随着当前社会的飞速发展,轴承钢已广泛应用于工业机械、装备制造、交通运输、航空航天等各个领域。国内的轴承和轴承钢制造行业经过了数十年的发展,逐渐形成了较为完善的工业体系。国内轴承与轴承钢的研发与生产,以及轴承钢产品质量的稳定提升,使中国逐渐成为世界轴承制造大国,并朝着制造强国的目标稳步前进。
工艺改进。基于轴承钢的常规马氏体淬回火处理,已陆续研发出贝氏体等温淬火、马氏体-贝氏体等温淬火、贝氏体变温淬火等新的热处理工艺。针对当前研究较多的贝氏体轴承钢,首先,应注意贝氏体等温淬火工艺的适用性,热处理工艺的选择应根据轴承的工作环境以及实际使用性能要求来确定;其次,对于贝氏体等温淬火介质的改良,未来应尽量避免过多使用有毒的硝盐,研发更环保的淬火介质;第三,由于贝氏体等温温度较低,导致整个热处理过程加工时间过长,这无疑增加了企业制造成本,因此对于贝氏体转变时间的缩减应是未来的研究重点之一。此外,国内轴承钢的冶炼工艺流程虽基本与国际水平接轨,但国内废钢冶炼占比较大,精炼过程中真空度不达标,钢中氧含量波动偏大,导致非金属夹杂物、碳化物的控制难以达到评级标准。最后,还应借鉴国外真空脱气、夹杂物均匀化等先进冶炼工艺,实现超洁净、超长寿命轴承钢的国产化。
内部质量控制。第一,对于氧质量分数的控制以及夹杂物在钢中的分布均匀性应有更为精细的检测与控制标准,未来对于钢中氧的质量分数应稳定在0.0006%以下,钛的质量分数应小于0.0015%,降低或消除钢中硬脆夹杂物导致的疲劳剥落与断裂,将夹杂物对钢材质量的影响降到最低;第二,针对国内轴承钢较为突出的碳化物不稳定甚至是超标问题,应通过控轧控冷、周期性球化退火以及循环感应球化退火等先进工艺,尽可能消除钢中的碳化物偏析,提升碳化物分布的均匀性,实现组织细化与均匀化;第三,优化冶炼过程中的连铸工艺,减少钢中的低倍组织缺陷,降低铸坯中心疏松、缩孔,严格控制成分偏析,改善连铸坯的质量。
表面改性。针对日益复杂的工作环境,尽可能基于表面渗碳、碳氮共渗等原有的表面处理工艺,结合表面涂层、熔覆等新的表面改性技术,实现对材料表面性能的优化,延长轴承的疲劳寿命,开发出适应不同工作环境的轴承钢产品,实现轴承钢由单一性向多元化的特色发展。
检测设备与技术评价标准。首先,国内轴承行业生产集中度低,各轴承制造企业的产品质量参差不齐,由于大部分中小企业高精密检测设备缺乏,诸如微观夹杂物、网状碳化物、表面缺陷等很难被检出,最终导致不合格产品流入市场;其次,国内轴承行业标准对于部分有害元素含量、夹杂物以及碳化物的尺寸及分布未做评级要求,对于脱碳层、尺寸精度的控制不够严格;另外,目前国外对于钢中残余奥氏体及残余应力的检测评定均有相关控制标准,而中国对于钢中残余应力的检测分析尚未纳入控制指标,对此今后应结合国内外轴承行业发展实际情况,制定统一的技术评价体系以及完备的检测评级标准,严格控制产品质量,提升国内轴承产品的质量稳定性。
吸声材料领域:一般来说,多孔材料均具有一定的吸声性能,多孔金属也不例外,如泡沫铝。影响多孔金属材料吸声性能的主要因素有材料厚度、孔隙率、空腔厚度、表面涂层、环境温度等因素,从材料自身来说,材料内部的孔隙分布影响最大,其关键在于:微孔是相互连通的,在一定孔径范围内,材料内部孔隙率越高,孔径越大,其吸声效果越好,而闭孔的吸声作用相对较小,甚至不起吸声作用。与传统的木质纤维板及无机保温板相比,多孔金属材料不仅具有吸声降噪的功能,而且兼具高的比强度、防火、减震、防潮、环保等优良性能。
