特殊鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)概述

1、特殊鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)概述 周 建 男 （青島鋼鐵控股集團(tuán)有限公司 總工程師辦公室，山東 青島266043） 摘要：特殊鋼包括優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼、高合金鋼三大類(lèi)，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(chē)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)。 關(guān)鍵詞：特殊鋼；性能；生產(chǎn)工藝 中圖分類(lèi)號(hào)：TF76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-4620（2008）02-0001-07 Brief Introduction to the Production Technology of Special SteelZHOU Jian-nan(The Chief

2、Engineer Office of Qingdao Iron and Steel Holding Group Co., Ltd., Qingdao 266043)Abstract: Special steel includes quality carbon steel, alloy steel and high alloy steel. The article briefs the processing technique of special steel, it mainly focus on the characteristics and processing technology of

3、 alloy structural steel, automobile gear steel, alloy tool steel, high speed tool steel, bearing steel, spring steel and stainless steel.Key words: special steel; characteristics; production technology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(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)

4、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。特殊鋼的定義在國(guó)際上沒(méi)有明確規(guī)定，各國(guó)特殊鋼的統(tǒng)計(jì)分類(lèi)不完全相同。我國(guó)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(lèi)，通常展開(kāi)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)

5、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(lái)越嚴(yán)格、苛刻。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。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(zhǎng)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(kāi)坯軋制或鍛造的

6、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(guò)2 000 ，且鋼水溫度可長(zhǎng)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(wú)比的優(yōu)越性；3）不足是煉鋼周期長(zhǎng)，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

7、用電弧爐煉特殊鋼達(dá)到了揚(yáng)長(zhǎng)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(lái)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(kāi)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(lái)越多地生產(chǎn)普通鋼，而轉(zhuǎn)爐鋼廠越來(lái)越多地?zé)捥厥怃?。電爐煉鋼、轉(zhuǎn)爐煉鋼兩種方法，無(wú)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(lái)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，

8、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(lái)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(lái)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(lái)生產(chǎn)。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

9、焊接和真空鍍膜等。在此特指兩種類(lèi)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。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?gòu)拇髿庵形昭鯕?、氮?dú)夂蛷乃謥?lái)的氫氣。在真空熔煉中，就可以避免這

10、些氣體的來(lái)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(guò)程中，原來(lái)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

11、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(guò)了60余年的不斷發(fā)展（1940年問(wèn)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(guò)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(guò)120萬(wàn)t/a）。等離子弧熔煉是利用等離子弧作為熱源來(lái)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(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。等離子弧熔煉經(jīng)過(guò)

12、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(lèi)：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）?？傊胤N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(lái)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(guò)特種冶煉的產(chǎn)品，使得過(guò)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(lái)生產(chǎn)，例如，過(guò)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(lái)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

13、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(chē)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)1.1 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0.6以下的碳。近30年來(lái)，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(lái)做調(diào)質(zhì)和非調(diào)質(zhì)機(jī)器零件。美國(guó)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、

14、牌號(hào)最多的鋼類(lèi)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T30771999。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(lèi)，而將前7類(lèi)鋼稱(chēng)為合金結(jié)構(gòu)鋼。近年來(lái)，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Cr-Mo系列、Mn-Cr系列、Cr-Ni-Mo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(lèi)，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(lèi)：1）碳含量0.20的HSLA

15、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(diào)質(zhì)鋼。1.2 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(guò)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)

16、構(gòu)鋼等強(qiáng)度下的塑韌性變化3?？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。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b/MPa0.2/MPa/%1（梅氏沖擊試樣）/（J·cm-2）800700750657518024090080085060701201801 0009009505570901501 1001 0001 0505565701201 2001 0501 1505060501101 3001 1001 25045624

17、0901 4001 2001 350456040801 5001 2501 400455830801 6001 3001 500435725801 7001 3501 600435625701 8001 3501 700405520701 9001 4001 700385220662 0001 4001 800355020602 1001 4001 800304520602 2001 4001 80025402050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0.5%以下，而建筑結(jié)構(gòu)用鋼多在0.2%以下，機(jī)器設(shè)

18、備等用鋼多在0.2%0.5%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(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。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。1.3 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

19、是指鋼材的化學(xué)成分波動(dòng)小，通過(guò)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100×10-62。（H1×10-6、O15×10-6、S10×10-6、N（1530）×10-6、P10×10-6），從而使一系列高強(qiáng)和超高強(qiáng)材料的塑韌性問(wèn)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(lái)說(shuō)，合金結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)水平：O15×10-6、S10×10-6、N20×10-6、P20×10-

