特殊鋼一般是指具有特殊性能或特殊用途的鋼種

1、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 的強度和韌性、物理性能、化學性能、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，就需要采用特殊的工藝裝備技術來實現(xiàn)特殊的化學成分、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)質碳素鋼、合金鋼、高合金鋼三大類， 通常展開為優(yōu)質碳素結構鋼、合金結構鋼、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

2、這兩種合金納入特殊鋼的行列之中統(tǒng)計1。在特殊鋼領域，除優(yōu)質碳素結構鋼、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個牌號、約 50000 個品種規(guī)格、數(shù)百個檢驗標準。隨著科學技術的發(fā)展，對特殊鋼產(chǎn)量及品種的需要日益擴大，對質量的要 求也越來越嚴格、苛刻。近年來，圍繞提高特殊鋼性能、質量、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、新工藝、新裝備， 使得特殊鋼的潔凈度、均勻度、組織細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xx軋制。2）轉爐流

3、程（長流程）：高爐鐵水預處理 轉爐二次精煉 xx軋制。 3）特種冶金：特種冶煉（如真空感應熔煉、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 鋼的特點和特殊鋼本身的性質所決定的：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行加熱的，其溫度遠遠超過 2 000C，且鋼水溫度 可

4、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。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到了揚長避短的目的。同時人們也一直認為轉爐就主要是 用來煉普通鋼。但是， 1）轉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）爐外精煉技術的進步使轉爐冶煉特殊鋼的能力增強。隨著社會廢鋼資源的積累，直接還原技術的開發(fā)，電力工業(yè)的發(fā)展，電弧 爐煉鋼技術（大容積電爐、超高功率電爐等）和爐外精煉技術的飛速發(fā)展，

5、特 別是電爐出鋼時間的縮短，能與連鑄時間良好的匹配，使多爐連澆得以實現(xiàn)， 電爐鋼廠越來越多地生產(chǎn)普通鋼，而轉爐鋼廠越來越多地煉特殊鋼。電爐煉 鋼、轉爐煉鋼兩種方法，無論是煉特殊鋼還是煉普通鋼，從質量上和經(jīng)濟上越 來越接近。由于宇航、導彈、火箭、原子能、海洋電子等工業(yè)的發(fā)展，對所需要的金 屬或合金質量、性能、可靠性、穩(wěn)定性等的要求越來越高，電弧爐，轉爐冶煉 的鋼質量很難滿足這些要求，所以必須使用特種冶金技術。特種冶金包括：真空感應熔煉、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

6、坩堝感應熔煉等方法來制備；高 溫合金、精密合金以及某些對質量要求很高的合金鋼用真空感應熔煉、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、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過程在真空下進行，如真空感應熔煉（ 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行的物理化學反應條件發(fā)生了

7、變化，體現(xiàn) 在氣相壓力的降低上。只要冶金反應有氣相參加，當反應生成物中氣體摩爾數(shù) 大于反應物中氣體摩爾數(shù)時，只要減少系統(tǒng)的壓力，則可使平衡反應向著增加 氣態(tài)物質的方向移動，這就是真空冶金物理化學反應的基本特點。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。 在真空熔煉中，就可以避免這些氣體的來源。這些氣體對于鋼和金屬的性能都 有相當嚴重的危害。不僅如此，在真空感應熔煉過程中，原來存在于原料中的 或者已經(jīng)進入鋼水中的氣體，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

8、許多是有害的，如鉛（卩6、錫（Sn）W（ As）W（ Sb）（ 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。有害元素的揮發(fā)能提高 合金的性能，有用元素的揮發(fā)則應采取相應措施加以防止。其次，在真空條件 下，碳具有很強的脫氧能力，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、電渣轉鑄、電渣熱風頂、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