过滤与分离:多孔金属材料的孔隙率在30-80%之间,孔径分布在10nm-600μm之间,具有优良的流体透过性能,由其制备的过滤材料被广泛地应用于汽车、化工、冶金、制药及水处理等不同领域。与多孔陶瓷相比,其强度和延展性明显更高,且在机械加工和焊接方面具有一定的优势,但在耐高温及耐腐蚀方面仍有很大差距。
催化剂载体:目前,多采用多孔陶瓷材料作为催化剂载体,但是在强度、韧性和导热性上,多孔金属材料具有明显的优势,可使其作为催化剂载体材料的新的选择,提高催化效率。如可用于乙醇的选择性氧化、石油化工中的己烷重组反应工程;又如在多孔金属薄片表面涂抹催化剂浆体,并通过轧制成型和高温处理,可用来处理氮氧化物等电厂废气。
医用生物材料领域:根据多孔金属的过滤分离功能,在抗菌素药物生产时常使用多孔合金制成的过滤器过滤不需要的细菌,采用多孔钛管进行氯霉素水解物过滤、四咪唑生产中活性炭的过滤等。此外还有利用多孔金属材料所具有的开放多孔状结构,例如由钛及钛合金制备的多孔材料,因与人体组织有良好的相容性且对人体无害,且其自身具有的机械强度及杨氏模量可通过调整孔隙率与人体天然骨骼相匹配,同时具有很好的减振效果,多被应用于生物医学中骨科植入物、椎体融合等椎间盘疾病的治疗。
建筑材料领域:在目前大多数建筑工程中,具有轻质、高强、耐火阻燃的保温构件应用十分广泛,传统的保温材料如聚氨酯泡沫板、岩棉等不具备一定的承重能力和防火功能,在使用过程中经常易引发火灾事故。而多孔金属材料在建筑材料方面的应用填补了传统保温材料的不足,其独特的视觉效果也可用于装饰材料,不仅被工业人士重视,同时也深受设计师和艺术家的青睐。
汽车工业及航空航天领域:金属多孔材料作为结构材料,还可用在汽车、航空航天领域。目前轻质、具有高刚度、吸能和吸音性能的多孔铝已在汽车上得到应用,如德国Karmann汽车公司研制的三明治式复合多孔铝制车顶盖板,与比原来的钢构件相比,刚度提高了7倍左右,而重量却减轻了3/4。另外,多孔金属所具有的轻质高强、阻燃、高阻尼性能、电磁屏蔽、导热导电性能,可以取代航天工业中使用的蜂窝结构材料、高分子粘弹材料及轻质传热支撑构件,制作飞机机翼金属外壳的支撑体,宇宙飞船的起落架、宇航员空间行走的保暖装置等。
硅钢是一种铁硅合金,具有优于其他类型钢合金的磁性,使其针对从电力和配电变压器到电动机的各种电机进行了优化。
硅钢仅占2020年20亿吨全球钢铁的1%,但其供应被视为车企电气化计划以及各种能源转型举措的日益关键投入。电动机在新能源汽车中是重要的组成部分。这些系统通过为定子中的铜绕组通电,将电能转换为机械能,从而产生磁场,然后使转子旋转。
商业硅钢市场分为两大类:取向性硅钢片(GOES)和无取向硅钢(NOES):
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取向性硅钢片(GOES)用于变压器等静态机械,需要单向磁化,而无取向硅钢(NOES)用于电机和发电机等需要多向磁化的旋转机械。无取向硅钢(NOES)的应用范围很广,包括消费电器(洗衣机、洗碗机等)、供暖、通风和空调(HVAC)(包括家用制冷)、汽车应用、小型、中型和大型工业电机、发电机、泵等。由于对旋转机械的需求量大幅增加,2019年全球无取向硅钢(NOES)产量大大超过了当年生产的取向性硅钢片(GOES)数量。
汽车制造商直接用到无取向硅钢(NOES),但他们也间接接触到取向性硅钢片(GOES)。
