF公司齒輪鋼中國市場占有率100%，是ZF公司亞太地區(qū)唯一全球供應(yīng)商。撫鋼開發(fā)的高品質(zhì)汽車齒輪鋼(FAS3420H、20MnCr5H等)成功地應(yīng)用于我國自主研發(fā)的高級轎車(如紅旗HS7、H9)、重型商用車等齒輪變速箱中，進一步推動了高級轎車的國產(chǎn)化，降低了高級轎車成本。另外，通過高品質(zhì)高穩(wěn)定性齒輪鋼及齒輪零件開發(fā)和應(yīng)用，各種車型變速箱的穩(wěn)定性得到了進一步提升。

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)，共開發(fā)非調(diào)質(zhì)鋼品種50多個，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，近三年累計生產(chǎn)量約65萬噸，廣泛應(yīng)用于制造汽車發(fā)動機曲軸、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、傳動軸、方向機齒條等汽車零部件產(chǎn)品，液壓活塞桿、半軸、銷軸、拉桿等工程機械產(chǎn)品。產(chǎn)品獲得奔馳、寶馬、豐田、通用、沃爾沃、神龍、廣汽、長安、長城、柳汽等國內(nèi)外知名汽車廠和三一重工、中聯(lián)重工、柳工集團等工程機械龍頭企業(yè)認可。其中，開發(fā)出的17個品種的硫化物調(diào)控非調(diào)質(zhì)鋼系列累計應(yīng)用量7.4萬噸，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1000萬噸，產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大，年產(chǎn)值超過1000億元。本項目成果起到很好的示范作用，可通過標準修訂等方式帶動行業(yè)技術(shù)進步；同時，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)國家發(fā)明專利35件，制/修訂國家標準8項、行業(yè)標準2項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文78篇(SCI論文38篇、EI論文3篇)。