【正文】 車工業(yè)的發(fā)展，彈簧的發(fā)展趨勢是輕量化、大型化。 性能 1）奧氏體不銹鋼。 圖 5 CrNi 系奧氏體不銹鋼的發(fā)展過程 2）鐵素體不銹鋼。美、日鋼種牌號為 400 系列。 5）沉淀硬化不銹鋼，成分與奧氏體型近似，只是含 Ni 量較低和添加了少量 Al、 Ti、Cu 等元素。冷軋板帶主要采用 4 輥冷軋機(jī)、多輥冷軋機(jī)（如 ZR20 森吉米爾軋機(jī)）、冷連軋機(jī)等。 Ni 在不銹鋼中的主要作用在于它改變了鋼的晶體結(jié)構(gòu)。 超級不銹鋼 根據(jù)不銹鋼材料的顯微組織特點(diǎn)，超級不銹鋼分為超級鐵素體不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、超級馬氏體不銹鋼和超級雙相不銹鋼等幾個類型。 4）超級馬氏體不銹鋼。如新型醫(yī)用無 Ni 奧氏體不銹鋼材料主要為 CrNi 奧氏體不銹鋼（如 316L 等），具有很好的生物相容性，含有 13%～ 15%的 Ni。這種含 Cu 抗菌不銹鋼適合應(yīng)用于高級廚房用具等系列產(chǎn)品以及其他要求高加工性和抗菌性等的產(chǎn)品。在不銹鋼冶煉過程中 ，內(nèi)生夾雜物是在脫氧、合金化和鋼液結(jié) 晶時產(chǎn)生的。 高潔凈化不銹鋼 目前國內(nèi)不銹鋼廠由于夾雜物導(dǎo)致的產(chǎn)品報廢率高達(dá) 20%以上。 1980 年以來，以日本為代表的發(fā)達(dá)國家在家用電器、食品包裝、日用品、洗浴設(shè)備等方面開始研究應(yīng)用抗菌材料。 5）功能性不銹鋼。 3）超級雙相不銹鋼。例如在 201 型不銹鋼中，只含有 %的 Ni，同時含有%Mn、 %的 N，這也是 200 系列不銹鋼的形成原理。 Ni 資源短缺及昂貴， NiCr系不銹鋼價 格隨 Ni價變化而變化。不銹鋼連鑄，采用了泡沫陶瓷過濾器技術(shù)（用于中間包堰壩上）、中間包加熱技術(shù)、無氧化澆注技術(shù)、結(jié)晶器液面高度自動控制技術(shù)、電磁攪拌技術(shù)（結(jié)晶器內(nèi)電磁攪拌 M－ EMS、二次區(qū)電磁攪拌 S－ EMS，凝固未端電磁攪拌 F－ EMS）等以及薄板坯連鑄技術(shù)。如果僅添加一半數(shù)量的 Ni，就會形成 50%的鐵素體和 50%的奧氏體，這種結(jié)構(gòu)被稱為雙相不銹鋼。 圖 6 鐵素體不銹鋼的發(fā)展過程 3）馬氏體不銹鋼，向 FeCr 合金中加入 C 以擴(kuò)大 γ 區(qū)，像碳素鋼一樣使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，其 Cr 含量 13%～ 18％、 C 含量 %～ 1％。奧氏體不銹鋼還包括節(jié)鎳型 200系列鋼種。 2020 年世界不銹鋼產(chǎn)量 2 840 萬 t，中國不銹鋼產(chǎn)量躍居世界第一，已達(dá)到 530 萬 t，其中 300 系 萬 t， 400 系 萬 t， 200 系 萬 t。 2） ULTiN（超低氮化鈦）鋼處理工藝 [4]：首先選擇原材料，以得到 Ti 含量（ 30～ 50）10 6的鋼水，然后進(jìn)行脫氣操作，降低氮含量到（ 40～ 60） 10 6。 RH 真空脫氣法、 LFRH、 ASEASKF 和 VAD 真空脫氣加熱法是大家較熟悉的處理方法，僅介紹 ULO、 ULO+ULTiN 精煉法： 1） ULO（超低氧）鋼處理工藝 [4]，是日本大同特殊鋼在 RH 基礎(chǔ)上，為更有效地降低鋼中夾雜物數(shù)量而采取的手段。使用無扭高剛度連軋機(jī)進(jìn)行熱機(jī)軋制（控軋控冷），獲得高的尺寸精度、表面質(zhì)量和滿意的內(nèi)部組織。彈簧制品表面，除噴丸強(qiáng)化外，保留了鋼材供貨狀態(tài)的表面，因此鋼材的表面狀 態(tài)對彈簧的工作性能和壽命具有很大影響。通常通過固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化來提高彈簧鋼彈減抗力，彈簧鋼中常用的合金元素 Si、 V、 Ni、 B 可提高其彈減抗力。當(dāng)前用于制造彈簧的鋼材包括碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、不銹、耐熱鋼以及合金工具鋼和高速工具鋼等鋼種。 OVaK0 鋼廠也認(rèn)為連鑄軸承鋼已不是技術(shù)問題，但是他們主要考慮了經(jīng)濟(jì)問題，因產(chǎn)品規(guī)格的覆蓋面使其投資成本與產(chǎn)量規(guī)模不相匹配。盡管如此，目前，軸承鋼的連鑄工藝已被世界眾多特殊鋼廠所采用，而且除部分滾動體用軸承鋼外，絕大多數(shù)軸承鋼采用連鑄生產(chǎn)。 鋼中夾雜物分為 A（硫化物）、 B（氧化物）、 C（硅酸鹽）、 D（點(diǎn)狀不變形夾雜） 4種類型，不同類型的夾雜物對軸承壽 命影響也不同，夾雜物的尺寸和在鋼中的位置對軸承壽命也有不同的影響。