【正文】 因而，不銹鋼冶煉過(guò)程中以?shī)A雜物控制為中心的高潔凈化越來(lái)越引起人們的重視。日新制鋼株式會(huì)社和川崎鋼鐵公司分 別研究出了含 Cu 和含Ag 抗菌不銹鋼，含 Cu 抗菌不銹鋼是在不銹鋼中加入 %～ %的 Cu，并采取特殊熱處理，使不銹鋼自表面到內(nèi)部均勻彌散 ε Cu 析出物，起到抗菌作用。隨市場(chǎng)需求的變化，各種具有特殊用途和特殊功能的不銹鋼不斷出現(xiàn)。該類鋼是 20 世紀(jì) 80 年代后期發(fā)展起來(lái)的，牌號(hào)主要有 SAF250UR52N、 Zeron100 等，其特點(diǎn)是含 C 量低（ %～ %），含有高 Mo 和高 N（ Mo≤4% 、N≤% ），鋼中鐵素體相含量占 40%～ 45%，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。在有些不符合標(biāo)準(zhǔn)的 200 系列不銹鋼中，由于不能加入足夠數(shù)量的 Mn 和 N，為了形成 100%的奧氏體結(jié)構(gòu)，人為地減少了 Cr 的加入量，這必然導(dǎo)致了不銹鋼抗腐蝕能力的下降。因此，應(yīng)大力發(fā)展無(wú) Ni和低 Ni鐵素體 不銹鋼、 CrMn奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼。熱軋板帶主要采用爐卷軋機(jī)、行星軋機(jī)、熱連軋機(jī)等。它兼具有奧氏體和鐵素體鋼的優(yōu)點(diǎn)，特點(diǎn)是有良好的耐蝕性、耐酸性和高的強(qiáng)度。此類鋼可以 通過(guò)熱處理進(jìn)行強(qiáng)化和提高硬度，但其耐蝕性能不如鐵素體和奧氏體不銹鋼，被廣泛用于刀具、剎車片、軸承、汽輪機(jī)葉片、結(jié)構(gòu)件及耐磨器具等。圖 5為 CrNi系奧氏體不銹鋼的發(fā)展過(guò)程 [4]。 2020 年世界不銹鋼產(chǎn)量 2 760萬(wàn) t，同比下降 ％，中國(guó)不銹鋼產(chǎn)量 720 萬(wàn) t，同比增加 36％ [11]。如果 ULO 處理后再進(jìn)行 ULTiN 處理（即 ULO+ULTiN），鋼中氧化物和 TiN 夾雜物可大幅度下降，鋼的疲勞極限與真空電弧重熔鋼相同，該彈簧鋼可制造高強(qiáng)度閥門彈簧。具體步驟是：在 1 臺(tái)超高功率堿性電弧爐中熔化鋼水，接著吹氧后向鋼水中加入 FeSi 或 At 進(jìn)行預(yù)脫氧處理，得到高堿度還原渣。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，采用磁粉或渦流和超聲波探傷儀在線檢 查鋼材表面、內(nèi)部缺陷。 對(duì)采用圓形截面的鋼絲制成的彈簧而言，其強(qiáng)度與剛度分別與鋼絲直徑的 3 次方和 4次方成正比，故鋼絲截面的微小變化都會(huì)對(duì)其強(qiáng)度產(chǎn)生很大影響，扁鋼的厚度和寬度也有相似的影響。 良好的內(nèi)在質(zhì)量是由冶金過(guò)程決定的。通常所說(shuō)的彈黃鋼 [10]是指碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼（ 2020 年中國(guó)合 金彈簧鋼產(chǎn)量 160 萬(wàn) t[11]）。他們進(jìn)行了一系列有利于產(chǎn)品質(zhì)量提高的改造投資。目前，為了解決軸承鋼連鑄坯的質(zhì)量問(wèn)題，正在積極地開(kāi)展著如下工作：除強(qiáng)化冶煉技術(shù)、降低鋼中的氧含量和有害雜質(zhì)外，在連鑄過(guò)程還采用中間包加熱、電磁攪拌、結(jié)晶器液位控制、強(qiáng)化二次冷卻和液相穴壓下技術(shù)，采用浸入式水口加保護(hù)渣的保護(hù)澆鑄技術(shù)，增大連鑄 坯斷面達(dá)到大的壓縮比熱軋軸承鋼材等。鋼中氧含量愈低，軸承鋼壽命愈高。 5）中碳軸承鋼。但由于強(qiáng)度、硬度不高，只適用于制造低負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速軸承。這類鋼經(jīng)過(guò)滲碳、淬火、回火等熱處理工序后，表面具有很高的硬度和一定的耐磨性以及較高的抗接觸疲勞強(qiáng)度，且其心部都具有良好的韌性、一定的強(qiáng)度和硬度。我國(guó)特鋼企業(yè) 2020 年軸承鋼產(chǎn)量為 245 萬(wàn) t。國(guó)外有的廠可以用連鑄生 產(chǎn)高速鋼，但僅限于通用型鋼種和小斷面材。為了使高速鋼碳化物破碎更有效，控制變形量和變形溫度，通常用快鍛機(jī)與精鍛機(jī)聯(lián)合生產(chǎn)高質(zhì)量要求的大斷面材。 生產(chǎn)工藝 一般要求的通用型高速鋼工藝流程為： 電爐 — 模鑄（下注） — 退火或熱送開(kāi)坯鍛造或初軋 — 退火 — 修磨 — 開(kāi)二次坯或加工成材 — 成品退火 — 精整 — 包裝 — 出廠。只有通過(guò)塑性 變形使其細(xì)化。 鑄態(tài)的高速鋼為萊氏體鋼。也可以用于制作冷作模具，還可制作高溫軸承、高溫彈簧。合金工具鋼的質(zhì)量和性能不僅受到成分、冶煉和加工等的影響，還與熱處理密切相關(guān)。 鍛造使鑄態(tài)組織中的孔洞焊合，改善鋼的致密性，隨著鍛比加大，鍛件的縱向和橫向機(jī)械性能明顯提高。 