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特殊钢生产工艺技术概述（1）

作者：天津金百联机电              发表时间：2011-09-18

特殊钢生产工艺技术概述　特殊钢一般是指具有特殊性能或特殊用途的钢种。其与普通钢相比具有更高的强度和韧性、物理性能、化学性能、生物相容性和工艺性能。因其性能特殊，决定了它在国民经济及军事工业中占有极其重要的地位。因此，在生产制造特殊钢时，就需要采用特殊的工艺装备技术来实现特殊的化学成分、特殊的组织和性能。　　特殊钢的定义在国际上没有明确规定，各国特殊钢的统计分类不完全相同。我国特殊钢定义与日本、欧洲相近，包括优质碳素钢、合金钢、高合金钢三大类，通常展开为优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、轴承钢、弹簧钢（碳素弹簧钢和合金弹簧钢）、耐热钢和不锈钢。由于高温合金与精密合金在特殊钢厂生产，也将这两种合金纳入特殊钢的行列之中统计[1]。在特殊钢领域，除优质碳素结构钢、碳素工具钢和碳素弹簧钢外，其余均为合金钢，合金钢约占特殊钢的70%。目前，世界上特殊钢有近2 000个牌号、约50 000个品种规格、数百个检验标准。　　随着科学技术的发展，对特殊钢产量及品种的需要日益扩大，对质量的要求也越来越严格、苛刻。近年来，围绕提高特殊钢性能、质量、品种、效率，降低特殊钢成本、节能降耗、环境友好等方面采用了一系列新技术、新工艺、新装备，使得特殊钢的洁净度、均匀度、组织细化度和尺寸精度等有了很大提高。　　特殊钢生产工艺流程主要有3种[2]：1）电炉流程（即短流程）：电炉?二次精炼?连铸?轧制。2）转炉流程（长流程）：高炉?铁水预处理?转炉?二次精炼?连铸?轧制。3）特种冶金：特种冶炼（如真空感应熔炼、冷坩埚熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等）?锻造或轧制。　　这里要指出的是有些钢种的生产至今还必须走模铸?开坯?轧制或锻造的工艺流程。　　因早期特殊钢主要采用电弧炉工艺冶炼，习惯上形成了特殊钢一定要用电炉冶炼，特殊钢厂就是电炉钢厂。而客观事实上也的确存在电炉只有生产特殊钢才可以有好的经济效益，特殊钢只能由电炉冶炼。这主要是由于早期电炉炼钢的特点和特殊钢本身的性质所决定的：1）电炉用废钢中有可利用的合金元素；2）电炉炼钢是靠电弧进行加热的，其温度远远超过2 000 ℃，且钢水温度可长时间地精确控制，这样电炉炼钢在难熔合金冶炼、合金化成分及工艺柔性等方面较转炉炼钢有无比的优越性；3）不足是炼钢周期长，生产效率低，成本高（废钢、电价昂贵），炉容小，易增碳、吸氮等。　　恰好特殊钢产品有合金含量高、多品种、小批量、附加值高等特点，早期用电弧炉炼特殊钢达到了扬长避短的目的。同时人们也一直认为转炉就主要是用来炼普通钢。但是，1）转炉利用纯铁水冶炼特殊钢更纯净；2）废钢中的残余元素难以去除；3）炉外精炼技术的进步使转炉冶炼特殊钢的能力增强。　　随着社会废钢资源的积累，直接还原技术的开发，电力工业的发展，电弧炉炼钢技术（大容积电炉、超高功率电炉等）和炉外精炼技术的飞速发展，特别是电炉出钢时间的缩短，能与连铸时间良好的匹配，使多炉连浇得以实现，电炉钢厂越来越多地生产普通钢，而转炉钢厂越来越多地炼特殊钢。电炉炼钢、转炉炼钢两种方法，无论是炼特殊钢还是炼普通钢，从质量上和经济上越来越接近。　　由于宇航、导弹、火箭、原子能、海洋电子等工业的发展，对所需要的金属或合金质量、性能、可靠性、稳定性等的要求越来越高，电弧炉，转炉冶炼的钢质量很难满足这些要求，所以必须使用特种冶金技术。特种冶金包括：真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等。