【正文】 特殊鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)概述 摘 要 ：特殊鋼包括優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼、高合金鋼三大類，介紹了特殊鋼的生產(chǎn)工藝技術(shù)，重點(diǎn)論述了合金結(jié)構(gòu)鋼、汽車用齒輪鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、軸承鋼、彈簧鋼和不銹鋼的性能及生產(chǎn)工藝技術(shù)。 特殊鋼一般是指具有特殊性能或特殊用途的鋼種。其與普通鋼相比具有更高的強(qiáng)度和韌性、物理性能、化學(xué)性能、生物相容性和工藝性能。因其性能特殊，決定了它在國民經(jīng)濟(jì)及軍事工業(yè)中占有極其重要的地位。因此，在生產(chǎn)制造特殊鋼時(shí)，就需要采用特殊的工藝裝備技術(shù)來實(shí)現(xiàn)特殊的化學(xué)成分、特殊的組織和性能。 特殊鋼 的定義在國際上沒有明確規(guī)定，各國特殊鋼的統(tǒng)計(jì)分類不完全相同。我國特殊鋼定義與日本、歐洲相近，包括優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼、高合金鋼三大類，通常展開為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、軸承鋼、彈簧鋼（碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼）、耐熱鋼和不銹鋼。由于高溫合金與精密合金在特殊鋼廠生產(chǎn)，也將這兩種合金納入特殊鋼的行列之中統(tǒng)計(jì) [1]。在特殊鋼領(lǐng)域，除優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼和碳素彈簧鋼外，其余均為合金鋼，合金鋼約占特殊鋼的 70%。目前，世界上特殊鋼有近 2 000 個(gè)牌號(hào)、約 50 000 個(gè)品種規(guī)格 、數(shù)百個(gè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)特殊鋼產(chǎn)量及品種的需要日益擴(kuò)大，對(duì)質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)格、苛刻。近年來，圍繞提高特殊鋼性能、質(zhì)量、品種、效率，降低特殊鋼成本、節(jié)能降耗、環(huán)境友好等方面采用了一系列新技術(shù)、新工藝、新裝備，使得特殊鋼的潔凈度、均勻度、組織細(xì)化度和尺寸精度等有了很大提高。 特殊鋼生產(chǎn)工藝流程主要有 3 種 [2]： 1）電爐流程（即短流程）：電爐 — 二次精煉 — 連鑄 — 軋制。 2）轉(zhuǎn)爐流程（長流程）：高爐 — 鐵水預(yù)處理 — 轉(zhuǎn)爐 — 二次精煉 — 連鑄 — 軋制。3）特種冶金：特種冶煉（如真空感應(yīng)熔煉、冷坩堝熔煉 、電渣重熔、真空電弧重熔、電子束熔煉、等離子熔煉等） — 鍛造或軋制。 這里要指出的是有些鋼種的生產(chǎn)至今還必須走模鑄 — 開坯 — 軋制或鍛造的工藝流程。 因早期特殊鋼主要采用電弧爐工藝冶煉，習(xí)慣上形成了特殊鋼一定要用電爐冶煉，特殊鋼廠就是電爐鋼廠。而客觀事實(shí)上也的確存在電爐只有生產(chǎn)特殊鋼才可以有好的經(jīng)濟(jì)效益，特殊鋼只能由電爐冶煉。這主要是由于早期電爐煉鋼的特點(diǎn)和特殊鋼本身的性質(zhì)所決定的： 1）電爐用廢鋼中有可利用的合金元素； 2）電爐煉鋼是靠電弧進(jìn)行加熱的，其溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 2 000 ℃ ，且鋼水溫度可長時(shí)間地精確控 制，這樣電爐煉鋼在難熔合金冶煉、合金化成分及工藝柔性等方面較轉(zhuǎn)爐煉鋼有無比的優(yōu)越性； 3）不足是煉鋼周期長，生產(chǎn)效率低，成本高（廢鋼、電價(jià)昂貴），爐容小，易增碳、吸氮等。 恰好特殊鋼產(chǎn)品有合金含量高、多品種、小批量、附加值高等特點(diǎn)，早期用電弧爐煉特殊鋼達(dá)到了揚(yáng)長避短的目的。同時(shí)人們也一直認(rèn)為轉(zhuǎn)爐就主要是用來煉普通鋼。但是，1）轉(zhuǎn)爐利用純鐵水冶煉特殊鋼更純凈； 2）廢鋼中的殘余元素難以去除； 3）爐外精煉技術(shù)的進(jìn)步使轉(zhuǎn)爐冶煉特殊鋼的能力增強(qiáng)。 