一、研究的背景與問題
高鐵動車組因速度快、安全可靠、舒適度高、污染少等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到飛速發(fā)展，帶來了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。近年來，為完善我國綜合交通運輸體系、促進交通運輸提質(zhì)增效升級、引領(lǐng)和支撐區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，自2008年起開始建設(shè)第一條高速鐵路。此后，中國高鐵建設(shè)始終保持著高速增長，截至2021年底，高鐵運營里程突破4萬公里，位居世界第一。根據(jù)2022年國務院發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》，到2025年，高鐵運營里程將達到5萬公里，主要采用250公里及以上時速標準的高速鐵路網(wǎng)，對50萬人口以上城市覆蓋率達到95%以上，網(wǎng)絡(luò)覆蓋進一步擴大，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，骨干作用更加顯著，更好發(fā)揮鐵路對經(jīng)濟社會發(fā)展的保障作用。展望2030年，基本實現(xiàn)內(nèi)外互聯(lián)互通、區(qū)際多路暢通、省會高鐵連通、地市快速通達、縣域基本覆蓋。
目前國際上已形成以德國ICE、法國GTV、日本新干線和中國CRH為代表的高鐵技術(shù)。我國正在加大高速鐵路和高鐵動車組技術(shù)的發(fā)展力度，在《中國鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃》中，國家已將高鐵動車組技術(shù)列為高端裝備制造業(yè)中五個重點發(fā)展方向之一，致力于高鐵動車組技術(shù)的國產(chǎn)化和中國標準動車組研制。高鐵部件逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，將是一個必然趨勢，不但可以降低高鐵制造成本，也為鐵路機車部件制造企業(yè)和上游特殊鋼生產(chǎn)企業(yè)提供新一輪發(fā)展機遇。
我國高鐵裝備制造用鋼鐵材料研發(fā)與應用，相比日、德、法等發(fā)達國家起步較晚，仍處于消化、吸收及再創(chuàng)新的過程中，迄今仍存在材料基礎(chǔ)研究不足、產(chǎn)品性能及質(zhì)量穩(wěn)定性低等問題，成熟的國產(chǎn)化材料體系還未形成，中高速動車制動系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)核心部件用鋼鐵材料絕大部分依賴進口。技術(shù)方面主要存在的問題包括：
1、高鐵冷成形彈簧鋼要求材料具有高強度、高韌性、高疲勞、超純凈，尤其對耐疲勞性能提出了更高要求，傳統(tǒng)的彈簧鋼能夠滿足熱成形要求，卻難以滿足冷成形后的各項性能要求；
2、制動盤作為高鐵摩擦制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，服役條件極其苛刻，國內(nèi)缺少高鐵制動盤用鋼的產(chǎn)品，高鐵制動盤用鋼的高強韌性、耐高溫、耐磨、抗疲勞、抗氧化性和良好的環(huán)境適應性等綜合性能需要系統(tǒng)研究；
3、高鐵用高溫滲碳齒輪鋼與國外存在明顯差距，隨著滲碳溫度的提高，奧氏體晶粒易發(fā)生長大，對強韌性、熱處理變形、抗疲勞性能等產(chǎn)生不利影響；
4、高鐵用鋼合金體系復雜，含有Cr、Ni、Cu、Al、V、N、Nb等多種元素，鋼種裂紋敏感性高，連鑄過程中極易產(chǎn)生內(nèi)外部質(zhì)量問題；
5、高鐵用鋼鐵材料性能的均一性要求高，成分均質(zhì)性、碳極差等需要系統(tǒng)提升。