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无取向硅钢(NOES)是用于混合动力和电动汽车的电动机制造的直接材料输入,以及许多低功率电机应用,从用于电动动力转向、机油和燃油泵的高负荷循环电机到用于舒适和便利的短时电动机,如电动座椅调节或天窗。每辆车平均安装约35至45个低功率电机,其中约20个在B段,80个在E段(一些极端,如梅赛德斯S级,有100多台电机)。
不同电机类型之间的关键区别在于正在使用的无取向硅钢(NOES)等级。作为参考,轻质混合动力电机使用不到10美元的高档无取向硅钢(NOES),而电动汽车将使用高品位无取向硅钢(NOES)需求量急增,每电机使用60至150美元,称为xEV等级,在某些配置中,这甚至可以代表每辆车超过300美元的无取向硅钢(NOES)含量,例如,当前轴和后轴上配备单独的牵引电机以独立为四个车轮提供动力时,如Rivian R1T。这种xEV等级是容量限制问题正在出现的地方。
分类:高温合金可按不同的标准进行分类,可按制造成型工艺、强化方式、合金的主要元素等来分类,目前,因镍基高温合金的耐热性相对较强,因此应用较为广泛,在市场上份额占比较多,已达80%。
应用:高温合金凭借其优异的抗热腐蚀、抗氧化及应变性能,最初被应用于航空航天领域,是航空发动机的首选材料,随着技术的发展和高温合金的产量提升,应用也越来越广泛,在民用工业中也有了一片天地,如能源动力、石油化工、工业燃气轮机、玻璃建材等。
发展趋势
发展趋势
供应情况:在钢厂接单压力增加的现实下,且钢厂利润持续收缩的背景下,模具钢生产企业产出小幅走低。若下半年特种合金原料价格回落,吨钢利润恢复,那模具钢整体的供应或将可能增加。但考虑到国内供应量受能耗减排与行业发展,预计2022年下半年模具钢供应的增速也有所放缓。
需求情况:上半年汽车产量的下滑及部分制造业的衰弱,导致汽车用模具钢需求较为一般。近阶段汽车产业链供应链逐步畅通,汽车产销也呈现明显恢复性增长。后续在相关政策加持之下,下游需求仍有进一步释放空间,对模具钢需求形成一定支撑,预计2022年下半年模具钢市场需求同比或强于2022年上半年。
出口情况:2022年上半年模具钢出口量创下新高,但6月开始,国外市场需求外需呈逐渐放缓之势,出口订单环比下降,后期出口增加空间极为有限。依旧受价格、国际环境等影响,外贸企业出口压力凸,在外需不足的情况下,下半年国内模具钢市场竞争力度加大。
高熵合金的发展趋势:
高熵合金优异的综合性能使得其适用范围宽广。高熵合金软磁性能优异,且在力学性能、加工性能上优于现有常规软磁材料;高熵合金高温稳定性、高温抗氧化性优异,可以应用在极端环境中;高熵合金具有高硬度、高强度特点,可用作硬质刀具涂层;除此之外,高熵合金还可以用作光热转换材料、轻质合金材料、模具材料等。高熵合金可广泛应用在电机、变压器、机床工具、消费电子、发动机叶片、喷气飞机引擎、核聚变等众多领域。高熵合金的非晶形成能力较强,某些高熵合金能在铸态组织中形成非晶相。而传统合金要获得非晶组织,需要极大的冷却速度将液态原子无规则分布的组织保留到室温。非晶态金属的研究是近年来才兴起的,由于结构中无位错,具有很高的强度、硬度、塑性、韧性、耐蚀性及特殊的磁学性能等,应用也极为广泛。制备非晶态高熵合金无疑将进一步扩大高熵合金的应用领域。