20、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(jié)構(gòu)鋼長(zhǎng)型材生產(chǎn)工藝流程如圖2所示2，4-5。圖1  現(xiàn)代低雜質(zhì)HSLA鋼的生產(chǎn)工藝流程圖2  電爐短流程合金結(jié)構(gòu)鋼長(zhǎng)型材生產(chǎn)工藝流程2 汽車(chē)齒輪鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)2.1 前言汽車(chē)齒輪是汽車(chē)的重要零部件之一，起著傳遞動(dòng)力的作用。當(dāng)下人們對(duì)汽車(chē)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(dòng)系統(tǒng)向小型化、輕量化、高功率化的趨勢(shì)發(fā)展，要求提高齒輪壽命、傳動(dòng)精度和降低齒輪成本。因此，使得汽車(chē)齒輪承受的負(fù)荷越來(lái)越大，對(duì)汽車(chē)齒輪鋼質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。隨著社會(huì)汽車(chē)保有量及生產(chǎn)量的不斷擴(kuò)大，汽車(chē)齒輪鋼用量也在增加。中國(guó)汽車(chē)保有量

21、2010年約達(dá)到9001 000萬(wàn)輛。按年產(chǎn)汽車(chē)600萬(wàn)輛，其中轎車(chē)300萬(wàn)輛、客車(chē)140萬(wàn)輛、載重車(chē)160萬(wàn)輛，每輛轎車(chē)、載重車(chē)、客車(chē)用齒輪鋼量為38、100、180 kg估算，年新產(chǎn)汽車(chē)用齒輪鋼量約54.2萬(wàn)t，2010年約達(dá)到90100萬(wàn)t。齒輪鋼代表鋼號(hào)： 20CrMnTiH、20CrMoH、SCM822H（日本牌號(hào)Cr-Mo系列鋼種）、20Cr、40Cr 、28MnCr5（德國(guó)牌號(hào)Mn-Cr系列鋼種）、SAE8620H（美國(guó)牌號(hào)Cr-Ni-Mo系列鋼種）。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T3077-1999、GB/T5216-85。我國(guó)車(chē)輛齒輪用鋼采購(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已出臺(tái)。齒輪鋼材貿(mào)易與質(zhì)量監(jiān)控協(xié)作網(wǎng)對(duì)

22、齒輪鋼材采購(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）提出下列必須滿足的6項(xiàng)條件：1）末端淬透性：淬透性帶寬（上限減下限）不能超過(guò)7HRC。2）氧含量0.003 0%。3）非金屬夾雜物：A類(lèi)細(xì)系、粗系2.5級(jí)；B類(lèi)細(xì)系、粗系2.5級(jí)；C類(lèi)細(xì)系、粗系2.0級(jí)；D類(lèi)細(xì)系、粗系2.5級(jí)。4）奧氏體晶粒度細(xì)于或等于5級(jí)。5）表面質(zhì)量符合GB/T3077-1999合金結(jié)構(gòu)鋼的規(guī)定。6）尺寸符合GB/T702-1986熱軋圓鋼和方鋼尺寸、外型、重量及允許偏差的規(guī)定。2.2 齒輪鋼質(zhì)量水平主要指標(biāo)汽車(chē)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(kāi)發(fā)和引進(jìn)了各種類(lèi)型的齒輪鋼，但20CrMnTiH仍被廣泛應(yīng)用。有

23、些機(jī)器零件如汽車(chē)齒輪，工作時(shí)受到周期性變載荷（扭轉(zhuǎn)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(duì)的摩擦，并有高的接觸應(yīng)力。這些零件對(duì)材料的機(jī)械性能要求：1）材料具有高的屈服強(qiáng)度和高的彎曲疲勞性能；2）材料表面具有高的接觸疲勞強(qiáng)度和高的耐磨性。含碳量為0.4%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（0.8%1.1%）到低碳（0.10%0.25%）連續(xù)過(guò)渡的化學(xué)成分。使零件表面層具有高強(qiáng)度、高耐磨性，零件心部具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和較好的韌性，使零件滿足其在機(jī)械性能上的要求。對(duì)于一般零件，滲碳

24、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(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HRC55，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55HRC38，HB350，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HB350，如經(jīng)調(diào)質(zhì)、常化的齒輪）。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。特別是隨著汽車(chē)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(lái)越迫切。由于齒輪齒根承受循環(huán)彎曲

25、應(yīng)力、齒面承受接觸應(yīng)力、同時(shí)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(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度、良好的耐磨性，而且還必須具有充分的韌性。目前，汽車(chē)齒輪大都進(jìn)行滲碳淬火處理。齒輪在進(jìn)行滲碳淬火熱處理時(shí)，其熱應(yīng)力和組織應(yīng)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?jī)煞矫鎭?lái)考慮。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。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。國(guó)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

