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(diǎn)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)。特殊鋼一般是指具有特殊性能或特殊用途的鋼種。具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)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、

2、合金鋼、高合金鋼三大類，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2000個(gè)牌號(hào)、約50000個(gè)品種規(guī)格、數(shù)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

3、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）：電爐一二次精煉一連鑄一軋制。2）轉(zhuǎn)爐流程（長(zhǎng)流程）：高爐一鐵水預(yù)處理一轉(zhuǎn)爐一二次精煉一連鑄一軋制。3）特種冶金：特種冶煉（如真空感應(yīng)熔煉、冷地竭熔煉、電渣重熔、真空電弧重熔、電子束熔煉、等離子熔煉等）一鍛造或軋制。這里要指出的是有些鋼種的生產(chǎn)至今還必須走模鑄一開(kāi)坯一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(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

4、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)2000C,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

5、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，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

6、、電子束熔煉、等離子熔煉等。難熔金屬（鴇、鑰、鑰、鑰）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、電子束熔煉以及冷地竭感應(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（VacuumMetallurgy）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、真空蒸儲(chǔ)、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

7、鋼水進(jìn)行真空處理，即爐外精煉（二次精煉），如RM、VODt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)。卜f"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

8、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）、神（As）、睇（Sb）、鈿（Bi）；有些則有時(shí)有害，有時(shí)卻是有用的成分，如鎂（Mg、鈕（M。、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

9、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)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?？?/p>

10、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。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+RFUELF+VDfE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

11、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（HSLAE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、怫接和螺栓結(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、牌號(hào)最多的鋼類，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T307J1999。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

12、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，而將前7類鋼稱為合金結(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，合金結(jié)構(gòu)鋼包括：鉆鋼、銘鋁鋼、鈕銘鋼、鍥銘鋼、銘銳硅鋼等。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：1）碳含量0.20%的HSLAffl,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)

13、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（NBV等）相結(jié)合的方法。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?？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

14、，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(Tb/MPa(T0.2/MPa巾/%a1（梅氏沖擊試樣）/（Jcm-2）800700750165751802409008008506070120180100090095055709015011001000105055657012012001050115050605011013001100125045624090140012001350456040801500125014004558308016001300150014357258017001350160043562570180013501700405

15、52070190014001700385220662000140018001355020602100140018003045206022001400180025402050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2構(gòu)用鋼多在0.2%以下，機(jī)器設(shè)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)度一塑性、韌性配合，滿足某些特殊性能要求，改善工藝

16、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0100X10-62。(H01X10-6、O015X10-6、SW10X1

17、0-6、N<(1530)X10-6、巳<10X10-6),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：O<15X10-6、S<10X10-6、N020X10-6、巳<20X10-6。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2,4一5鐵水處理1NRP)氧氣轉(zhuǎn)爐鋼包處理(NK-CR)(NK-AP)除清(VSC脫氣(RH)p2()黑聯(lián)DjLL020x。產(chǎn)PIP)I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

18、產(chǎn)工藝流程2汽車齒輪鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)2.1 前言汽車齒輪是汽車的重要零部件之一，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，使得汽車齒輪承受的負(fù)荷越來(lái)越大，對(duì)汽車齒輪鋼質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。隨著社會(huì)汽車保有量及生產(chǎn)量的不斷擴(kuò)大，汽車齒輪鋼用量也在增加。中國(guó)汽車保有量2010年約達(dá)到9001000萬(wàn)輛。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38、100、180kg估算，年新產(chǎn)汽車用齒輪鋼量約54

19、.2萬(wàn)t,2010年約達(dá)到90100萬(wàn)t。齒輪鋼代表鋼號(hào)：20CrMnTiH20CrMoHSCM822H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/T3077-1999GB/T5216-85。我國(guó)車輛齒輪用鋼采購(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)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)7HRC2）氧含量.0030%3）非金屬夾雜物：A類細(xì)系、粗系2.5級(jí)；B類細(xì)系、粗系&2.5級(jí)；C類細(xì)系