所以，只能用高溫軸承鋼而不能用高碳鉻軸承鋼，如飛機(jī)用渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的功率越來越大，壓縮機(jī)和渦輪機(jī)的主軸軸承要求耐高溫，其工作溫度一般為 55～ 260 ℃ ，高者可達(dá) 370 ℃ ，在這種工作條件下，只能采用高溫軸承鋼。 1Cr18Ni9Ti 等奧氏體不銹鋼，經(jīng)熱處理后可以得到單一的奧氏體組織，具有良好的韌性和很好的抗腐蝕能力。滲碳軸承鋼實(shí)質(zhì)上是優(yōu)質(zhì)滲碳結(jié)構(gòu)鋼，目前我國標(biāo)準(zhǔn)中采用 6個牌號， G20CrMo、G20CrNiMo、 G20Cr2Ni G20CrNi2Mo、 G10CrNi3Mo、 G20Cr2Mn2Mo。為保證這些性能要求，軸承鋼的冶金質(zhì)量必須保證其嚴(yán)格的化學(xué)成分及化學(xué)成分均勻性，特別高的純凈度，極低的氧含量和殘余元素含量，嚴(yán)格的低倍組織和高倍組織，嚴(yán)格的碳化物均勻性，嚴(yán)格的表面脫碳層和內(nèi)部疏松、偏析、顯微孔隙等，不允許存在裂紋、夾渣、毛刺、折迭、結(jié)疤、氧化皮、縮孔、氣泡、白點(diǎn)和過燒等表面和內(nèi)部缺陷。爐外精煉裝備逐步用于高速鋼生產(chǎn)，主要用 LF（ V），也有 SKF 鋼包爐。電渣重熔對于大斷面高速鋼材不僅能改善鋼的純潔度，更重要的是保證大鋼錠有較快的凝固速度，避免共晶碳化物粗化，使得大斷面成材時，既能保證足夠的鍛壓比，又能保證內(nèi)部冶金質(zhì)量，有的國家習(xí)慣于 Φ100 mm 以上用電渣重熔，有的則定為 Φ150 mm 以上。 總之，高速鋼含碳量高和含有大量的顆粒度不同、成分不同的合金碳化物，正是由于這些碳化物對高速鋼的性能起了重要作用，但同時也給高速鋼的生產(chǎn)帶來了相當(dāng)大的難度。萊氏體中的共晶碳化物，在 1 300 ℃ 高溫下也難溶于奧氏體中，因此無法通過熱處理來改變其形態(tài)。但在切削條件下，由于刀具反復(fù)受熱和冷卻，情況比較復(fù)雜，目前只是近似地用人為規(guī)定的指標(biāo)來表示紅硬性。 高速鋼主要用于制造切削速度高、耐磨性好、且要在高溫下能保持其切削性能的工具，如銑刀、刨刀、滾刀、拉刀、絲錐、鉸刀等。撫順特殊鋼有限公司成功地引進(jìn)了 1 套 WF5－ 40 機(jī)組，已于 1995 年試車投產(chǎn)。如奧地利伯樂鋼廠對 H13 進(jìn)行試驗(yàn)，對 4～ 6 t 鋼錠加熱到 1 280～1 300℃ ，保溫 24～ 30 h 退火后快冷到 800 ℃ ，然后轉(zhuǎn)入保溫爐使其完成相變，再升溫進(jìn)行鍛造加熱，經(jīng)均勻化后 Mo 在鋼中的偏析度可以從 下降到 ，可使橫向性能與縱向性能比較接近，在提高橫向性能（即提高等向性）的同時，還可以減少熱處理變形，提高熱作模具鋼的抗冷熱疲勞性能，從而使模具壽命得到提高。將鋼中的氧含量降低，也可以 顯著改善鋼的韌性，國外有的特殊鋼廠已將模具鋼的氧含量規(guī)定為 ≤1510 6。鋼中加入鉻、鉬、鎢、釩等合金元素，就可以改善和提高上述性能。 我國合金工具鋼牌號較多， GB129985 標(biāo)準(zhǔn)中包括 33 個。對齒輪鋼而言，高純潔度主要是指鋼中的氧含量[O]≤1510 6，從而使一系列齒輪鋼材料的塑韌性問題得到解決。今后滲碳鋼對氧含量的限制并不遜于軸承鋼，齒輪鋼脫氣精煉將成為必然。 淬透性 是指鋼在一定奧氏體化條件下淬成全部或部分馬氏體的 能力。齒輪的滲碳淬火變形可以從變形的分散度和變形量兩方面來考慮。對于一般零件，滲碳層的含碳量限制為 %～ %；滲碳層的深度控制在 ～ mm之內(nèi)。 4）奧氏體晶粒度細(xì)于或等于 5 級。中國汽車保有量 2020 年約達(dá)到 900～ 1 000 萬輛。組織的超細(xì)化可以提高強(qiáng)度、改善韌性。碳是決定強(qiáng)度的最主要而又最經(jīng)濟(jì)的元素，只是伴有對鋼塑韌性的不利影響以及對焊接性等的嚴(yán)重不利作用，其用量受到綜合性能要求的制約。晶界強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化相結(jié)合的強(qiáng)化方法對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。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。 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。 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。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。