26、晶粒度。這三項(xiàng)主要指標(biāo)按質(zhì)量水平分了兩個(gè)層次，即高水平和次高水平：高質(zhì)量水平：淬透性帶4 HRC；純潔度O15×10-6；晶粒度6級(jí)。次高質(zhì)量水平：淬透性帶6 HRC；純潔度O20×10-6；晶粒度5級(jí)。通過(guò)大量工作，特別是經(jīng)過(guò)近15 a來(lái)的努力，國(guó)產(chǎn)齒輪鋼質(zhì)量水平有了較大提高，已經(jīng)超過(guò)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。我國(guó)某著名特殊鋼廠齒輪鋼實(shí)物質(zhì)量水平達(dá)到：晶粒度6級(jí)、淬透性帶6 HRC（淬透性帶5 HRC產(chǎn)品比例較高）、純潔度O20×10-6（均值O15.6×10-6）。 淬透性  是指鋼在一定奧氏

27、體化條件下淬成全部或部分馬氏體的能力。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。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。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(gè)水平，則得到的淬透性帶也相對(duì)穩(wěn)定在一個(gè)水平?？赏ㄟ^(guò)鋼的化學(xué)成分對(duì)淬透性影響的回歸分析，制定化學(xué)成分控制目標(biāo)值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)淬透性窄帶控制。 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?yàn)殇撝醒鹾康慕档?，氧化物夾雜也隨之減少。有人

28、做過(guò)滲碳鉻鉬鋼氧含量對(duì)齒輪疲勞壽命影響的試驗(yàn)，當(dāng)氧含量從25×10-6降低到11×10-6時(shí)，其接觸疲勞強(qiáng)度可提高4倍。目前齒輪鋼中的氧含量一般控制在20×10-6以下，大部分在15×10-6以下，這樣可有效地減少夾雜物含量，提高鋼的韌性、耐磨性。今后滲碳鋼對(duì)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。 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。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。例如模數(shù)為4的滲碳齒輪模擬試樣的試驗(yàn)結(jié)果，20Cr

29、2Ni4A鋼的晶粒度由8級(jí)變?yōu)?級(jí)時(shí)，抗彎強(qiáng)度從3 000 MPa降到2 330 MPa，破斷功從580 J降到460 J。晶粒細(xì)化可提高對(duì)裂紋傳播的抗力，增加滲碳層的強(qiáng)韌性。2.3 生產(chǎn)工藝汽車(chē)齒輪鋼質(zhì)量是隨著汽車(chē)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)6。性能高級(jí)化是指：鋼材的化學(xué)成分波動(dòng)小，通過(guò)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。齒輪鋼窄淬透性帶的控制是提高齒輪精度和壽命的手段之一。對(duì)齒輪鋼而言，高純潔度主要是指鋼中的氧含量O15×10-6，從

30、而使一系列齒輪鋼材料的塑韌性問(wèn)題得到解決。組織的超細(xì)化也可以提高強(qiáng)度、改善韌性。齒輪鋼的生產(chǎn)工藝就是圍繞著上述內(nèi)容展開(kāi)的。目前主導(dǎo)的齒輪鋼電弧爐生產(chǎn)工藝路線見(jiàn)圖2。我國(guó)某著名特殊鋼廠Mn-Cr5系列齒輪鋼電弧爐生產(chǎn)工藝：50 t/UHP60 t/LF60 t/VD大方坯連鑄或3 t錠/模鑄（接850 mm初軋機(jī)）成品軋機(jī)或鍛機(jī)精正、熱處理成品12130 mm （熱軋或緩冷或退火狀態(tài)交貨）。由于齒輪鋼品種較多，質(zhì)量要求差別也較大，因此目前工業(yè)生產(chǎn)中的各種冶煉方法幾乎都在應(yīng)用。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）。3 合金工具鋼

31、生產(chǎn)工藝技術(shù)3.1 前言合金工具鋼是制造模具、量具和刃具的原材料，是在碳工鋼成分的基礎(chǔ)上，加上鉻、鉬、釩、鎢等合金元素，提高淬透性、韌性、耐磨性和熱硬性等。我國(guó)合金工具鋼牌號(hào)較多，GB1299-85標(biāo)準(zhǔn)中包括33個(gè)。按加工方法分為壓力加工用鋼和切削加工用鋼。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（Cr12、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）。3.2 性能刃具鋼要求具有高溫硬度、耐磨性、高韌性和適當(dāng)

32、的強(qiáng)度。量具鋼應(yīng)具有較高的硬度和耐磨性以及一定的強(qiáng)度和韌性，以減少磨損和破壞，同時(shí)還應(yīng)具有較高的組織穩(wěn)定性，以免發(fā)生時(shí)效或其它相變而變形影響尺寸穩(wěn)定性。冷作模具鋼必須具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和足夠的韌性。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。可見(jiàn)合金工具鋼有3種最主要的性能，即鋼的耐磨性、韌性和高溫硬度。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。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)

