【正文】 8Cr4V（ 560 ℃ ）、 W12Cr4V5Co5（ 590 ℃ ），其中使用最普遍的是 Cr4Mo4V。 4）高溫軸承鋼。這類鋼經(jīng)過熱處理可以得到全部或大部馬氏體組織，具有高強(qiáng)度、很好的耐磨性和韌性，特別是在海水、酸、有機(jī)鹽水溶液中具有較強(qiáng)的抗銹蝕能力。主要用于承受沖擊載荷下的軸承和特大型軸承，如鐵路、軋鋼機(jī)用軸承等。由于淬透性的差別，其中用量最大的是 GCr15 和 GCr15SiMn， GCr6 和 GCr9 已很少采用。 性能 當(dāng)前世界各國所使用的軸承鋼主要有 5 大類 [9]，即高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、不銹軸承鋼、高溫軸承鋼、中碳軸承鋼。世界公認(rèn)軸承鋼的水平是一個國家冶金水平的標(biāo)志。世界先進(jìn)的高速鋼生產(chǎn)工藝流程如下。高速鋼材的精整線包括：初矯、噴丸、精矯、倒棱、剝皮、精矯、拋光、光譜分析、超聲和渦流探傷、分檢、測徑、分析、自動打印、稱重、自動打捆包裝。中小型材和鋼絲生產(chǎn)已普遍采用高精度無扭連軋機(jī)。 我國某特殊鋼廠高速鋼 生產(chǎn)工藝流程為： 30 t 電爐熔煉－注錠（或鑄電極－退火－電渣重熔）－ 2 000 t 快鍛機(jī)開坯（大圓）或 1 000 t 精鍛機(jī)開坯（小圓）－退火－修磨－ 1 000 t 精鍛機(jī)成材或軋制成材－退火－精整檢查－包裝－入庫。 要求較高質(zhì)量的大斷面高速鋼工藝流程為： 電爐 — 澆注電極坯 — 退火 — 電渣重熔 — 退火 — 開坯 — 退火 — 修磨 — 退火 — 精整檢查— 包裝 — 入庫。對其熱塑性的提高和降低脆性傾向有益。變形程度愈大，碳化物共晶體愈細(xì)化，分布愈均勻。鑄態(tài)組織中的黑色組織則是 δ 相的共析分解產(chǎn)物，其相組成物也是 γ 和 M6C。這類鋼的鑄態(tài)組織以粗大的共晶萊氏體網(wǎng)和黑色組織為主要特征。這類鋼在適當(dāng)淬火回火熱處理后的硬度，一般高于 HRC63，高的可達(dá) HRC68~70，目前多把后者稱為超硬型高速鋼，并且在 600 ℃ 左右，仍然保持 HRC 63～65 的高硬度。 高速鋼是合金鋼中生產(chǎn)量最少，品種規(guī)格繁多，生產(chǎn)技術(shù)難度 較大的鋼種。 圖 3 我國某特殊鋼廠工（模）具鋼工藝流程示意圖 4 高速工具鋼生產(chǎn) 工藝技術(shù) 前言 高速工具鋼也叫 “ 鋒鋼 ” ，是高碳高合金工具鋼，鋼中含碳量為 %～ ％，鋼中含有能形成高硬度碳化物的合金元素，如鎢、鉬、鉻、釩等，高速鋼就是利用上述金屬元素，一方面推遲馬氏體分解，一方面產(chǎn)生二次硬化。選擇合適的熱處理 制度，并采用能夠準(zhǔn)確控制的先進(jìn)熱處理設(shè)備，對于充分發(fā)揮材料的潛能是不可缺少的。為了提高成材率、生產(chǎn)效率和鋼材的尺寸精度，多采用高效率、高精度的快鍛機(jī)、精鍛機(jī)和精軋機(jī)。另一方面，鍛造將偏析沿流動方向延伸形成帶狀組織，對韌性不利，當(dāng)鍛比超過一定數(shù)值后，橫向機(jī)械性能（與金屬流動方向垂直的方向）急劇下降，導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)各向異性。在連鑄生產(chǎn)中一般都采用保護(hù)澆鑄、液面控制和多極電磁攪拌技術(shù)，以確保鑄坯質(zhì)量。目前主導(dǎo)的冶煉工藝是電爐 —— 二次精煉（噴粉精煉、鋼包精煉、真空處理等方法），對于更高要求的鋼種，則采用電渣或真空電弧重熔工藝。 1999 年由國家冶金工業(yè)局主持，撫順特殊鋼（集團(tuán)）有限責(zé)任公司與北京鋼鐵研究總院承擔(dān)的《高質(zhì)量高性能模具鋼開發(fā)、應(yīng)用及市場一體化創(chuàng)新工程》國家技術(shù)創(chuàng)新項目研究方向是：模具鋼的高淬透性、高耐磨性、高耐熱疲勞性、高耐蝕性、優(yōu)良退磁性等。 除合金元素外，鋼的凝固條件也是很重要的，因為鋼液凝固時產(chǎn)生結(jié)晶偏析，同時形成碳化物網(wǎng)，這類碳化物的存在對鋼的韌性不利，而且會降低耐磨性。熱作模具鋼還必須具有良好的抗熱疲勞性、耐磨性及沖擊韌性。按用途分為量具刃具用鋼（ 9SiCr 等 6 個鋼號）、耐沖擊工具用鋼（ 4CrW2Si等 3個鋼號）、冷作模具鋼（ Cr1 Cr12Mo1V1等 10個鋼號）、熱作模具鋼（ 5CrMnMo、4Cr5MnSiV 等 12 個鋼號）、無磁模具鋼（ 7Mn15Cr2AI3C2WMo）、塑料模具鋼（ 3Cr2Mo）。 今后齒輪鋼要做的工作仍然是窄的淬透性帶、高的純潔度、細(xì)小的晶粒、良好的加工性能（如易切屑、冷擠壓、鍛造等）。齒輪鋼的生產(chǎn)工藝就是圍繞著上述內(nèi)容展開的。性能高級化是指：鋼材 的化學(xué)成分波動小，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。有人研 究，當(dāng)晶粒度＜ 5 級時，滲碳鋼的脆斷抗力顯著降低并使齒輪剝落的脆化因素增加。有人做過滲碳鉻－鉬鋼氧含量對齒輪疲勞壽命影響的試驗，當(dāng)氧含量從 2510 6降低到 1110 6時，其接觸疲勞強(qiáng)度可提高 4 倍。鋼材淬透性穩(wěn)定與否對齒輪熱處理后變形影響很大，淬透性帶寬度越窄、離散度越小，則越有利于齒輪加工、提高齒輪壽命及嚙合精度。 通過大量工作，特別是經(jīng)過近 15 a 來的努力，國產(chǎn)齒輪鋼質(zhì)量水平有了較大提高，已經(jīng)超過了 “ 次高質(zhì)量水平 ” ，接近了 “ 高質(zhì)量水平 ” ，但淬透性指標(biāo)尚需進(jìn)一步穩(wěn)定提高。為此，鋼材冶煉時必須抑制淬透性的變化，滲碳淬火時必須控制奧氏體晶粒度。目前，汽車齒輪大都進(jìn)行滲碳淬火處理。 齒輪傳動的失效形式主要為齒面的疲勞點蝕、膠合、磨損、塑性變形和輪齒的疲勞斷裂以及沖擊折斷等。 含碳量為 %及以上的結(jié)構(gòu)鋼不能滿足要求，因其經(jīng)熱處理后盡管硬度很高，但韌性太低，達(dá)不到內(nèi)韌外硬的要求，故用低碳結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行滲碳，使零件從表面到中心具有從高碳（ %～ %）到低 碳（ %～ %）連續(xù)過渡的化學(xué)成分。 