难熔金属（钨、钼、铌、钽）及活泼金属（钛及钛合金，包括钛、铝金属间化合物等）用真空电弧重熔、电子束熔炼以及冷坩埚感应熔炼等方法来制备；高温合金、精密合金以及某些对质量要求很高的合金钢用真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔等方法来生产。　　真空冶金（Vacuum Metallurgy）区别于大气下的冶金过程，广义包括：真空脱气、真空熔炼、真空熔铸、真空蒸馏、真空分解、真空烧结、真空热处理、真空焊接和真空镀膜等。在此特指两种类型：一种是将熔炼和成锭的整个过程在真空下进行，如真空感应熔炼（VIM）、真空电弧熔炼（VAR）、电子束重熔（EBR）等等，即特种冶炼方法之一；一种是把大气中钢水进行真空处理，即炉外精炼（二次精炼），如RH法、VOD法等。真空冶金使在普通熔炼操作中进行的物理化学反应条件发生了变化，体现在气相压力的降低上。只要冶金反应有气相参加，当反应生成物中气体摩尔数大于反应物中气体摩尔数时，只要减少系统的压力，则可使平衡反应向着增加气态物质的方向移动，这就是真空冶金物理化学反应的基本特点。　　在普通的熔炼操作中，金属从大气中吸收氧气、氮气和从水分来的氢气。在真空熔炼中，就可以避免这些气体的来源。这些气体对于钢和金属的性能都有相当严重的危害。不仅如此，在真空感应熔炼过程中，原来存在于原料中的或者已经进入钢水中的气体，还可以被去除，产生脱气作用，从而提高合金钢的加工使用性能。另外，在高真空下熔炼，液态金属中某些易挥发性元素，也和气体一样可以不同程度地被排除。这些元素中有许多是有害的，如铅（Pb）、锡（Sn）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）；有些则有时有害，有时却是有用的成分，如镁（Mg）、锰（Mn）、铜（Cu）等。有害元素的挥发能提高合金的性能，有用元素的挥发则应采取相应措施加以防止。其次，在真空条件下，碳具有很强的脱氧能力，其脱氧产物CO不断被排除至熔炼系统之外，克服了采用金属脱氧剂的脱氧产物污染金属的倾向。　　电渣冶金经过了60余年的不断发展（1940年问世），包括电渣重熔、电渣熔铸、电渣浇铸、电渣转铸、电渣热风顶、电渣自熔模、电渣离心浇铸、电渣直接还原、电渣焊等。重熔精炼成熟工艺有4种：电渣重熔、真空电弧重熔、电子束重熔和等离子重熔。就目前生产应用而言，电渣重熔金属材料产量居首位，年产量超过其它三种重熔方法产量的总和（2003年世界电渣钢生产能力超过120万t/a）。　　等离子弧熔炼是利用等离子弧作为热源来熔融、精炼和重熔金属的一种新型冶炼方法。等离子弧也是一种电弧，不过电离度更高，其特点是能量更集中，温度高，流速快，弧的电压和电流又相当稳定。等离子弧熔炼经过40余年的发展（1962年创始），在炉型结构，冶金特点等方面，大致可分为四大类：等离子电弧炉（PAF）；等离子感应炉（PIF）；等离子电弧重熔（PAR）；等离子电子束重熔（PEB）。　　总之特种冶金之真空冶金、电渣冶金、等离子熔炼技术，在难熔金属、活泼金属、高温合金、特殊钢锻件生产方面占据重要的地位。但是，近年来随着二次冶炼技术的发展，用二次精炼方法生产的特殊钢，在纯洁度方面已可达到甚至超过特种冶炼的产品，使得过去要靠特种冶炼方法才能生产的品种现在改用二次精炼方法来生产，例如，过去用真空电弧重熔或电渣重熔的轴承钢，现在可用LF+RH或LF+VD来生产。试验结果表明，用二次精炼方法获得的超纯轴承钢与真空电弧重熔的相比，二者具有相同的寿命。二次精炼技术的发展，使得特种冶金产品失去一部分市场。　　下面重点介绍合金结构钢、汽车用齿轮钢、合金工具钢、高速工具钢、轴承钢、弹簧钢和不锈钢的性能及生产工艺技术。　　1 合金结构钢生产工艺技术　　1.1 前言　　结构钢包括碳素结构钢和合金结构钢，用于制造金属结构及机器设备。一般具有高的强度、好的韧性和良好的加工性。合金结构钢约含5％以下的合金元素和0.6％以下的碳。