9、。就目前生產(chǎn)應用而 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 （2003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，其特點是能量更集 中，溫度高，流速快，弧的電壓和電流又相當穩(wěn)定。等離子弧熔煉經(jīng)過40 余年的發(fā)展（ 1962 年創(chuàng)始），在爐型結構，冶金特點等方面，大致可分為四大類：等離子電弧爐（PAF ；等離子感應爐（PIF；等離子電弧重熔（PAR; 等離子電子束重熔（ PEB）?？傊胤N冶金之真空冶金、電渣冶金、等離子熔煉技術，在難熔金屬、活 潑金

10、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)。試驗結果表明，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。二次精煉技術的發(fā)展，使 得特種冶金產(chǎn)品失去一部分市場。下面重點介紹合金結構鋼、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。1 合金結構鋼生產(chǎn)工藝技術1.1 前言

11、結構鋼包括碳素結構鋼和合金結構鋼，用于制造金屬結構及機器設備。一 般具有高的強度、好的韌性和良好的加工性。合金結構鋼約含5以下的合金元素和 0.6以下的碳。近 30 年來，高強度低合金鋼（HSLA或微合金化鋼）性能和產(chǎn)量得到了很大的發(fā)展，代替結構鋼用 于焊接、鉚接和螺栓結構上，還用來做調質和非調質機器零件。美國將高強度低合金鋼列入合金結構 鋼。合金結構鋼是合金鋼總產(chǎn)量最高、牌號最多的鋼類，中國標準為GB/T30771999。根據(jù)其熱處理工藝特點和使用性能，將合金結構鋼分成 3： 調質鋼、低溫回火鋼、非調質鋼、滲碳鋼、氮化鋼、易切 鋼、超高強度鋼、彈簧鋼和軸承鋼。由于后兩者具有各自的獨特的性能，

12、 通常作為獨立鋼類，而將前 7類鋼稱為合金結構鋼。近年來，用以制造齒輪的結構鋼被特殊冠名為齒輪 鋼（特別是合金結構鋼，如 Cr-Mo系列、Mn-Cr系列、Cr-Ni-Mo系列等鋼 種），常在鋼種統(tǒng)計中并列出現(xiàn)合金結構鋼、齒輪鋼。按化學成分特點分類， 合金結構鋼包括：錳鋼、鉻鉬鋼、錳鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻錳硅鋼等。目前世界較認同的分法是按碳含量多少將合金結構鋼分成三大類：1）碳含量v 0.20%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 0.15%0.25%，含合金元素在5%以下的表面硬化滲碳鋼；3）碳含量0.20%經(jīng)淬火回火處理的調質鋼。1.2性能力學性能包括強度、塑性和韌性等。

13、其中強度是第一位的，是工件設計和 選材的主要依據(jù)，可以通過工作應力下的允許殘留塑性變形量而計算確定。而 塑性和韌性目前仍處于經(jīng)驗確定階段。提高強度的主要方法有：位錯強化、固溶強化、沉淀強化、細晶粒強化、馬氏體強化和馬氏體時效強化。但是隨著強度的提高，一般要影響鋼的脆性破壞傾向。晶界強化和 沉淀強化相結合的強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）相結合的 方法。表 1 所示為淬火和回火合金結構鋼等強度下的塑韌性變化 3。可見，隨著 強度的增加，鋼的塑、韌性降低，且表現(xiàn)較大波動性。這種波動性的產(chǎn)生是多因素作用的結果，除 了鋼的成分因素外，冶金質量的變化是重要原因，它

14、反映在鋼的純度、組織結構、晶粒度和內(nèi)應力等方 面的變化上。強度和塑韌性是一對矛盾。對結構鋼而言，材料科學和工程的主要任務之 一就是不斷解決這對矛盾。結構鋼屬亞共析鋼范疇，其中碳含量大多數(shù)在0.5%以下，而建筑結構用鋼多在 0.2%以下，機器設備等用鋼多在0.2%0.5%之間。碳是決定強度的最主要而又最經(jīng)濟的元素, 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，調節(jié)強度 塑性、韌性配合，滿足某些特殊性能要求，改善工藝性 能。它們的相應作用是通過鋼的顯微組織結構的變化來實現(xiàn)的，因此顯微組織結構決定了鋼的性能。熱 處理是引