6）尺寸符合 GB/T7021986《熱軋圓鋼和方鋼尺寸、外型、重量及允許偏差》的規(guī)定。 2）氧含量 ≤0 .003 0%。齒輪鋼代表鋼號： 20CrMnTiH、 20CrMoH、 SCM822H（日本牌號 CrMo 系列鋼種）、 20Cr、 40Cr 、 28MnCr5（德國牌號 MnCr 系列鋼種）、 SAE8620H（美國牌號 CrNiMo 系列鋼種）。因此，使得汽車齒輪承受的負(fù)荷越來越大，對汽車齒輪鋼質(zhì)量的要求也越來越高。日本生產(chǎn)清潔鋼的工藝流程如圖 1 所示 [4]。 對合金結(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]。它們的相應(yīng)作用是通過鋼的顯微組織結(jié)構(gòu)的變化來實現(xiàn)的，因此顯微組織結(jié)構(gòu)決定了鋼的性能。對結(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矛盾?？梢?，隨著強(qiáng)度的增加，鋼的塑、韌性降低，且表現(xiàn)較大波動性。 提高強(qiáng)度的主要方法有：位錯強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶粒強(qiáng)化、馬氏體 強(qiáng)化和馬氏體時效強(qiáng)化。 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。根據(jù)其熱處理工藝特點和使用性能，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。合金結(jié)構(gòu)鋼約含 5％以下的合金元素和 ％以下的碳。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。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）。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。這些元素中有許多是有害的，如鉛（ Pb）、錫（ Sn）、砷（ As）、銻（ Sb）、鉍（ Bi）；有些則有時有害，有時卻是有用的成分，如鎂（ Mg）、錳（ Mn）、銅（ Cu）等。在真空熔煉中，就可以避免這些氣體的來源。在此特指兩種類型：一種是將熔煉和成錠的整個過程在真空下進(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。 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)。同時人們也一直認(rèn)為轉(zhuǎn)爐就主要是用來煉普通鋼。 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。 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。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%。因此，在生產(chǎn)制造特殊鋼時，就需要采用特殊的工藝裝備技術(shù)來實現(xiàn)特殊的化學(xué)成分、特殊的組織和性能。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)。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。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 [1]。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。 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。 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，早期用電弧爐煉特殊鋼達(dá)到了揚(yáng)長避短的目的。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。 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 普通的熔煉操作中，金屬從大氣中吸收氧氣、氮氣和從水分來的氫氣。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。 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。等離子弧也是一種電弧，不過電離度更高，其特點是能量更集中，溫度高，流速快，弧的電壓和電流又相當(dāng)穩(wěn)定。試驗結(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。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)鋼是合金鋼總產(chǎn)量最高、牌號最多的鋼類，中國 標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T3077— 1999。按化學(xué)成分特點分類，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。而塑性和韌性目前仍處于經(jīng)驗確定階段。 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]。 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)度和塑韌性是一對矛盾。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。 性能高級化是指鋼材的化學(xué)成分波動小，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。 目前對于工業(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 [N]≤2010 [P]＜ 2010 6。當(dāng)下人們對汽車高速、 安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保等性能要求的日趨嚴(yán)格，傳動系統(tǒng)向小型化、輕量化、高功率化