20、、粗系&2.0級(jí)；D類細(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)來(lái)自www.3722al資料搜索網(wǎng)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(kāi)發(fā)和引進(jìn)了各種類型的齒輪鋼，但20CrMnTiH仍被廣泛應(yīng)用。有些機(jī)器零件如汽車齒輪，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：

21、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)切外硬的要求，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，滲碳層的含碳量限制為0.8%1.1%;滲碳層的深度控制在0.62.0mm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

22、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>HRO38,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）。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。

23、目前，汽車齒輪大都進(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)即窄的淬透性帶；高的純潔度；細(xì)小的晶粒度。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04HRC純潔度O015X10-6；晶粒度6級(jí)。次高質(zhì)量

24、水平：淬透性帶06HRC純潔度O020X10-6；晶粒度5級(jí)。通過(guò)大量工作，特別是經(jīng)過(guò)近15a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W6HRC（淬透性帶05HRC產(chǎn)品比例較高）、純潔度O020X10-6（均值OW15.6X10-6）。2.2.1 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(duì)鋼的組織性能影響很大，淬透性高的鋼具力學(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

25、，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。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?yàn)殇撝醒鹾康慕档?，氧化物夾雜也隨之減少。有人做過(guò)滲碳銘-鋁鋼氧含量對(duì)齒輪疲勞壽命影響的試驗(yàn)，當(dāng)氧含量從25X10-6降低到11X10-6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20X10-6以下，大部分在15X1

26、0-6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。2.2.3 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，20Cr2Ni4A鋼的晶粒度由8級(jí)變?yōu)?級(jí)時(shí)，抗彎強(qiáng)度從3000MPa降至U2330MPa,破斷功從580J降到460Jo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)工藝汽車齒輪鋼質(zhì)量是隨著汽車制造業(yè)對(duì)材料要求的不斷提

27、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O<15X10-6,從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：50t/UHP60t/

28、LF60t/VD一大方坯連鑄或3t錠/模鑄（接850mm®軋機(jī)）一成品軋機(jī)或鍛機(jī)一精正、熱處理一成品12130mm（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，加上銘、鑰、銳、鴇等合金元素，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

29、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（4CrW2s等3個(gè)鋼號(hào)）、冷作模具鋼（Cr12、Cr12Mo1V侍10個(gè)鋼號(hào)）、熱作模具鋼（5CrMnMo4Cr5MnSiV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)?shù)膹?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

30、及沖擊韌性?？梢?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。鋼中加入銘、鑰、鴇、鈾等合金元素，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、WMoCr、Mn提高淬透性：MnMoCr、Si、Ni、V（固溶于奧氏體后）；減小淬火變形：與Cr同時(shí)存在的MoCr、Mn細(xì)化晶粒、提高韌性：V、WMoCr；增大熱硬性：WMoCo（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

31、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80%90%（一般*K具鋼為40%60%）,可提高模具壽命13倍。1999年由國(guó)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(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0.0

32、3%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015X10-6。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)的冶煉工藝是電爐一一二次精煉（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。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

33、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)行擴(kuò)散退火，也稱均勻化退火。如奧地利伯樂(lè)鋼廠對(duì)H13進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)46t鋼錠加熱到12801300C,保溫2430h退火后快冷到800C,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

34、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)果網(wǎng)o為了提高模具鋼的等向性，一般都采用多向軋制及多向鍛鍛。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)。1套WF5-40

35、機(jī)奧地利GF泌司設(shè)計(jì)的WF型CNC空制的3或5機(jī)架平立可逆精軋機(jī)組，就是專門用來(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)了組，已于1995年試車投產(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。hi軋制開(kāi)坯VT牌驗(yàn)加熱水除用精軋衲材常乳嗣材模注IHi.rn-S-冷作模具網(wǎng)出空脫氣熱作模R