隨著社會(huì)廢鋼資源的積累，直接還原技術(shù)的開發(fā)，電力工業(yè)的發(fā)展，電弧 爐煉鋼技術(shù)（大容積電爐、超高功率電爐等）和爐外精煉技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電爐出鋼時(shí)間的縮短，能與連鑄時(shí)間良好的匹配，使多爐連澆得以實(shí)現(xiàn)，電爐鋼廠越來越多地生產(chǎn)普通鋼，而轉(zhuǎn)爐鋼廠越來越多地?zé)捥厥怃?。電爐煉鋼、轉(zhuǎn)爐煉鋼兩種方法，無論是煉特殊鋼還是煉普通鋼，從質(zhì)量上和經(jīng)濟(jì)上越來越接近。 由于宇航、導(dǎo)彈、火箭、原子能、海洋電子等工業(yè)的發(fā)展，對(duì)所需要的金屬或合金質(zhì)量、性能、可靠性、穩(wěn)定性等的要求越來越高，電弧爐，轉(zhuǎn)爐冶煉的鋼質(zhì)量很難滿足這些要求，所以必須使用特種冶金技術(shù)。特種冶金包括：真空感應(yīng)熔煉、電渣重熔、真空 電弧重熔、電子束熔煉、等離子熔煉等。難熔金屬（鎢、鉬、鈮、鉭）及活潑金屬（鈦及鈦合金，包括鈦、鋁金屬間化合物等）用真空電弧重熔、電子束熔煉以及冷坩堝感應(yīng)熔煉等方法來制備；高溫合金、精密合金以及某些對(duì)質(zhì)量要求很高的合金鋼用真空感應(yīng)熔煉、電渣重熔、真空電弧重熔等方法來生產(chǎn)。 真空冶金（ Vacuum Metallurgy）區(qū)別于大氣下的冶金過程，廣義包括：真空脫氣、真空熔煉、真空熔鑄、真空蒸餾、真空分解、真空燒結(jié)、真空熱處理、真空焊接和真空鍍膜等。在此特指兩種類型：一種是將熔煉和成錠的整個(gè)過程在真空下進(jìn)行，如 真空感應(yīng)熔煉（ VIM）、真空電弧熔煉（ VAR）、電子束重熔（ EBR）等等，即特種冶煉方法之一；一種是把大氣中鋼水進(jìn)行真空處理，即爐外精煉（二次精煉），如 RH 法、 VOD 法等。真空冶金使在普通熔煉操作中進(jìn)行的物理化學(xué)反應(yīng)條件發(fā)生了變化，體現(xiàn)在氣相壓力的降低上。只要冶金反應(yīng)有氣相參加，當(dāng)反應(yīng)生成物中氣體摩爾數(shù)大于反應(yīng)物中氣體摩爾數(shù)時(shí)，只要減少系統(tǒng)的壓力，則可使平衡反應(yīng)向著增加氣態(tài)物質(zhì)的方向移動(dòng)，這就是真空冶金物理化學(xué)反應(yīng)的基本特點(diǎn)。 在 普通的熔煉操作中，金屬從大氣中吸收氧氣、氮?dú)夂蛷乃謥淼臍錃?。在真空熔煉中，就可以避免這些氣體的來源。這些氣體對(duì)于鋼和金屬的性能都有相當(dāng)嚴(yán)重的危害。不僅如此，在真空感應(yīng)熔煉過程中，原來存在于原料中的或者已經(jīng)進(jìn)入鋼水中的氣體，還可以被去除，產(chǎn)生脫氣作用，從而提高合金鋼的加工使用性能。另外，在高真空下熔煉，液態(tài)金屬中某些易揮發(fā)性元素，也和氣體一樣可以不同程度地被排除。這些元素中有許多是有害的，如鉛（ Pb）、錫（ Sn）、砷（ As）、銻（ Sb）、鉍（ Bi）；有些則有時(shí)有害，有時(shí)卻是有用的成分，如鎂（ Mg）、錳（ Mn）、銅（ Cu）等。有害元素的揮發(fā)能提高合金的性能，有用元素的揮發(fā)則應(yīng)采取相應(yīng)措施加以防止。其次，在真空條件下，碳具有很強(qiáng)的脫氧能力，其脫氧產(chǎn)物 CO 不斷被排除至熔煉系統(tǒng)之外，克服了采用金屬脫氧劑的脫氧產(chǎn)物污染金屬的傾向。 電渣冶金經(jīng)過了 60 余年的不斷發(fā)展（ 1940 年問世），包括電渣重熔、電渣熔鑄、電渣澆鑄、電渣轉(zhuǎn)鑄、電渣熱風(fēng)頂、電渣自熔模、電渣離心澆鑄、電渣直接還原、電渣焊等。重熔精煉成熟工藝有 4 種：電渣重熔、真空電弧重熔、電子束重熔和等離子重熔。就目前生產(chǎn)應(yīng)用而言，電渣重熔金屬材料產(chǎn)量居首位，年產(chǎn)量超過 其它三種重熔方法產(chǎn)量的總和（ 2020 年世界電渣鋼生產(chǎn)能力超過 120 萬 t/a）。 等離子弧熔煉是利用等離子弧作為熱源來熔融、精煉和重熔金屬的一種新型冶煉方法。等離子弧也是一種電弧，不過電離度更高，其特點(diǎn)是能量更集中，溫度高，流速快，弧的電壓和電流又相當(dāng)穩(wěn)定。