金属基复合材料具有高比强度、高比模量和低膨胀系数等特点,还具有良好的耐热性、高韧性、耐老化性、高导电和高导热性,同时还能抗辐射、阻燃、不吸潮、不放气。通过不同材料的组合,可以人为地制造出符合科技与工业生产要求的复合金属材料,可以应用于机械制造、冶金、交通、船舶、制药等多个领域。 金属基复合材料的发展现状: 黑色金属基复合材料:常见的黑色金属基复合材料是钢铁基复合材料。作为常用的功能材料,钢铁因其熔点高,比例大,比强度小,制造工艺困难等导致基于钢铁材料的复合材料研究并不广泛。然而随着现代工业的高速发展,工件要在恶劣的工况条件下还能正常稳定的工作,因此,改进和提高钢铁基体的性能具有重要得研究意义和实用价值。钢铁基复合材料采用高比刚度、比强度的增强颗粒与铁基体相结合的方法,可以降低基体材料的密度,并提高其硬度、耐磨度、弹性模量等物理性能。钢铁基复合材料现主要用于切削工具和等工业领域。
泡沫铝,又叫发泡铝,是在纯铝或铝合金中加入添加剂后,经过发泡工艺而成,同时兼有金属和气泡特征,是一种在铝的基础上存在无数个气泡的轻质多孔金属材料,也是一种全新型战略功能结构材料。
在1948年美国科学家A.Sonik获得了世界上第一个有关泡沫铝的专利,1951,Eliotte基于Sosnik的设想成功制备出了“泡沫铝”。1999年首届世界泡沫金属学会在德国不莱梅召开,主要研究泡沫铝的制造和应用。直至当前对“泡沫铝”的研究方兴未艾,“泡沫铝”已成为新型结构、功能一体化材料的杰出代表,是当今材料科学研究的前沿热点。
泡沫铝性能的优劣主要取决于其孔隙率、孔径、通孔率、孔类型、比表面积等孔结构参数,而其孔结构参数主要取决于制备工艺。
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轻量化:最显著的特点就是它的轻量化,由于其结构特点,造就了它的密度很小,只有0.2~0.4g/cm³,密度为金属铝的0.1-0.4倍,除了要远远低于铝合金、钛合金、钢材等,甚至比木材的密度还要低。整体非常轻盈,让它成为轻量化应用的潜力发展材料之一,比如建材、汽车材料等;
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良好的声学功能:隔声性能(闭孔):声波频率上800-4000HZ之间时,闭孔泡沫铝的隔声系数达0.9以上;吸声性能(微通孔和通孔):声波频率在125—4000HZ之间时,通孔泡沫铝的吸声系数最大可达0.8,其倍频程平均吸声系数超过0.4。
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色彩、工艺及光学设计自由度高:这种结构的材料并不影响它的CMF设计,表面的处理工艺及色彩方案可以非常丰富,同样可以做喷涂(包括渐变幻彩等效果)、填充等。除了颜色,还可以利用气孔来实现光影变换的设计,设计自由度很高。炫酷的色彩+透光的效果,让产品的外观质感有了极大地提升。
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易加工:同铝合金一样,泡沫铝也易于加工,比如切割、钻孔等都非常方便,另外如前文所介绍,可以做喷漆来实现不同的色彩;
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物理性能及多种性能优越:
1)泡沫铝拥有良好的电磁屏蔽性能、热性能(不燃烧及耐热等):一般铝合金的溶解温度在500-700度左右,泡沫铝即使加热到1400度也不溶解;