15、起鋼顯微組織變化的核心，實際上決定了成分、組織和性能三者之間的關系。1.3 生產(chǎn)工藝 合金結構鋼質量是隨著機械制造業(yè)對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，鋼材的質量性能高級化、高純潔度、超細組織、高精度是當前的主要發(fā)展 趨勢。性能高級化是指鋼材的化學成分波動小，通過微調成分，使材料的使用性 能均勻，強韌性配合適宜，保證由其制作的部件使用性能可靠。對合金結構鋼而言，高純潔度主要是指鋼中的氧、硫、磷、氫、氮等含量< 100 X-602 °（H < 1 X 106、O < 15 X 106、S < 10 X 106、N （ 1530） X 10

16、-6、Pv 10 X 10-），從而使一系7 / 14列高強和超高強材料的塑韌性問題得到解決。組織的超細化可以提高強 度、改善韌性。目前對于工業(yè)化商業(yè)性生產(chǎn)來說，合金結構鋼的生產(chǎn)水平：O < 15 x- 106、S < 10 x 106、N < 20 x 106、Pv 20 x 10-6日本生產(chǎn)清潔鋼的工藝流程如圖1所示4。電爐短流程 合金結構鋼長型材生產(chǎn)工藝流程汽車齒輪是汽車的重要零部件之一，起著傳遞動力的作用。當下人們對汽 車高速、安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保等性能要求的日趨嚴格，傳動系統(tǒng)向小型 化、輕量化、高功率化的趨勢發(fā)展，要求提高齒輪壽命、傳動精度和降低齒輪 成本。因此，

17、使得汽車齒輪承受的負荷越來越大，對汽車齒輪鋼質量的要求也 越來越高。隨著社會汽車保有量及生產(chǎn)量的不斷擴大，汽車齒輪鋼用量也在增加。中 國汽車保有量 2010 年約達到9001 000萬輛。按年產(chǎn)汽車600萬輛，其中轎車300萬輛、客車140 萬輛、載重車 160 萬輛，每輛轎車、載重車、客車用齒輪鋼量為38、100、180 kg估算，年新產(chǎn)汽車用齒輪鋼量約 54.2萬t, 2010年約達到 90 100 萬 t 。齒輪鋼代表鋼號： 20CrMnTiH、 20CrMoH、 SCM822H （日本牌號Cr-Mo系列鋼種）、20Cr、40Cr、28MnCr5 （德國牌號Mn-Cr系列鋼 種）、SAE

18、8620H（美國牌號Cr-Ni-Mo系列鋼種）。標準執(zhí)行 GB/T3077-1999、GB/T5216-85。我國車輛齒輪用鋼采購技術標準已出臺。齒輪鋼材貿(mào)易與質量監(jiān)控協(xié)作網(wǎng) 對齒輪鋼材采購技術標準（協(xié)議）提出下列必須滿足的 6項條件： 1）末端淬透性：淬透性帶寬（上限減下限）不能超過 7HRC。2）氧含量w 0.003 %。3）非金屬夾雜物：A類細系、粗系w 2.!級；B類細系、粗系w 2.5級；C類細系、粗系w 2.0級；D類細系、粗系w 2.5級。4）奧氏體晶粒度細于或等于5級5）表面質量符合 GB/T3077-1999合金結構鋼的規(guī)定。6）尺寸符合GB/T702-1986熱軋圓鋼和方鋼