等離子弧熔煉經(jīng)過 40 余年的發(fā)展（ 1962 年創(chuàng)始），在爐型結(jié)構(gòu)，冶金特點(diǎn)等方面，大致可分為四大類：等離子電弧爐（ PAF）；等離子感應(yīng)爐（ PIF）；等離子電弧重熔（ PAR）；等離子電子束重熔（ PEB）。 總之特種冶金之真空冶金、電渣冶金、等離子熔煉技術(shù) ，在難熔金屬、活潑金屬、高溫合金、特殊鋼鍛件生產(chǎn)方面占據(jù)重要的地位。但是，近年來隨著二次冶煉技術(shù)的發(fā)展，用二次精煉方法生產(chǎn)的特殊鋼，在純潔度方面已可達(dá)到甚至超過特種冶煉的產(chǎn)品，使得過去要靠特種冶煉方法才能生產(chǎn)的品種現(xiàn)在改用二次精煉方法來生產(chǎn)，例如，過去用真空電弧重熔或電渣重熔的軸承鋼，現(xiàn)在可用 LF+RH 或 LF+VD 來生產(chǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，用二次精煉方法獲得的超純軸承鋼與真空電弧重熔的相比，二者具有相同的壽命。二次精煉技術(shù)的發(fā)展，使得特種冶金產(chǎn)品失去一部分市場(chǎng)。 下面重點(diǎn)介紹合金結(jié)構(gòu)鋼、汽車用齒輪鋼、合金工 具鋼、高速工具鋼、軸承鋼、彈簧鋼和不銹鋼的性能及生產(chǎn)工藝技術(shù)。 1 合金結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)工藝技術(shù) 前言 結(jié)構(gòu)鋼包括碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，用于制造金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)器設(shè)備。一般具有高的強(qiáng)度、好的韌性和良好的加工性。合金結(jié)構(gòu)鋼約含 5％以下的合金元素和 ％以下的碳。近 30 年來，高強(qiáng)度低合金鋼（ HSLA 或微合金化鋼）性能和產(chǎn)量得到了很大的發(fā)展，代替結(jié)構(gòu)鋼用于焊接、鉚接和螺栓結(jié)構(gòu)上，還用來做調(diào)質(zhì)和非調(diào)質(zhì)機(jī)器零件。美國將高強(qiáng)度低合金鋼列入合金結(jié)構(gòu)鋼。 合金結(jié)構(gòu)鋼是合金鋼總產(chǎn)量最高、牌號(hào)最多的鋼類，中國 標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T3077— 1999。根據(jù)其熱處理工藝特點(diǎn)和使用性能，將合金結(jié)構(gòu)鋼分成 [3]：調(diào)質(zhì)鋼、低溫回火鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、氮化鋼、易切鋼、超高強(qiáng)度鋼、彈簧鋼和軸承鋼。由于后兩者具有各自的獨(dú)特的性能，通常作為獨(dú)立鋼類，而將前 7 類鋼稱為合金結(jié)構(gòu)鋼。近年來，用以制造齒輪的結(jié)構(gòu)鋼被特殊冠名為齒輪鋼（特別是合金結(jié)構(gòu)鋼，如 CrMo 系列、 MnCr 系列、 CrNiMo系列等鋼種），常在鋼種統(tǒng)計(jì)中并列出現(xiàn)合金結(jié)構(gòu)鋼、齒輪鋼。按化學(xué)成分特點(diǎn)分類，合金結(jié)構(gòu)鋼包括：錳鋼、鉻鉬鋼、錳鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻錳硅鋼等。 目前世 界較認(rèn)同的分法是按碳含量多少將合金結(jié)構(gòu)鋼分成三大類： 1）碳含量＜ ％的 HSLA 鋼，合金元素在 2％以下且在熱軋狀態(tài)下使用； 2）碳含量 %～ ％，含合金元素在 5％以下的表面硬化－滲碳鋼； 3）碳含量＞ ％經(jīng)淬火回火處理的調(diào)質(zhì)鋼。 性能 力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性和韌性等。其中強(qiáng)度是第一位的，是工件設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)，可以通過工作應(yīng)力下的允許殘留塑性變形量而計(jì)算確定。而塑性和韌性目前仍處于經(jīng)驗(yàn)確定階段。 提高強(qiáng)度的主要方法有：位錯(cuò)強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶粒強(qiáng)化、馬氏體 強(qiáng)化和馬氏體時(shí)效強(qiáng)化。