一、研究的背景與問(wèn)題

高鐵動(dòng)車組因速度快、安全可靠、舒適度高、污染少等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到飛速發(fā)展，帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近年來(lái)，為完善我國(guó)綜合交通運(yùn)輸體系、促進(jìn)交通運(yùn)輸提質(zhì)增效升級(jí)、引領(lǐng)和支撐區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，自2008年起開(kāi)始建設(shè)第一條高速鐵路。此后，中國(guó)高鐵建設(shè)始終保持著高速增長(zhǎng)，截至2021年底，高鐵運(yùn)營(yíng)里程突破4萬(wàn)公里，位居世界第一。根據(jù)2022年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》，到2025年，高鐵運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到5萬(wàn)公里，主要采用250公里及以上時(shí)速標(biāo)準(zhǔn)的高速鐵路網(wǎng)，對(duì)50萬(wàn)人口以上城市覆蓋率達(dá)到95%以上，網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)一步擴(kuò)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(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的保障作用。展望2030年，基本實(shí)現(xiàn)內(nèi)外互聯(lián)互通、區(qū)際多路暢通、省會(huì)高鐵連通、地市快速通達(dá)、縣域基本覆蓋。

目前國(guó)際上已形成以德國(guó)ICE、法國(guó)GTV、日本新干線和中國(guó)CRH為代表的高鐵技術(shù)。我國(guó)正在加大高速鐵路和高鐵動(dòng)車組技術(shù)的發(fā)展力度，在《中國(guó)鐵路中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中，國(guó)家已將高鐵動(dòng)車組技術(shù)列為高端裝備制造業(yè)中五個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向之一，致力于高鐵動(dòng)車組技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組研制。高鐵部件逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，將是一個(gè)必然趨勢(shì)，不但可以降低高鐵制造成本，也為鐵路機(jī)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(jī)遇。

我國(guó)高鐵裝備制造用鋼鐵材料研發(fā)與應(yīng)用，相比日、德、法等發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，仍處于消化、吸收及再創(chuàng)新的過(guò)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(wèn)題，成熟的國(guó)產(chǎn)化材料體系還未形成，中高速動(dòng)車制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)核心部件用鋼鐵材料絕大部分依賴進(jìn)口。技術(shù)方面主要存在的問(wèn)題包括：

1、高鐵冷成形彈簧鋼要求材料具有高強(qiáng)度、高韌性、高疲勞、超純凈，尤其對(duì)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(xiàng)性能要求；

2、制動(dòng)盤(pán)作為高鐵摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，服役條件極其苛刻，國(guó)內(nèi)缺少高鐵制動(dòng)盤(pán)用鋼的產(chǎn)品，高鐵制動(dòng)盤(pán)用鋼的高強(qiáng)韌性、耐高溫、耐磨、抗疲勞、抗氧化性和良好的環(huán)境適應(yīng)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(guó)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(zhǎng)大，對(duì)強(qiáng)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(fù)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(guò)程中極易產(chǎn)生內(nèi)外部質(zhì)量問(wèn)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(guó)制造2025》、《鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級(jí)規(guī)劃》、《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》、《增強(qiáng)制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力三年行動(dòng)計(jì)劃》等國(guó)家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向，于2018年獲得國(guó)家工信部工業(yè)強(qiáng)基 “軌道交通裝備用高性能齒輪滲碳鋼”項(xiàng)目支持，2019年獲得國(guó)家發(fā)改委增強(qiáng)制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力專項(xiàng)“先進(jìn)軌道交通裝備材料高鐵剎車盤(pán)用鋼”支持，2021年進(jìn)入江蘇省軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)鏈強(qiáng)鏈項(xiàng)目。南鋼成立產(chǎn)學(xué)研用團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合北京科技大學(xué)、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(shì)，陸續(xù)開(kāi)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(kāi)發(fā)的具體目標(biāo)和實(shí)施方案，形成了具有自主知識(shí)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(dòng)盤(pán)用鋼、軌道交通齒輪鋼等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，解決了“卡脖子”材料問(wèn)題。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

軌道交通核心部件是高端特鋼應(yīng)用的重要領(lǐng)域，特別是高鐵用鋼，存在很高的技術(shù)和準(zhǔn)入壁壘，在成分及組織控制、強(qiáng)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(zhǔn)入條件十分嚴(yán)苛，需通過(guò)運(yùn)行測(cè)試、CRCC評(píng)審、鐵路總公司供應(yīng)資格評(píng)審等環(huán)節(jié)才能進(jìn)入采購(gòu)名錄。而另一方面，我國(guó)在高鐵用鋼的研發(fā)與應(yīng)用方面起步較晚，鋼的實(shí)物質(zhì)量穩(wěn)定性有待提升，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)條件缺失或不系統(tǒng)，導(dǎo)致高鐵行業(yè)采用國(guó)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(guó)產(chǎn)化研究工作中，結(jié)合國(guó)家及省級(jí)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(tuán)隊(duì)，結(jié)合南鋼產(chǎn)線裝備的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，確立了以高鐵彈簧、制動(dòng)盤(pán)、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(shí)驗(yàn)室物理模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)等多種研究方法及路徑，在對(duì)產(chǎn)品特殊要求進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)的同時(shí)著力解決一些共性技術(shù)問(wèn)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(duì)高鐵冷成形彈簧鋼高強(qiáng)度、高韌性、高疲勞、超純凈等性能要求，通過(guò)精煉渣堿度優(yōu)化和專用合金及耐材選型優(yōu)化，開(kāi)展純凈鋼冶煉及夾雜物塑性化控制，實(shí)現(xiàn)夾雜物成分有效控制在1400℃低熔點(diǎn)區(qū)域，極大地提高鋼中塑性化夾雜物成分控制的準(zhǔn)確度，滿足了冷成形彈簧的疲勞壽命要求。