19、尺 寸、外型、重量及允許偏差的規(guī)定。2.2齒輪鋼質量水平主要指標汽車齒輪鋼屬結構鋼，其中以合金結構鋼為主，滲碳齒輪鋼比例在不斷擴 大，盡管開發(fā)和引進了各種類型的齒輪鋼，但20CrM nTiH仍被廣泛應用。有些機器零件如汽車齒輪，工作時受到周期性變載荷（扭轉或彎曲力）及 沖擊載荷的作用，且零件與零件表面之間還有相對的摩擦，并有高的接觸應力。這些零件對材料的 機械性能要求： 1 ）材料具有高的屈服強度和高的彎曲疲勞性能；2）材料表面具有高的接觸疲勞強度和高的耐磨性。含碳量為 0.4及以上的結構鋼不能滿足要求，因其經(jīng)熱處理后盡管硬度很 高，但韌性太低，達不到內(nèi)韌外硬的要求，故用低碳結構鋼進行滲碳，使

20、零件從表面到中心具有從 高碳（0.8%1.1% ）至必氐碳（0.10%0.25%）連續(xù)過渡的化學成分。使零件表面層具有高強度、高耐磨 性，零件心部具有適當?shù)膹姸群洼^好的韌性，使零件滿足其在機械性能上的要求。對于一般零件，滲碳 層的含碳量限制為 0.8%1.1%；滲碳層的深度控制在0.62.0 mm之內(nèi)。齒輪傳動裝置按密封形式可分為開式、半開式及閉式 3 種；按使用工況可 分為氐速、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HRO55，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> HRO 38, HB> 350,如 齒輪經(jīng)過整

21、體淬火或表面淬火）、軟齒面齒輪（齒面硬度 HBV350,如經(jīng)調質、常化的齒輪）。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。特別是隨著汽車高功率化和輕量化的進展,提高齒輪鋼強度的要求越 來越迫切。由于齒輪齒根承受循環(huán)彎曲應力、齒面承受接觸應力、同時齒輪還承受沖擊載荷。因此,要求 齒輪鋼具有高的彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度、良好的耐磨性，而且還必須具有充分的韌性。目前，汽車齒輪大都進行滲碳淬火處理。齒輪在進行滲碳淬火熱處理時，其熱應力和組織 應力使齒輪產(chǎn)生變形。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。為了減小熱處理變形降低齒輪變形

22、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，并在熱處理過程中保證各部位得 到同等程度的淬火。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。國際上通常認為：衡量齒輪鋼質量水平的主要指標有 3 項6，即窄的淬透性帶；高的純潔 度；細小的晶粒度。這三項主要指標按質量水平分了兩個層次，即高水平和次高水 平：高質量水平：淬透性帶< 4 HR；純潔度0 < 15X-60晶粒度6級。次高質量水平：淬透性帶W 6 HRC純潔度0 < 20X10晶粒度級。通過大量工作，特別是經(jīng)過近15 a來的努力，國產(chǎn)齒輪鋼質量水平有了較大提高，已經(jīng)超過了

23、“次高質量水平 ”，接近了 “高質量水平 ”，但淬透性指標尚需進一步穩(wěn)定提高。我國某著名特殊鋼廠齒輪鋼實物質量水平達到：晶粒度6級、淬透性帶< 6 HRQ淬透性帶W 5 HR產(chǎn)品比例較高）、純潔度0 < 20 X10-6 （均值0 < 15.6 >6）10b2.2.1 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。 淬透性對鋼的組織性能影響很大，淬透性高的鋼其力學性能沿截面均勻分布，即表面與心部力學 性能差距小或一致。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。影響淬透性的主要因素是鋼的化學成分7，如果將化學成分穩(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?？赏ㄟ^鋼的化學成分對淬透性影 響的回歸分析，制定化學成分控制目標值，進而實現(xiàn)淬透性窄帶控制。2.2.2純潔度齒輪鋼高純潔度主要是指鋼中的氧、硫、磷、氫而言，但更重 視鋼中的氧含量，因為鋼中氧含量的降低，氧化物夾雜也隨之減少。有人做過滲碳鉻鉬鋼氧含 量對齒輪疲勞壽命影響的試驗，當氧含量從25X ）0-6降低到11X10-6時，其接觸疲勞強度可提高4倍。目前齒輪鋼中的氧含量一般控制在 20X 10-以下，大部分在15 X 10-以下，這樣可有