33、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）。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(lèi)碳化物的存在對(duì)鋼的韌性不利，而且會(huì)降低耐磨性。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。近年來(lái)，國(guó)外各主要特殊鋼廠均致力于開(kāi)發(fā)高等向性能的模具鋼，如奧地利伯樂(lè)鋼廠、日本日立金屬公司安來(lái)工廠。這些高等向性能模具鋼的塑性、韌性值相當(dāng)于縱向值8090（一般模具鋼為4060），可提高模具壽命13倍。1999年由國(guó)家冶金工業(yè)局主持，撫

34、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(kāi)發(fā)、應(yīng)用及市場(chǎng)一體化創(chuàng)新工程國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)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。提高合金工具鋼的純凈度，如降低4Cr5MoSiV1鋼的磷含量（從0.03降至0.01），可使淬回火后的沖擊值提高1倍。將鋼中的氧含量降低，也可以顯著改善鋼的韌性，國(guó)外有的特殊鋼廠已將模具鋼的氧含量規(guī)定為15×10-6。3.3 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。目前主導(dǎo)的冶煉工藝是電爐二次精煉（噴粉精煉、

35、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。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)。為了提高鋼材的收得率，國(guó)外有些特殊鋼廠已經(jīng)采用連鑄工藝生產(chǎn)中、低合金工具鋼，對(duì)高合金萊氏體模具鋼正在開(kāi)展連鑄工藝試驗(yàn)。常選用大截面連鑄機(jī)，多半選擇大彎曲半徑或立式、水平連鑄機(jī)。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。凝固形成的顯微偏析，只有在高溫下各元素的擴(kuò)散作用才能得到改善，因此在一些高合金模具鋼的大型鋼錠或枝晶嚴(yán)重的鋼錠，以及要求具有良好的等向性的鋼，都進(jìn)行

36、擴(kuò)散退火，也稱(chēng)均勻化退火。如奧地利伯樂(lè)鋼廠對(duì)H13進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)46 t鋼錠加熱到1 2801 300，保溫2430 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1.5下降到1.1，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(shí)，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。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。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

37、向）急劇下降，導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)各向異性。因而鍛比過(guò)小過(guò)大都是不合適的。鍛比對(duì)韌性的影響是這兩種因素作用的綜合結(jié)果8。為了提高模具鋼的等向性，一般都采用多向軋制及多向鐓鍛。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)。奧地利GFM公司設(shè)計(jì)的WF型CNC控制的3或5機(jī)架平立可逆精軋機(jī)組，就是專(zhuān)門(mén)用來(lái)生產(chǎn)高精度尖角模具扁（方）鋼的。撫順特殊鋼有限公司成功地引進(jìn)了1套WF540機(jī)組，已于1995年試車(chē)投產(chǎn)。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)。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

38、可缺少的。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。廣泛采用大型連續(xù)式可控氣氛或保護(hù)氣氛退火爐。圖3為我國(guó)某特殊鋼廠工（模）具鋼生產(chǎn)工藝流程示意圖。圖3  我國(guó)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)4.1 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0.7%1.4，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。二者綜合的結(jié)果，使高速鋼具有良好的紅硬性。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

39、刀、滾刀、拉刀、絲錐、鉸刀等。也可以用于制作冷作模具，還可制作高溫軸承、高溫彈簧。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。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（W6Mo5Cr4V2Co8）；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。高速工具鋼棒技術(shù)條件（GB994388）中，列出了14個(gè)鋼的牌號(hào)。4.2 性能高速鋼除要

40、求高硬度、高耐磨性以外，還要求高紅硬性，即在高速切削條件下刀刃不會(huì)因發(fā)熱而軟化的性能。這類(lèi)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)HRC6870，目前多把后者稱(chēng)為超硬型高速鋼，并且在600 左右，仍然保持HRC 6365的高硬度。紅硬性也叫赤熱硬性或熱穩(wěn)定性，與鋼的室溫硬度或高溫硬度都有一定的關(guān)系。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(lái)表示紅硬性。鑄態(tài)的高速鋼為萊氏體鋼。這類(lèi)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。這種共晶萊氏體的相組成物是和M6CFe3W3CFe4W2C，F(xiàn)e3Mo3CFe4Mo2C，F(xiàn)e3（W，Mo）3Ce4（W1Mo）2C等。M6C以魚(yú)骨狀的形態(tài)分布在奧氏體周?chē)?，魚(yú)骨狀碳化物骨絡(luò)之間填充的是共晶相。這種共晶萊氏體嚴(yán)重?fù)p害著高速鋼的性能。鑄態(tài)組織中的