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)。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、電價昂貴），爐容小，易增碳、吸氮等。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對特殊鋼產(chǎn)量及品種的需要日益擴(kuò)大，對質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)格、苛刻。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。 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。 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。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)。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。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。 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。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。 性能 力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性和韌性等。這種波動性的產(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。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。電爐短流程合金結(jié)構(gòu)鋼長型材生產(chǎn)工藝流程如圖 2 所示 [2， 45]。中國標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T3077199 GB/T521685。 齒輪鋼質(zhì)量水平主要指標(biāo) 汽車齒輪鋼屬結(jié)構(gòu)鋼，其中以合金結(jié)構(gòu)鋼為主，滲碳齒輪鋼比例在不斷擴(kuò)大，盡管開發(fā)和引進(jìn)了各種類型的齒輪鋼，但 20CrMnTiH 仍被廣泛應(yīng)用。特別是隨著汽車高功率化和輕量化的進(jìn)展，提高齒輪鋼強(qiáng)度的要求越來越迫切。 國際上通常認(rèn)為：衡量齒輪鋼質(zhì)量水平的主要指標(biāo)有 3 項(xiàng) [6]，即窄的淬透性帶；高的純潔度；細(xì)小的晶粒度。影響淬透性的主要因素是鋼的化學(xué)成分 [7]，如果將化學(xué)成分穩(wěn)定控制在一個水平，則得到的淬透性帶也相對穩(wěn)定在一個水平。例如模數(shù)為 4 的滲碳齒輪模擬試樣的試驗(yàn)結(jié)果， 20Cr2Ni4A 鋼的晶粒度由 8 級變?yōu)?5 級時，抗彎強(qiáng)度從 3 000 MPa 降到 2 330 MPa，破斷功從 580 J 降到 460 J。目前主導(dǎo)的齒輪鋼電弧爐生產(chǎn)工藝路線見圖 2。 性能 刃具鋼要求具有高溫硬度、耐磨性、高韌性和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。另外，工具鋼尤其是模具鋼的關(guān)鍵部位或部件大部分是多向受力，因此，提高材料的等向性能，改善橫向的韌性和塑性，可以大幅度提高工模具的使用壽命。 由于合金工具鋼的特殊性，目前鑄鋼仍以模鑄為主，為保證鋼錠質(zhì)量，廣泛采用了保護(hù)氣體澆鑄、真空澆鑄、保護(hù)渣等防止二次氧化技術(shù)。因 而鍛比過小過大都是不合適的。如消除內(nèi)應(yīng)力退火，預(yù)硬化處理，固溶處理，調(diào)質(zhì)處理，球化退火表面處理等。按主要合金元素不同分為鎢系（如 W18Cr4V）、鉬系（如 W2Mo9Cr4VCo8）和鎢鉬系（如 W6Mo5Cr4V3）；按用途分為通用型（ W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2）和超硬型（ W6Mo5Cr4V2 Co8）；按壓力加工成型方法可分為鍛材、軋材、冷拉材；按鋼材外形區(qū)分為棒材、線材、扁鋼、板帶材；按交貨狀態(tài)分黑皮材和銀亮材，在銀亮材中又有剝皮、磨光及拋光之分。這種共晶萊氏體的相組成物是 γ 和 M6C[Fe3W3C～ Fe4W2C， Fe3Mo3C～ Fe4Mo2C，F(xiàn)e3（ W， Mo） 3C～Ｆ e4（ W1Mo）