2)高比刚度:其抗弯比刚度为钢的1.5倍;
3)还有抗冲击性、环保性等。
泡沫铝从问世到现在还不到80年,是一个充满活力的新型材料,产业为朝阳产业。随着新材料战略的正确引领,通过科技研发领域的不断扩大,泡沫铝行业正在进入一个健康的的高速发展期。
第一代铝锂合金起源于20世纪50年代,1957年美国Alcoa公司研发了牌号为2020的Al-Cu-Li合金,具有较高的强度,在150~200℃表现出良好的抗蠕变性。
第二代铝锂合金的Li含量较高(1.9%~2.7%),Cu含量低于3%,采用Zr元素替代Mn元素用以细化晶粒,并且不再添加Cr元素以消除其对合金塑性造成不利影响,同时降低Fe、Si含量的方法,用以提高合金塑性韧性。
第三代铝锂合金降低了合金中的Li含量,提高了Cu含量,并通过微合金化元素增加了有效弥散相粒子进而改善弥散强化的效果,使合金各向异性大大降低,强韧性有显著提高。
第四代铝锂合金:2009年,铝锂合金被纳入美国航空航天材料标准,欧美、俄罗斯等航空航天强国相继将高性能铝锂合金列入飞行器结构材料的重点发展方向,铝锂合金进入第四发展阶段。
因铝锂合金具有优异的综合性能、巨大的开发潜力,因此被认为是21世纪航空航天应用中非常理想的结构材料,在舰船以及兵器工业中也具有潜在的应用空间。目前各国研制成功的铝锂合金系列,一般含锂量为0.3%~3%。
钨及钨合金:钨的熔点高达3400°C,是熔点最高的金属材料,高温强度和抗蠕变性能以及导热、导电和电子发射性能都好,比重大,除大量用于制造硬质合金和作合金添加剂外,钨及其合金广泛用于电子、电光源工业,也在航天、铸造、武器等部门中用于制作火箭喷管、压铸模具、穿甲弹芯、触点、发热体和隔热屏等。
铌基合金:铌合金具有良好的抗血液腐蚀的能力,可制作血管支架;同时由于其比重小、强度高、韧性好、易焊接等优点,也是制造航空航天高温部件的重要材料。纯铌的熔点为2470℃,但针对纯铌的3D打印工艺开发笔者未能找到相关报道。
钽:多孔钽也被称为小梁金属,在医疗领域已安全己使用多年,它不与起搏器电极箔发生相互作用,不透过X射线,可用于颅骨修补。近年来, 钽棒已被用作全髓关节和膝关节植入物、脊椎关节植入物和骨坏死的早期治疗。钽金属属于难熔金属,熔点高达2996 ℃,其3D打印工艺难度大,对粉体性能、激光熔化参数、设备稳定性、铺粉质量、打印精度等要求很高。
钼:钼具有极好的物理、化学和机械性能,常被用作玻璃加工、航空航天和高性能电子部件材料。相比于其它难熔金属, 钼的密度要低得多,这表明钼的比强度较高,为要求减重应用的场合带来实效。
我国的非晶合金研发起步于20世纪70年代,当时美国、日本、苏联,以及德国、英国等欧洲国家是这个领域最活跃的国家。目前,日本和欧洲杰出科学家大多都已经退休,高水平后继者远不如以前多,技术和水平已逐渐落后。美国非晶合金材料领域研发经费较少,缺乏优秀的年轻科学家和技术队伍;目前,美国主要侧重非晶合金基础物理、模拟和机理研究,而应用探索主要集中在航空航天等高技术领域。目前,我国的非晶合金科研人员占全球2/3,年轻研究人员水平越来越高,研发水平已超过日本和欧盟,与美国相当,成为世界第一梯队。例如,迄今已在36个金属元素为基体的合金中找到能制备块体非晶合金组分,其中我国发现28个。