南鋼積極踐行《中國制造2025》、《鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級規(guī)劃》、《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》、《增強制造業(yè)核心競爭力三年行動計劃》等國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策導向，于2018年獲得國家工信部工業(yè)強基 “軌道交通裝備用高性能齒輪滲碳鋼”項目支持，2019年獲得國家發(fā)改委增強制造業(yè)核心競爭力專項“先進軌道交通裝備材料高鐵剎車盤用鋼”支持，2021年進入江蘇省軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)鏈強鏈項目。南鋼成立產(chǎn)學研用團隊，聯(lián)合北京科技大學、中盛鐵路車輛配件有限公司、中車戚墅堰所等高校院所及上下游企業(yè)，全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同攻關(guān)，結(jié)合自身裝備和技術(shù)優(yōu)勢，陸續(xù)開展純凈鋼冶煉及夾雜物塑性化控制、鋼的成分均質(zhì)化控制、裂紋敏感鋼種鑄坯表面質(zhì)量控制、滲碳奧氏體晶粒度控制等技術(shù)研究，明確了軌道交通用鋼開發(fā)的具體目標和實施方案，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軌道交通用鋼生產(chǎn)控制技術(shù)，相繼完成了高鐵彈簧用鋼、制動盤用鋼、軌道交通齒輪鋼等產(chǎn)品開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應用，填補了國內(nèi)空白，解決了“卡脖子”材料問題。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
軌道交通核心部件是高端特鋼應用的重要領(lǐng)域，特別是高鐵用鋼，存在很高的技術(shù)和準入壁壘，在成分及組織控制、強韌性配合等方面相比普通特鋼要求更高，技術(shù)難度更大，產(chǎn)品準入條件十分嚴苛，需通過運行測試、CRCC評審、鐵路總公司供應資格評審等環(huán)節(jié)才能進入采購名錄。而另一方面，我國在高鐵用鋼的研發(fā)與應用方面起步較晚，鋼的實物質(zhì)量穩(wěn)定性有待提升，有關(guān)標準、技術(shù)條件缺失或不系統(tǒng)，導致高鐵行業(yè)采用國產(chǎn)鋼鐵材料的比例較低。
南鋼積極投身到軌道交通核心部件用鋼的國產(chǎn)化研究工作中，結(jié)合國家及省級課題，建立起高校院所及產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)參與的聯(lián)合研發(fā)團隊，結(jié)合南鋼產(chǎn)線裝備的特點和技術(shù)優(yōu)勢，確立了以高鐵彈簧、制動盤、軌道交通用齒輪等核心部件用鋼為主攻方向，采用理論研究及數(shù)值模擬仿真、實驗室物理模擬試驗、現(xiàn)場生產(chǎn)試驗等多種研究方法及路徑，在對產(chǎn)品特殊要求進行技術(shù)攻關(guān)的同時著力解決一些共性技術(shù)問題，從而形成系統(tǒng)的軌道交通用鋼技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)體系。主要技術(shù)方案包括：
1、針對高鐵冷成形彈簧鋼高強度、高韌性、高疲勞、超純凈等性能要求，通過精煉渣堿度優(yōu)化和專用合金及耐材選型優(yōu)化，開展純凈鋼冶煉及夾雜物塑性化控制，實現(xiàn)夾雜物成分有效控制在1400℃低熔點區(qū)域，極大地提高鋼中塑性化夾雜物成分控制的準確度，滿足了冷成形彈簧的疲勞壽命要求。
2、針對高鐵制動盤的高強韌性、耐高溫、耐磨、抗疲勞、抗氧化性和良好的環(huán)境適應性等綜合性能，同時兼顧高鐵需在高緯度下運營，制動盤還需有良好的低溫韌性，采用多尺度碳化物復合彌散強化、多元微合金化的設(shè)計原理，通過理論計算、數(shù)值模擬、實驗室試制、篩選、現(xiàn)場工業(yè)化生產(chǎn)驗證，設(shè)計開發(fā)出高鐵制動盤用鋼。
3、為了滿足高溫滲碳條件下控制晶粒度的要求，采用理論模型研究了AlN在鋼中的固溶、析出以及粗化的行為，同時根據(jù)多組分體系數(shù)值積分方法，建立起鋼中氮化物溶解和生長動力學模型，掌握了控制AlN細小彌散析出的原理和方法。通過調(diào)控Al、N含量、自動加熱控溫、軋制工藝以及冷卻速度，并創(chuàng)新性的提出一種預先熱處理新工藝，形成一整套高溫奧氏體晶粒長大控制技術(shù)。在不添加其它微合金元素的條件下，實現(xiàn)了高溫奧氏體化溫度下不出現(xiàn)混晶，滿足高溫快速滲碳工藝要求。
