冶金科技奖一等奖！基础件用特殊钢长寿命机理、关键技术及产品开发

2022-10-09 14:22:59 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

1 研究的背景与问题

特殊钢是钢铁强国的重要标志，也是体现一个国家工业化程度的重要标志之一。轴承、齿轮、紧固件、弹簧、轴类等基础件作为先进制造业的核心部件，量大面广，对制造业具有重要支撑作用，其发展趋势是更高可靠性、更长寿命以及更好的环境适应性。目前，我国基础件及其用特殊钢整体上与国外先进水平存在较大差距，导致制造业大而不强，汽车、机械、航空、新型能源等行业的先进装备目前尚未完全实现国产化，成为“中国制造2025”制造业转型升级的重要瓶颈。与日本、德国等装备制造业发达国家相比，我国基础件用特殊钢产量大，但其质量稳定性、加工和使用性能与国外先进水平存在明显差距，导致基础件可靠性低、寿命波动大、服役环境适应性差，无法满足高端装备制造业的需求，急需在相关基础理论、关键共性技术以及应用等方面开展追赶工作，以满足制造业转型升级的发展需求。

针对以上问题，钢铁研究总院联合兴澄特钢等单位，在国家重点研发计划“先进制造业基础件用特殊钢及应用”等项目支持下，选取轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、非调质钢、紧固件用钢、轴类用钢等量大面广的典型基础件用特殊钢，开展了长寿命机理研究及质量稳定性控制等系列关键技术、高效测试表征技术与产品开发攻关，以满足汽车、航空、机床、新能源等先进装备的需求，为先进装备的国产化和制造业升级奠定基础，从而带动我国特殊钢行业的升级换代，提升基础材料产业的整体竞争力。

2 解决问题的思路与方案

本项目围绕先进制造业基础件技术提升目标，选取轴承钢、齿轮钢、非调质钢、紧固件用钢、弹簧钢等量大面广的典型基础件用特殊钢，围绕质量稳定性提升和长寿命化等突出问题，开展长寿命化机理基础研究，突破质量稳定性与性能提升、高效检测评价等系列关键共性技术。在上述工作基础上开发基础件用特殊钢系列高端品种，实现高性能和高附加值、绿色高效低碳生产，助力提升我国基础件用特殊钢产业的整体竞争力，满足我国高端制造业急需。

首先，高强度螺栓、弹簧等基础件在生产加工过程及复杂环境中服役时存在氢致延迟断裂风险，是限制基础件用特殊钢进一步高强度化和应用的关键瓶颈之一。如何通过合金成分与微观结构设计来提高材料的抗氢脆能力，是钢铁领域的一个关键科学问题。对此，本项目将第一性原理计算与三维原子探针层析技术等先进试验表征手段相结合，试图阐明不同种类碳化物相界面氢捕获的电子-原子机制，为氢陷阱设计和抗氢脆材料开发提供理论基础，并在此基础上开展抗延迟断裂技术研究。

其次，先进制造业基础件不但要求具有高强度，还要求具有高安全性和可靠性。鉴于疲劳破坏是轴承、弹簧、齿轮等运动部件早期失效的主要原因，对此深入研究夹杂物、组织演变及表面处理对轴承钢、齿轮钢、弹簧钢和非调钢等疲劳性能的影响规律，形成基础件用钢的长疲劳寿命化技术及疲劳性能的高效评估技术。

针对基础件用特殊钢产品同质化和低值化等问题，在上述研究工作基础上，开发高洁净冶炼、大颗粒脆性夹杂物及硫化物控制、高均匀度凝固均质化控制、热处理及表面改性等产品质量稳定控制及低成本制造等系列关键共性技术，实现基础件用特殊钢品种的稳定化生产与应用示范，并开发先进制造业急需的一系列高端品种，以满足高端机床、海上风电、新能源汽车、工程机械、航空等行业的升级换代需求。

3 主要创新性成果

1）开发出精炼渣CaO活度预测及控制模型和硫化物变性与氧化物冶金耦合的硫化物长宽比控制技术，解决了大尺寸脆性夹杂物和硫化物长径比的控制难题。

建立了“炉渣分子-离子体系自由CaO活度预测及控制模型”，结合在线CaO活度控制和中间包流场控制，轴承钢Ds夹杂物可稳定控制≤0.5级，近三年约3万炉合格率达到99%，接触疲劳寿命提高了4倍；通过控制氧化物析出温度获得均匀细小氧化物作为硫化物形核核心，结合硫化物变性处理，解决了硫化物长宽比控制难题，非调质钢硫化物长宽比≤5，平均值为2.6。