生產(chǎn)工藝 合金工具鋼的冶煉水平是保證鋼的化學(xué)成分和基本性能的先決條件，尤其是對(duì)保證鋼的等向性、純潔度和碳化物均勻性起到關(guān)鍵作用。各個(gè)合金元素在合工鋼中的作用，以及彼此作用大小的順序如下 [2]，提高耐磨性： V、 W、 Mo、 Cr、 Mn；提高淬透性： Mn、 Mo、Cr、 Si、 Ni、 V（固溶于奧氏體后） ；減小淬火變形：與 Cr 同時(shí)存在的 Mo、 Cr、 Mn；細(xì)化晶粒、提高韌性： V、 W、 Mo、 Cr；增大熱硬性： W、 Mo、 Co（和 W 或 Mo 同時(shí)存在）。按加工方法分為壓力加工用鋼和切削加工用鋼。組織的超細(xì)化也可以提高強(qiáng)度、改善韌性。 晶粒度 細(xì)小均勻的奧氏體晶粒度對(duì)穩(wěn)定鋼材的淬透性、減少齒輪熱處理后變形量、提高滲碳鋼的脆斷抗力十分有利。淬透性對(duì)鋼的組織性能影響很大，淬透性高的鋼其力學(xué)性能沿截面均勻分布，即表面與心部力學(xué)性能差距小或一致。為了減小熱處理變形－降低齒輪變形的分散度和減小變形量，要求不同批次熱處理的齒輪都具有同等程度的淬透性，并在熱處理過(guò)程中保證各部位得到同等程度的淬火。 齒輪傳動(dòng)裝置按密封形式可分為開(kāi)式、半開(kāi)式及閉式 3 種；按使用工況可分為低速、高速及輕載、中載、重載；按齒輪齒面硬度的不同，又分為硬齒面齒輪（齒面硬度 HRC＞55，如經(jīng)整體或滲碳淬火、表面淬火或氮化處理）、中硬齒面齒輪（齒面硬度 55＞ HRC＞38， HB＞ 350， 如齒輪經(jīng)過(guò)整體淬火或表面淬火）、軟齒面齒輪（齒面硬度 HB＜ 350，如經(jīng)調(diào)質(zhì)、?；凝X輪）。 5）表面質(zhì)量符合 GB/T30771999《合金結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。按年產(chǎn)汽車 600 萬(wàn)輛，其中轎車 300 萬(wàn)輛、客車 140萬(wàn)輛、載重車 160 萬(wàn)輛，每輛轎車、載重車、客車用齒輪鋼量為 3 100、 180 kg 估算，年新產(chǎn)汽車用齒輪鋼量約 萬(wàn) t， 2020 年約達(dá)到 90～ 100 萬(wàn) t。 目前對(duì)于工業(yè)化商業(yè)性生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，合金結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)水平： [O]≤1510 [S]≤1010 [N]≤2010 [P]＜ 2010 6。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。 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]。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。一般具有高的強(qiáng)度、好的韌性和良好的加工性。等離子弧也是一種電弧，不過(guò)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。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。 真空冶金（ Vacuum Metallurgy）區(qū)別于大氣下的冶金過(guò)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。 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(zhǎng)避短的目的。近年來(lái)，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。因其性能特殊，決定了它在國(guó)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(lái)實(shí)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。同時(shí)人們也一直認(rèn)為轉(zhuǎn)爐就主要是用來(lái)煉普通鋼。在此特指兩種類型：一種是將熔煉和成錠的整個(gè)過(guò)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。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。等離子弧熔煉經(jīng)過(guò) 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）。合金結(jié)構(gòu)鋼約含 5％以下的合金元素和 ％以下的碳。 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?？梢?jiàn)，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。它們的相應(yīng)作用是通過(guò)鋼的顯微組織結(jié)構(gòu)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此顯微組織結(jié)構(gòu)決定了鋼的性能。