4、軌道交通制動盤用鋼、軌道交通齒輪鋼等鋼種合金體系復雜，鋼中含有Cu、Cr、Ni、Al、V、N、Nb等多種元素，針對鑄坯極易產(chǎn)生裂紋的問題，相繼開發(fā)出大方坯鑄坯表層微觀組織控制技術(shù)和耐高溫連鑄夾持輥螺旋冷卻技術(shù),通過采用專用高穩(wěn)定低粘度保護渣，同時改變鑄坯角部冷卻條件，解決了“奧氏體+晶界鐵素體膜”低塑性結(jié)構(gòu)的問題，形成了裂紋敏感性鋼鑄坯表面質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)。
5、針對成分均質(zhì)化問題，創(chuàng)新性地采用“微區(qū)電磁攪拌+末端電磁攪拌+末端輕、重壓下+二冷動態(tài)配水”組合控制技術(shù)，同時，通過大方坯連鑄凝固過程的全鑄流數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場工藝試驗，研究了多種電磁攪拌參數(shù)對傳熱、凝固與成分過冷的影響，確定了最優(yōu)的電磁攪拌參數(shù)；模擬不同拉速、不同比水量對大方坯凝固終點的影響，確定了最優(yōu)的拉速及二冷比水量參數(shù)。該技術(shù)充分發(fā)揮末端電磁攪拌、末端輕重壓下的組合效果，滿足了軌道交通用鋼成分均質(zhì)化的要求。
三、主要創(chuàng)新性成果
通過項目實施，取得如下創(chuàng)新成果：
1、開發(fā)出夾雜物低熔點塑性化超純凈鋼核心控制技術(shù)。實現(xiàn)夾雜物100%控制在熔點1400℃以下，夾雜物直徑≤15μm，穩(wěn)定保障彈簧500萬次以上高疲勞壽命。冷成形高鐵彈簧用鋼國內(nèi)獨家生產(chǎn)。
2、開發(fā)了高強韌、抗熱疲勞高鐵制動盤用鋼成分設(shè)計及生產(chǎn)工藝技術(shù)。國內(nèi)率先開發(fā)出連鑄高鐵制動盤用鋼，路試里程超過60萬公里，成為國內(nèi)唯一具有供貨業(yè)績的企業(yè)，打破國外壟斷，產(chǎn)品實現(xiàn)出口。
3、開發(fā)了高溫滲碳奧氏體晶粒均勻性長大控制新技術(shù)，形成了一套以氮化鋁第二相粒子控制高溫奧氏體晶粒長大的技術(shù)，應用于齒輪鋼，在1000℃滲碳條件下不出現(xiàn)混晶，達到國際先進水平。
4、裂紋敏感鋼種鑄坯質(zhì)量控制技術(shù)取得突破。開發(fā)出鑄坯表層微觀組織控制技術(shù)，創(chuàng)新耐高溫連鑄夾持輥螺旋冷卻技術(shù),率先實現(xiàn)軌道交通齒輪鋼、高鐵制動盤用鋼等裂紋敏感鋼種連鑄材替代國外模鑄材,屬國內(nèi)首創(chuàng)。
5、開發(fā)出高均質(zhì)化連鑄關(guān)鍵控制技術(shù)。通過鑄坯凝固終點精確定位技術(shù)、“微區(qū)電磁攪拌+末端電磁攪拌+末端輕、重壓下+二冷動態(tài)配水”組合控制技術(shù)，實現(xiàn)鑄坯全截面碳極差＜0.02%，達到國際先進水平。
四、應用情況與效果
圍繞本項目申請發(fā)明專利20件，其中發(fā)明專利獲得授權(quán)12件，實用新型專利獲得授權(quán)2件，發(fā)表高水平論文10篇。高鐵彈簧用鋼、高速列車制動盤用鋼、軌道交通齒輪鋼、軌道交通用彈簧鋼等系列產(chǎn)品先后通過江蘇省工業(yè)和信息化廳組織的新產(chǎn)品鑒定，達到國際領(lǐng)先或國際先進水平，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展方向。
南鋼通過軌道交通核心部件用鋼項目的實施，形成了成熟的軌道交通用鋼研發(fā)及生產(chǎn)體系，已初步形成軌道交通用特殊鋼長材系列化產(chǎn)品，如高鐵制動盤、彈簧、齒輪、轉(zhuǎn)向架、隔振簧、鉤尾框等用鋼。近年來，南鋼軌道交通核心部件用鋼累計供貨38萬余噸，創(chuàng)銷售總額17億余元，新增利稅2.39億余元。其中，高鐵扣件用鋼國內(nèi)市場占有率第一，應用于京滬線等19條高鐵線路；高鐵制動盤用鋼在滬昆線、大西線完成60萬公里路試考核，迄今在沈陽鐵路局服役，打破國外壟斷，實現(xiàn)出口；軌道交通用齒輪鋼通過工藝創(chuàng)新實現(xiàn)連鑄材替代模鑄材，疲勞壽命比模鑄材高10%，應用于國內(nèi)重點城市軌道交通列車。
本項目的成功開發(fā)，實現(xiàn)了高鐵零部件關(guān)鍵技術(shù)突破，打破德國、法國和日本等高鐵技術(shù)強國對軌道交通核心部件的技術(shù)和市場壟斷，對提升我國高鐵用鋼鐵材料自主化保障能力、降低整車成本、推動我國高鐵技術(shù)的發(fā)展和國際競爭力提升具有重要意義。