特别是近10年来,无序合金最重要的进展是研发出高熵合金。高熵合金是根植于熵调控设计思想开发出的化学成分复杂、没有主元素、结构有序、成分无序的无序合金材料,其极大拓展了材料开发的空间。高熵合金已展现出诸多奇特超凡的性能,其研究及应用已成为金属材料领域的研究热点。很多国外开发的高熵合金有明显的军事装备需求的应用导向。我国台湾地区的科研人员,在非晶合金基础上首先研发出高熵合金,引领了无序合金领域的发展。我国无序合金研发能够跃升国际一流是与我国科技投入的不断增加、基础研究的长期积累、制造业大国对新金属材料的产业需求,以及后备年轻人才辈出(国内培养和海外归国)密切相关。非晶合金领域基础研究的长期积累为这类新材料的工业应用提供了支撑和动力。同时,相关的基础研究也从工业应用中汲取问题来源和进步源泉。
非晶合金的主要应用场景:
作为结构和功能一体化的新型金属材料,非晶合金产业化前景非常广阔。美国、日本、德国等国投入大量资金拓展其应用场景,并推动相关产业发展。美国液态金属科技、玻璃金属科技,日本日立金属,德国VAC,以及我国宜安、台一科技等公司在非晶合金领域的研发水平、市场竞争力及产业规模均处全球领先水平。目前,非晶合金的主要应用领域有4个。(1)高性能结构材料。(2)软磁材料。(3)催化材料。(4)制造业基础材料。
非晶合金材料产业化的挑战和机遇:
在很多科研成果的产业转化过程中都会因各种因素造成其失败,即在转化过程中存在“死亡谷”(图3)。在非晶合金领域,我国相关专利申请量全球排名第一,但还缺少具有国际水平的龙头企业。虽然我国拥有庞大的非晶合金应用市场,但目前正在使用的材料多是基于国外早期开发的体系,很多国内研发的新非晶合金体系没有得到规模应用。国内强大的实验室非晶合金的研发能力和企业、市场关联性不强。在过去的十几年,我国块体非晶合金大规模工业应用的瓶颈一直没有被突破。
非晶合金科研成果的成功市场转化需要人才、技术、资本、管理方面的有机结合。国内已有十几年的非晶合金基础和应用研究积累,有蓬勃发展的、最健全的制造业和较低的产业化门槛,新一代块体非晶合金的应用研究极有可能在中国取得突破性进展。例如,广东的松山湖材料实验室聚集各种创新转化的充足资源,包括人才、资本、产业集群,还有政府支持的新机制和灵活的政策等,形成一种健康的、有利于科技成果产业化的优越环境;期待能和相关企业一起共同开发出面向第三代半导体电子元件的高频软磁、柔性齿轮、高性能3C器件等非晶合金材料。
目前,用于器件电源和电感的软磁材料饱和磁感低、高频损耗高,这严重制约了氮化镓、碳化硅等第三代半导体电子元件提高功率密度和工作频率,使其优势难以充分发挥。研制匹配第三代半导体器件功率密度和工作频率的软磁材料,有望促进第三代半导体在大功率、高频器件中的应用,进而推动5G通信基站、卫星通信、雷达航空、智能汽车等关键领域的发展。同时,国内相关研究所、大学也在和宜安、台一、青岛云路等国内企业合作,努力把非晶合金、高熵合金推向绿色节能、环保,以及超灵敏的探测器和传感器材料、航天材料、机器人等应用领域。
特殊钢,是指那些由于成分、结构、生产工艺特殊而具有特殊物理、化学性能或者特殊用途的钢铁产品,属于传统钢铁产业的一个分支,与普钢相对但两者的用途有着较大差别。
特殊钢是在冶炼过程中加入了较多的合金元素及采取了特殊的生产、加工工艺,特钢的化学成分、组织结构以及机械性能均优于一般钢铁。其晶粒的复杂性高过一般钢铁,从而获得更多的应用领域,故在汽车、机械、化工、船舶、铁路、航空航天、国防军工等对钢材质量要求较高的领域得到广泛。
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