日本生產(chǎn)清潔鋼的工藝流程如圖 1 所示 [4]。齒輪鋼代表鋼號(hào)： 20CrMnTiH、 20CrMoH、 SCM822H（日本牌號(hào) CrMo 系列鋼種）、 20Cr、 40Cr 、 28MnCr5（德國(guó)牌號(hào) MnCr 系列鋼種）、 SAE8620H（美國(guó)牌號(hào) CrNiMo 系列鋼種）。 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。 齒輪傳動(dòng)的失效形式主要為齒面的疲勞點(diǎn)蝕、膠合、磨損、塑性變形和輪齒的疲勞斷裂以及沖擊折斷等。為此，鋼材冶煉時(shí)必須抑制淬透性的變化，滲碳淬火時(shí)必須控制奧氏體晶粒度。鋼材淬透性穩(wěn)定與否對(duì)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。有人研 究，當(dāng)晶粒度＜ 5 級(jí)時(shí)，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。齒輪鋼的生產(chǎn)工藝就是圍繞著上述內(nèi)容展開(kāi)的。按用途分為量具刃具用鋼（ 9SiCr 等 6 個(gè)鋼號(hào)）、耐沖擊工具用鋼（ 4CrW2Si等 3個(gè)鋼號(hào)）、冷作模具鋼（ Cr1 Cr12Mo1V1等 10個(gè)鋼號(hào)）、熱作模具鋼（ 5CrMnMo、4Cr5MnSiV 等 12 個(gè)鋼號(hào)）、無(wú)磁模具鋼（ 7Mn15Cr2AI3C2WMo）、塑料模具鋼（ 3Cr2Mo）。 除合金元素外，鋼的凝固條件也是很重要的，因?yàn)殇撘耗虝r(shí)產(chǎn)生結(jié)晶偏析，同時(shí)形成碳化物網(wǎng)，這類碳化物的存在對(duì)鋼的韌性不利，而且會(huì)降低耐磨性。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(duì)于更高要求的鋼種，則采用電渣或真空電弧重熔工藝。另一方面，鍛造將偏析沿流動(dòng)方向延伸形成帶狀組織，對(duì)韌性不利，當(dāng)鍛比超過(guò)一定數(shù)值后，橫向機(jī)械性能（與金屬流動(dòng)方向垂直的方向）急劇下降，導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)各向異性。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(duì)于充分發(fā)揮材料的潛能是不可缺少的。 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。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。變形程度愈大，碳化物共晶體愈細(xì)化，分布愈均勻。 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(kāi)坯 — 退火 — 修磨 — 退火 — 精整檢查— 包裝 — 入庫(kù)。中小型材和鋼絲生產(chǎn)已普遍采用高精度無(wú)扭連軋機(jī)。世界先進(jìn)的高速鋼生產(chǎn)工藝流程如下。 性能 當(dāng)前世界各國(guó)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。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。 4）高溫軸承鋼。中碳軸承鋼是中碳合金鋼，我國(guó)目前主要有： 5 50MnA、 70Mn、 5CrMnMo、60CrMnMoA、 55SiMoVA、 50SiMo，后兩個(gè)鋼號(hào)是我國(guó)開(kāi)發(fā)的抗沖擊軸承鋼。上述 4 種夾雜物中后三者都是由氧化物所構(gòu)成，三者對(duì)軸承壽命的有害影響已為大量事實(shí)所證明，鋼中的氧含量幾乎全部（除溶解氧外）由它們提供。 在軸承鋼棒材軋制生產(chǎn)中，對(duì)坯料進(jìn)行表面探傷，修磨，實(shí)現(xiàn)精坯軋制已達(dá)成共識(shí)，并且要嚴(yán)格遵守加熱工藝制度以控制脫碳程度。 我國(guó)某著名特殊鋼廠軸承鋼棒材 4 條生產(chǎn)線工藝流程： 1）電爐－ VHD 精煉爐－模鑄（ 680 kg 錠）－鋼錠修磨（需要時(shí)）－ Φ650 軋機(jī)－酸洗、拋丸、檢查－修磨－需要時(shí)退火－包裝－入庫(kù)。碳素彈簧鋼的碳含量一般在 %～ %。首先應(yīng)保證準(zhǔn)確的化學(xué)成分，這樣才能在加工和熱處理后得到確保性能的顯微組織，良好穩(wěn)定的淬透性以及各種性能。因此，彈簧鋼的尺寸公差和精度是保證成品使用性能和壽命的重要因素。對(duì)標(biāo)識(shí)有缺陷的產(chǎn)品進(jìn)行清理或剔除。然后將鋼水倒 入鋼包中，并將 RH 循環(huán)脫氣設(shè)備 “ 兩腿 ” 插入鋼液中，汲取鋼水進(jìn)入脫氣設(shè)備的真空室中。 隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，特別是汽