近30年来，高强度低合金钢（HSLA或微合金化钢）性能和产量得到了很大的发展，代替结构钢用于焊接、铆接和螺栓结构上，还用来做调质和非调质机器零件。美国将高强度低合金钢列入合金结构钢。　　合金结构钢是合金钢总产量最高、牌号最多的钢类，中国标准为GB/T3077?1999。根据其热处理工艺特点和使用性能，将合金结构钢分成[3]：调质钢、低温回火钢、非调质钢、渗碳钢、氮化钢、易切钢、超高强度钢、弹簧钢和轴承钢。由于后两者具有各自的独特的性能，通常作为独立钢类，而将前7类钢称为合金结构钢。近年来，用以制造齿轮的结构钢被特殊冠名为齿轮钢（特别是合金结构钢，如Cr-Mo系列、Mn-Cr系列、Cr-Ni-Mo系列等钢种），常在钢种统计中并列出现合金结构钢、齿轮钢。按化学成分特点分类，合金结构钢包括：锰钢、铬钼钢、锰铬钢、镍铬钢、铬锰硅钢等。　　目前世界较认同的分法是按碳含量多少将合金结构钢分成三大类：1）碳含量＜0.20％的HSLA钢，合金元素在2％以下且在热轧状态下使用；2）碳含量0.15%～0.25％，含合金元素在5％以下的表面硬化－渗碳钢；3）碳含量＞0.20％经淬火回火处理的调质钢。　　1.2 性能　　力学性能包括强度、塑性和韧性等。其中强度是第一位的，是工件设计和选材的主要依据，可以通过工作应力下的允许残留塑性变形量而计算确定。而塑性和韧性目前仍处于经验确定阶段。　　提高强度的主要方法有：位错强化、固溶强化、沉淀强化、细晶粒强化、马氏体强化和马氏体时效强化。但是随着强度的提高，一般要影响钢的脆性破坏倾向。晶界强化和沉淀强化相结合的强化方法对低碳低合金钢十分有利，这就是现代控轧微合金化（Nb、V等）相结合的方法。　　表1所示为淬火和回火合金结构钢等强度下的塑韧性变化[3]。可见，随着强度的增加，钢的塑、韧性降低，且表现较大波动性。这种波动性的产生是多因素作用的结果，除了钢的成分因素外，冶金质量的变化是重要原因，它反映在钢的纯度、组织结构、晶粒度和内应力等方面的变化上。　　强度和塑韧性是一对矛盾。对结构钢而言，材料科学和工程的主要任务之一就是不断解决这对矛盾。　　结构钢属亚共析钢范畴，其中碳含量大多数在0.5%以下，而建筑结构用钢多在0.2%以下，机器设备等用钢多在0.2%～0.5%之间。碳是决定强度的最主要而又最经济的元素，只是伴有对钢塑韧性的不利影响以及对焊接性等的严重不利作用，其用量受到综合性能要求的制约。合金元素的主要作用有：提高淬透性，调节强度?塑性、韧性配合，满足某些特殊性能要求，改善工艺性能。它们的相应作用是通过钢的显微组织结构的变化来实现的，因此显微组织结构决定了钢的性能。热处理是引起钢显微组织变化的核心，实际上决定了成分、组织和性能三者之间的关系。　　1.3 生产工艺　　合金结构钢质量是随着机械制造业对材料要求的不断提高及冶金工艺装备水平的提高而不断提高的，钢材的质量性能高级化、高纯洁度、超细组织、高精度是当前的主要发展趋势。　　性能高级化是指钢材的化学成分波动小，通过微调成分，使材料的使用性能均匀，强韧性配合适宜，保证由其制作的部件使用性能可靠。　　对合金结构钢而言，高纯洁度主要是指钢中的氧、硫、磷、氢、氮等含量≤100×10-6[2]。（[H]≤1×10-6、[O]≤15×10-6、[S]≤10×10-6、[N]≤（15～30）×10-6、[P]＜10×10-6），从而使一系列高强和超高强材料的塑韧性问题得到解决。组织的超细化可以提高强度、改善韧性。　　目前对于工业化商业性生产来说，合金结构钢的生产水平：[O]≤15×10-6、[S]≤10×10-6、[N]≤20×10-6、[P]＜20×10-6。日本生产清洁钢的工艺流程如图1所示[4]。电炉短流程合金结构钢长型材生产工艺流程　　汽车齿轮是汽车的重要零部件之一，起着传递动力的作用。当下人们对汽车高速、安全、舒适、节能、环保等性能要求的日趋严格，传动系统向小型化、轻量化、高功率化的趋势发展，要求提高齿轮寿命、传动精度和降低齿轮成本。