36、鋼*快津機(jī)電據(jù)熔煉注電極ESR精鍛機(jī)I獷冢U楸注UU注電投電氣烯煉（efa空脫氣（V1/YHO>模注電弧熔蚱VT檢會(huì)加熱水除酗精扎闞材I*用+精軋鋼材1-|精軋鋼材球化處理表面加工YT椅驗(yàn)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，如鴇、鑰、銘、銳等，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，如銃刀

37、、刨刀、滾刀、拉刀、絲錐、錢刀等。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鴇系（如W18Cr4V、鑰系（如W2Mo9Cr4VC0體口鴇鑰系（如W6Mo5Cr4V3;按用途分為通用型（W18Cr4VW6Mo5Cr4V2和超硬型（W6Mo5Cr4V2Co$;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（GB9943-88）中，列出了14個(gè)鋼的牌號(hào)。4.2 性能高速鋼除要求高硬

38、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目前多把后者稱為超硬型高速鋼，并且在600c左右，仍然保持HRC6365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丫和M6cFe3W3CFe4W2CFe3Mo36Fe4Mo2CFe3（WMo3cFe4

39、（W1Mo2C等。M6c以魚(yú)骨狀的形態(tài)分布在奧氏體周圍，魚(yú)骨狀碳化物骨絡(luò)之間填充的是共品丫相。這種共晶萊氏體嚴(yán)重?fù)p害著高速鋼的性能。鑄態(tài)組織中的黑色組織則是6相的共析分解產(chǎn)物，具相組成物也是丫和M6c但其組織特征是片狀的珠光體型的，只是由于在低倍顯微鏡下不易分辨清楚其片層，呈黑色，故常稱為黑色組織。萊氏體中的共晶碳化物，在1300C高溫下也難溶于奧氏體中，因此無(wú)法通過(guò)熱處理來(lái)改變其形態(tài)。只有通過(guò)塑性變形使其細(xì)化。變形程度愈大，碳化物共晶體愈細(xì)化，分布愈均勻。鋼的純潔度主要影響鋼的塑韌性、焊接性和某些含鋁高速鋼的強(qiáng)韌性。單一電弧爐冶煉的高速鋼，氧含量一般在（4060）X10-6,硫含量約0.01

40、%。爐外精煉可將氧含量降至IJ20X10-6,氮含量約100X10-6,硫含量在0.01%以下。對(duì)其熱塑性的提高和降低脆性傾向有益。高速鋼具有低塑性和高變形抗力；同時(shí)，由于組織中存在熔點(diǎn)較低的共晶偏析區(qū)，當(dāng)加熱到1250c以上時(shí)，偏析區(qū)的晶粒長(zhǎng)大，晶界熔化，極易產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象；高速鋼含碳量高，所以也易脫碳；高速鋼的寬展量較碳素鋼大1.1倍；軋或鍛后，空氣中過(guò)快冷卻，淬成馬氏體組織，易產(chǎn)生裂紋（高速鋼坯、材，熱軋后必須進(jìn)行緩冷）。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(duì)高速鋼的性能起了重要作用，但同時(shí)也給高速鋼的生產(chǎn)帶來(lái)了相當(dāng)大的難度。4.3 生

41、產(chǎn)工藝一般要求的通用型高速鋼工藝流程為：電爐一模鑄（下注）一退火或熱送開(kāi)坯鍛造或初軋一退火一修磨一開(kāi)二次坯或加工成材一成品退火一精整一包裝一出廠。要求較高質(zhì)量的大斷面高速鋼工藝流程為：電爐一澆注電極坯一退火一電渣重熔一退火一開(kāi)坯一退火一修磨一退火一精整檢查電包裝一入庫(kù)。棒一棒銀亮材生產(chǎn)工藝流程為：矯直一兩端切齊倒棱一修磨一無(wú)芯磨床粗磨、精磨一拋光一精矯一防腐處理一包裝一入庫(kù)。線一棒銀亮材生產(chǎn)工藝流程為：盤條噴丸去鱗一開(kāi)卷、矯直一冷拔一精矯一剪斷一矯直、拋光一渦流探傷一精磨一防腐處理一包裝一入庫(kù)。線一線銀亮材生產(chǎn)工藝流程為：盤卷酸洗或拋丸去鱗5.510m盤冷拔一真空退火一冷拔一真空退火一直至成品