2、針對(duì)高鐵制動(dòng)盤(pán)的高強(qiáng)韌性、耐高溫、耐磨、抗疲勞、抗氧化性和良好的環(huán)境適應(yīng)性等綜合性能，同時(shí)兼顧高鐵需在高緯度下運(yùn)營(yíng)，制動(dòng)盤(pán)還需有良好的低溫韌性，采用多尺度碳化物復(fù)合彌散強(qiáng)化、多元微合金化的設(shè)計(jì)原理，通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室試制、篩選、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)化生產(chǎn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出高鐵制動(dòng)盤(pán)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(shí)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(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型，掌握了控制AlN細(xì)小彌散析出的原理和方法。通過(guò)調(diào)控Al、N含量、自動(dòng)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(yù)先熱處理新工藝，形成一整套高溫奧氏體晶粒長(zhǎng)大控制技術(shù)。在不添加其它微合金元素的條件下，實(shí)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(dòng)盤(pán)用鋼、軌道交通齒輪鋼等鋼種合金體系復(fù)雜，鋼中含有Cu、Cr、Ni、Al、V、N、Nb等多種元素，針對(duì)鑄坯極易產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，相繼開(kāi)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(guò)采用專用高穩(wěn)定低粘度保護(hù)渣，同時(shí)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(wèn)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(duì)成分均質(zhì)化問(wèn)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(dòng)態(tài)配水”組合控制技術(shù)，同時(shí)，通過(guò)大方坯連鑄凝固過(guò)程的全鑄流數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)，研究了多種電磁攪拌參數(shù)對(duì)傳熱、凝固與成分過(guò)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(duì)大方坯凝固終點(diǎn)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?jiǎng)?chuàng)新性成果

通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，取得如下創(chuàng)新成果：

1、開(kāi)發(fā)出夾雜物低熔點(diǎn)塑性化超純凈鋼核心控制技術(shù)。實(shí)現(xiàn)夾雜物100%控制在熔點(diǎn)1400℃以下，夾雜物直徑≤15μm，穩(wěn)定保障彈簧500萬(wàn)次以上高疲勞壽命。冷成形高鐵彈簧用鋼國(guó)內(nèi)獨(dú)家生產(chǎn)。

2、開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)韌、抗熱疲勞高鐵制動(dòng)盤(pán)用鋼成分設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝技術(shù)。國(guó)內(nèi)率先開(kāi)發(fā)出連鑄高鐵制動(dòng)盤(pán)用鋼，路試?yán)锍坛^(guò)60萬(wàn)公里，成為國(guó)內(nèi)唯一具有供貨業(yè)績(jī)的企業(yè)，打破國(guó)外壟斷，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)出口。

3、開(kāi)發(fā)了高溫滲碳奧氏體晶粒均勻性長(zhǎng)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(zhǎng)大的技術(shù)，應(yīng)用于齒輪鋼，在1000℃滲碳條件下不出現(xiàn)混晶，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

4、裂紋敏感鋼種鑄坯質(zhì)量控制技術(shù)取得突破。開(kāi)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(shí)現(xiàn)軌道交通齒輪鋼、高鐵制動(dòng)盤(pán)用鋼等裂紋敏感鋼種連鑄材替代國(guó)外模鑄材,屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。

5、開(kāi)發(fā)出高均質(zhì)化連鑄關(guān)鍵控制技術(shù)。通過(guò)鑄坯凝固終點(diǎn)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(dòng)態(tài)配水”組合控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鑄坯全截面碳極差＜0.02%，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

四、應(yīng)用情況與效果

圍繞本項(xiàng)目申請(qǐng)發(fā)明專利20件，其中發(fā)明專利獲得授權(quán)12件，實(shí)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(dòng)盤(pán)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(guò)江蘇省工業(yè)和信息化廳組織的新產(chǎn)品鑒定，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先或國(guó)際先進(jìn)水平，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展方向。

南鋼通過(guò)軌道交通核心部件用鋼項(xiàng)目的實(shí)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(zhǎng)材系列化產(chǎn)品，如高鐵制動(dòng)盤(pán)、彈簧、齒輪、轉(zhuǎn)向架、隔振簧、鉤尾框等用鋼。近年來(lái)，南鋼軌道交通核心部件用鋼累計(jì)供貨38萬(wàn)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率第一，應(yīng)用于京滬線等19條高鐵線路；高鐵制動(dòng)盤(pán)用鋼在滬昆線、大西線完成60萬(wàn)公里路試考核，迄今在沈陽(yáng)鐵路局服役，打破國(guó)外壟斷，實(shí)現(xiàn)出口；軌道交通用齒輪鋼通過(guò)工藝創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)連鑄材替代模鑄材，疲勞壽命比模鑄材高10%，應(yīng)用于國(guó)內(nèi)重點(diǎn)城市軌道交通列車。

本項(xiàng)目的成功開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了高鐵零部件關(guān)鍵技術(shù)突破，打破德國(guó)、法國(guó)和日本等高鐵技術(shù)強(qiáng)國(guó)對(duì)軌道交通核心部件的技術(shù)和市場(chǎng)壟斷，對(duì)提升我國(guó)高鐵用鋼鐵材料自主化保障能力、降低整車成本、推動(dòng)我國(guó)高鐵技術(shù)的發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力提升具有重要意義。