因此，使得汽车齿轮承受的负荷越来越大，对汽车齿轮钢质量的要求也越来越高。　　随着社会汽车保有量及生产量的不断扩大，汽车齿轮钢用量也在增加。中国汽车保有量2010年约达到900～1 000万辆。按年产汽车600万辆，其中轿车300万辆、客车140万辆、载重车160万辆，每辆轿车、载重车、客车用齿轮钢量为38、100、180 kg估算，年新产汽车用齿轮钢量约54.2万t，2010年约达到90～100万t。齿轮钢代表钢号： 20CrMnTiH、20CrMoH、SCM822H（日本牌号Cr-Mo系列钢种）、20Cr、40Cr 、28MnCr5（德国牌号Mn-Cr系列钢种）、SAE8620H（美国牌号Cr-Ni-Mo系列钢种）。中国标准执行GB/T3077-1999、GB/T5216-85。　　我国车辆齿轮用钢采购技术标准已出台。齿轮钢材贸易与质量监控协作网对齿轮钢材采购技术标准（协议）提出下列必须满足的6项条件：1）末端淬透性：淬透性带宽（上限减下限）不能超过7HRC。2）氧含量≤0.003 0%。3）非金属夹杂物：A类细系、粗系≤2.5级；B类细系、粗系≤2.5级；C类细系、粗系≤2.0级；D类细系、粗系≤2.5级。4）奥氏体晶粒度细于或等于5级。5）表面质量符合GB/T3077-1999《合金结构钢》的规定。6）尺寸符合GB/T702-1986《热轧圆钢和方钢尺寸、外型、重量及允许偏差》的规定。　　2.2 齿轮钢质量水平主要指标　　汽车齿轮钢属结构钢，其中以合金结构钢为主，渗碳齿轮钢比例在不断扩大，尽管开发和引进了各种类型的齿轮钢，但20CrMnTiH仍被广泛应用。　　有些机器零件如汽车齿轮，工作时受到周期性变载荷（扭转或弯曲力）及冲击载荷的作用，且零件与零件表面之间还有相对的摩擦，并有高的接触应力。这些零件对材料的机械性能要求：1）材料具有高的屈服强度和高的弯曲疲劳性能；2）材料表面具有高的接触疲劳强度和高的耐磨性。　　含碳量为0.4%及以上的结构钢不能满足要求，因其经热处理后尽管硬度很高，但韧性太低，达不到内韧外硬的要求，故用低碳结构钢进行渗碳，使零件从表面到中心具有从高碳（0.8%～1.1%）到低碳（0.10%～0.25%）连续过渡的化学成分。使零件表面层具有高强度、高耐磨性，零件心部具有适当的强度和较好的韧性，使零件满足其在机械性能上的要求。对于一般零件，渗碳层的含碳量限制为0.8%～1.1%；渗碳层的深度控制在0.6～2.0 mm之内。　　齿轮传动装置按密封形式可分为开式、半开式及闭式3种；按使用工况可分为低速、高速及轻载、中载、重载；按齿轮齿面硬度的不同，又分为硬齿面齿轮（齿面硬度HRC＞55，如经整体或渗碳淬火、表面淬火或氮化处理）、中硬齿面齿轮（齿面硬度55＞HRC＞38，HB＞350，如齿轮经过整体淬火或表面淬火）、软齿面齿轮（齿面硬度HB＜350，如经调质、常化的齿轮）。　　齿轮传动的失效形式主要为齿面的疲劳点蚀、胶合、磨损、塑性变形和轮齿的疲劳断裂以及冲击折断等。特别是随着汽车高功率化和轻量化的进展，提高齿轮钢强度的要求越来越迫切。由于齿轮齿根承受循环弯曲应力、齿面承受接触应力、同时齿轮还承受冲击载荷。因此，要求齿轮钢具有高的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度、良好的耐磨性，而且还必须具有充分的韧性。目前，汽车齿轮大都进行渗碳淬火处理。齿轮在进行渗碳淬火热处理时，其热应力和组织应力使齿轮产生变形。齿轮的渗碳淬火变形可以从变形的分散度和变形量两方面来考虑。为了减小热处理变形－降低齿轮变形的分散度和减小变形量，要求不同批次热处理的齿轮都具有同等程度的淬透性，并在热处理过程中保证各部位得到同等程度的淬火。为此，钢材冶炼时必须抑制淬透性的变化，渗碳淬火时必须控制奥氏体晶粒度。　　国际上通常认为：衡量齿轮钢质量水平的主要指标有3项[6]，即窄的淬透性带；高的纯洁度；细小的晶粒度。