但是隨著強(qiáng)度的提高，一般要影響鋼的脆性破壞傾向。晶界強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化相結(jié)合的強(qiáng)化方法對(duì)低碳低合金鋼十分有利，這就是現(xiàn)代控軋微合金化（ Nb、 V 等）相結(jié)合的方法。 表 1 所示為淬火和回火合金結(jié)構(gòu)鋼等強(qiáng)度下的塑韌性變化 [3]。可見，隨著強(qiáng)度的增加，鋼的塑、韌性降低，且表現(xiàn)較大波動(dòng)性。這種波動(dòng)性的產(chǎn)生是多因素作用的結(jié)果，除了鋼的成分因素外，冶金質(zhì)量的變化是重要原因，它反映在鋼的純度、組織結(jié)構(gòu)、晶粒度和內(nèi)應(yīng)力等方面的變化上。 表 1 等強(qiáng)度下結(jié)構(gòu)鋼的塑性和韌性變化 σ b/MPa σ （梅氏沖擊試樣） /（ J cm2） 800 700～ 750 65～ 75 180～ 240 900 800～ 850 60～ 70 120～ 180 1 000 900～ 950 55～ 70 90～ 150 1 100 1 000～ 1 050 55～ 65 70～ 120 1 200 1 050～ 1 150 50～ 60 50～ 110 1 300 1 100～ 1 250 45～ 62 40～ 90 1 400 1 200～ 1 350 45～ 60 40～ 80 1 500 1 250～ 1 400 45～ 58 30～ 80 1 600 1 300～ 1 500 43～ 57 25～ 80 1 700 1 350～ 1 600 43～ 56 25～ 70 1 800 1 350～ 1 700 40～ 55 20～ 70 1 900 1 400～ 1 700 38～ 52 20～ 66 2 000 1 400～ 1 800 35～ 50 20～ 60 2 100 1 400～ 1 800 30～ 45 20～ 60 2 200 1 400～ 1 800 25～ 40 20～ 50 強(qiáng)度和塑韌性是一對(duì)矛盾。對(duì)結(jié)構(gòu)鋼而言，材料科學(xué)和工程 的主要任務(wù)之一就是不斷解決這對(duì)矛盾。 結(jié)構(gòu)鋼屬亞共析鋼范疇，其中碳含量大多數(shù)在 %以下，而建筑結(jié)構(gòu)用鋼多在 %以下，機(jī)器設(shè)備等用鋼多在 %～ %之間。碳是決定強(qiáng)度的最主要而又最經(jīng)濟(jì)的元素，只是伴有對(duì)鋼塑韌性的不利影響以及對(duì)焊接性等的嚴(yán)重不利作用，其用量受到綜合性能要求的制約。合金元素的主要作用有：提高淬透性，調(diào)節(jié)強(qiáng)度 — 塑性、韌性配合，滿足某些特殊性能要求，改善工藝性能。它們的相應(yīng)作用是通過鋼的顯微組織結(jié)構(gòu)的變化來實(shí)現(xiàn)的，因此顯微組織結(jié)構(gòu)決定了鋼的性能。熱處理是引起鋼顯微組織變化的核心，實(shí) 際上決定了成分、組織和性能三者之間的關(guān)系。 生產(chǎn)工藝 合金結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量是隨著機(jī)械制造業(yè)對(duì)材料要求的不斷提高及冶金工藝裝備水平的提高而不斷提高的，鋼材的質(zhì)量性能高級(jí)化、高純潔度、超細(xì)組織、高精度是當(dāng)前的主要發(fā)展趨勢(shì)。 性能高級(jí)化是指鋼材的化學(xué)成分波動(dòng)小，通過微調(diào)成分，使材料的使用性能均勻，強(qiáng)韌性配合適宜，保證由其制作的部件使用性能可靠。 對(duì)合金結(jié)構(gòu)鋼而言，高純潔度主要是指鋼中的氧、硫、磷、氫、氮等含量 ≤10010 6[2]。（ [H]≤110 [O]≤1510 [S]≤10 10 [N]≤ （ 15～ 30） 10 [P]＜ 1010 6），從而使一系列高強(qiáng)和超高強(qiáng)材料的塑韌性問題得到解決。組織的超細(xì)化可以提高強(qiáng)度、改善韌性。 目前對(duì)于工業(yè)化商業(yè)性生產(chǎn)來說，合金結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)水平： [O]≤1510 [S]≤1010 6