2）开发了动态感应补热、水口返流调节等中间包温度控制和基于位移控制的连铸轻压下等铸坯均质化技术，解决了基础件用钢的碳偏析稳定性等难题。

开发了包含中间包冲击区内钢液冲击深度、返流分速度等参数的流场-温度场耦合模型，采用在线检测和动态感应补热、过钢流速及水口返流调节，实现中间包过热度10-16℃；通过对大方坯末端液芯模型优化，实现了凝固末端准确判断，创新提出了位移控制模型，解决了轴承钢液析碳化物、弹簧钢黑心偏析和齿轮钢超窄淬透性带宽等难题，齿轮钢截面碳极差≤0.02%和淬透性带≤4HRC合格率超过97%，轴承钢液析碳化物均为0级。

3）在国际上首次提出了基于Bader原子体积的氢陷阱设计原则，开发了基于纳米碳化物氢陷阱的高强钢超长寿命化技术。

从原子和电子层面研究了合金元素与氢陷阱交互作用机理，提出了基于Bader原子体积的氢陷阱设计原则；提出了控制服役环境中钢材析氢反应的合金化新思路，降低了可扩散原子氢含量；明确了渗碳层与夹杂物在疲劳过程的作用机理，建立了一种综合考虑夹杂物和渗碳层参数影响的渗碳钢疲劳强度评估模型。

4）开发出了轴承钢夹杂物超声波在线检测技术以及非调质钢金相试样测量疲劳极限技术，实现了在线检测与高效评估。

开发了超声波设备及数据处理模型，解决了超声波探伤无法检测大颗粒夹杂物的难题，实现了宏观夹杂物在线检测；发明了高/超纯净钢中粗大夹杂物高效检测的氢脆拉伸法；提出了铁素体强化和细化的非调钢组织调控技术，突破了金相试验测量疲劳极限技术，建立了缺口疲劳极限预测模型。

5）开发出一系列长寿命高端品种，满足了新能源汽车、海上风电、航空等高端制造业需求。

发明了1400MPa级高强韧贝氏体型非调钢、12.9级风电螺栓用耐延迟断裂高强钢和2100MPa级超高强弹簧钢；开发了LF炉超低硫、硫化物变性结合真空自耗低熔速深脱气技术，取代传统双真空冶炼工艺，形成了航空轴用钢低成本单真空熔炼技术，成本降低了30%。

4 应用情况与效果

本项目开发的改善基础件用钢质量稳定性及服役寿命的一系列关键技术，自2017年起在兴澄特钢、大冶特钢、宝武特冶等企业已广泛应用于轴承钢、齿轮钢、非调质钢、紧固件用钢、弹簧钢、轴类用钢等特殊钢的生产，近三年产量约770万吨，新增产值104亿元，经济效益巨大。开发的系列品种广泛应用于汽车、工程机械、精密机床、风电等高端装备零部件，满足了下游行业的急需，促进了我国制造业升级。同时，还批量出口到国外轴承、齿轮、汽车锻件等零部件制造企业，显著提升了我国基础原材料的国际竞争力。

兴澄特钢开发的超高纯净长寿命轴承钢是“中国名牌”产品，目前已获得全球轴承厂商瑞典SKF、德国SCHAEFFLER、日本NTN-SNR、NSK等质量认证并长年批量稳定供货，是获得SKF“绿色通道”的第一家中国钢铁企业。抚钢开发的高品质汽车齿轮钢（FAS3420H、20MnCr5H等）成功应用于我国自主研发的高级轿车、重型商用车等齿轮变速箱中，进一步推动了高级轿车的国产化，降低了高级轿车成本。冶钢和石钢利用创新的硫化物控制及组织性能调控技术，共开发非调质钢品种50多个，近三年累计生产量约65万吨，广泛应用于制造汽车发动机曲轴、连杆、轮毂、传动轴等汽车零部件产品以及液压活塞杆、半轴、拉杆等工程机械产品。

我国轴承钢、齿轮钢、非调质钢、紧固件用钢、轴用钢、弹簧钢等量大面广的基础件用特殊钢每年产量超过1000万吨，产业规模巨大，年产值超过1000亿元。本项目成果起到很好的示范作用，可以推广应用于项目外其他相关企业以上品种，并可通过标准修订等方式带动行业技术进步；同时，项目成果还可推广应用于模具钢等其他特殊钢品种，全面提升特殊钢质量水平和服役性能，强力支撑我国制造业升级。因此，项目成果具备非常好的推广应用前景。此外，项目获得授权国家发明专利35件，制修订国家标准8项、行业标准2项，发表学术论文78篇，其中SCI论文38篇、EI论文3篇。

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