这三项主要指标按质量水平分了两个层次，即高水平和次高水平：高质量水平：淬透性带≤4 HRC；纯洁度[O]≤15×10-6；晶粒度≥6级。次高质量水平：淬透性带≤6 HRC；纯洁度[O]≤20×10-6；晶粒度≥5级。　　通过大量工作，特别是经过近15 a来的努力，国产齿轮钢质量水平有了较大提高，已经超过了“次高质量水平”，接近了“高质量水平”，但淬透性指标尚需进一步稳定提高。我国某著名特殊钢厂齿轮钢实物质量水平达到：晶粒度≥6级、淬透性带≤6 HRC（淬透性带≤5 HRC产品比例较高）、纯洁度[O]≤20×10-6（均值[O]≤15.6×10-6）。　　2.2.1 淬透性 是指钢在一定奥氏体化条件下淬成全部或部分马氏体的能力。淬透性对钢的组织性能影响很大，淬透性高的钢其力学性能沿截面均匀分布，即表面与心部力学性能差距小或一致。钢材淬透性稳定与否对齿轮热处理后变形影响很大，淬透性带宽度越窄、离散度越小，则越有利于齿轮加工、提高齿轮寿命及啮合精度。影响淬透性的主要因素是钢的化学成分[7]，如果将化学成分稳定控制在一个水平，则得到的淬透性带也相对稳定在一个水平。可通过钢的化学成分对淬透性影响的回归分析，制定化学成分控制目标值，进而实现淬透性窄带控制。　　2.2.2 纯洁度 齿轮钢高纯洁度主要是指钢中的氧、硫、磷、氢而言，但更重视钢中的氧含量，因为钢中氧含量的降低，氧化物夹杂也随之减少。有人做过渗碳铬－钼钢氧含量对齿轮疲劳寿命影响的试验，当氧含量从25×10-6降低到11×10-6时，其接触疲劳强度可提高4倍。目前齿轮钢中的氧含量一般控制在20×10-6以下，大部分在15×10-6以下，这样可有效地减少夹杂物含量，提高钢的韧性、耐磨性。今后渗碳钢对氧含量的限制并不逊于轴承钢，齿轮钢脱气精炼将成为必然。　　2.2.3 晶粒度 细小均匀的奥氏体晶粒度对稳定钢材的淬透性、减少齿轮热处理后变形量、提高渗碳钢的脆断抗力十分有利。有人研究，当晶粒度＜5级时，渗碳钢的脆断抗力显著降低并使齿轮剥落的脆化因素增加。例如模数为4的渗碳齿轮模拟试样的试验结果，20Cr2Ni4A钢的晶粒度由8级变为5级时，抗弯强度从3 000 MPa降到2 330 MPa，破断功从580 J降到460 J。晶粒细化可提高对裂纹传播的抗力，增加渗碳层的强韧性。　　2.3 生产工艺　　汽车齿轮钢质量是随着汽车制造业对材料要求的不断提高及冶金工艺装备水平的提高而不断提高的，钢材的质量性能高级化、高纯洁度、超细组织、高精度是当前的主要发展趋势[6]。性能高级化是指：钢材的化学成分波动小，通过微调成分，使材料的使用性能均匀，强韧性配合适宜，保证由其制作的部件使用性能可靠。齿轮钢窄淬透性带的控制是提高齿轮精度和寿命的手段之一。对齿轮钢而言，高纯洁度主要是指钢中的氧含量[O]≤15×10-6，从而使一系列齿轮钢材料的塑韧性问题得到解决。组织的超细化也可以提高强度、改善韧性。齿轮钢的生产工艺就是围绕着上述内容展开的。目前主导的齿轮钢电弧炉生产工艺路线　　我国某著名特殊钢厂Mn-Cr5系列齿轮钢电弧炉生产工艺：50 t/UHP?60 t/LF?60 t/VD?大方坯连铸或3 t锭/模铸（接Φ850 mm初轧机）?成品轧机或锻机?精正、热处理?成品Φ12～130 mm （热轧或缓冷或退火状态交货）。　　由于齿轮钢品种较多，质量要求差别也较大，因此目前工业生产中的各种冶炼方法几乎都在应用。　　今后齿轮钢要做的工作仍然是窄的淬透性带、高的纯洁度、细小的晶粒、良好的加工性能（如易切屑、冷挤压、锻造等）。 宁波金百联轴承有限公司供应微型至中型深沟球轴承、圆锥滚子轴承、短圆柱滚子轴承、平面推力轴承、英制系列轴承、带座球面轴承、及各种特制非标轴承等。 电话：022-58059063 13102005112 邮箱：web@okbbearing.com 地址：宁波市丽园北路1730??1736号
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