42、一渦流探傷一包裝入庫(kù)。我國(guó)某特殊鋼廠高速鋼生產(chǎn)工藝流程為:30t電爐熔煉注錠（或鑄電極退火電渣重熔）2000t快鍛機(jī)開(kāi)坯（大圓）或1000t精鍛機(jī)開(kāi)坯（小圓）退火修磨1000t精鍛機(jī)成材或軋制成材退火精整檢查包裝入庫(kù)。高速鋼生產(chǎn)絕大多數(shù)都用電弧爐（1530t,帶有電磁攪拌裝置），模鑄鋼錠仍是各國(guó)普遍采用的。電渣重熔對(duì)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(shí)，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(guó)家習(xí)慣于100mm上用電渣重熔，有的則定為150mmz上。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

43、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。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)。棒材退火用保護(hù)氣氛連續(xù)輾底式爐，可以得到組織均勻、硬度波動(dòng)范圍小、不脫碳、氧化燒損小的效果。盤圓退火用保護(hù)氣氛或真空罩式爐（或井式爐），可以得到上述效果。特殊鋼廠對(duì)鋼材精整十分重視，尤其是對(duì)高速鋼，精整作業(yè)線的場(chǎng)地通常是成材軋制線的11.5倍。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(cè)徑、分析、自動(dòng)打印、稱重、自動(dòng)打捆包裝。為解決鑄錠中形成大塊萊氏體共晶、碳化物分布不均勻的問(wèn)題，采用粉末冶金方法提高高速鋼的組織和性能。爐外精煉裝備逐步用于高速鋼生產(chǎn)，主

44、要用LF（V）,也有SKF鋼包爐。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。世界先進(jìn)的高速鋼生產(chǎn)工藝流程如下。1）通用型鋼種、中小型材及鋼絲生產(chǎn)流程：電爐（UHP精煉爐LF（V）連鑄退火修磨棒、線連軋：棒材（620mm保護(hù)氣氛連續(xù)退火精整剝皮在線檢測(cè)一成品包裝（小20640mm）t亮材）；線材（小5.5620mm保護(hù)氣氛或真空罩式退火一連續(xù)拉拔開(kāi)卷或磨光、拋光一在線檢測(cè)一成品包裝（小5620mm拔材、光亮材）；線材（小5.5mm）-保護(hù)氣氛或真空罩式退火-溫拉或溫軋-真空退火-矯直或磨光一在線檢測(cè)一成品包裝（65mm冷拔磨光鋼絲）。2）大斷面材及高牌號(hào)鋼材生產(chǎn)流程：電爐（U

45、HP精煉爐LF（V）鑄錠（或鑄電極-電渣重熔）-退火-快鍛或精鍛開(kāi)坯-退火、修磨-精鍛成材-退火-精整-在線檢測(cè)一成品包裝。5軸承鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)5.1 前言軸承用鋼的質(zhì)量是所有合金鋼中要求最嚴(yán)格、檢驗(yàn)項(xiàng)目最多的鋼種。世界公認(rèn)軸承鋼的水平是一個(gè)國(guó)家冶金水平的標(biāo)志。軸承對(duì)其材料的要求較高，必須具備高的硬度、耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度、彈性極限，良好的沖擊韌性、斷裂韌性、尺寸穩(wěn)定性、防銹性能和冷熱加工等性能。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

46、、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(guò)燒等表面和內(nèi)部缺陷。我國(guó)特鋼企業(yè)2007年軸承鋼產(chǎn)量為245萬(wàn)t。5.2 性能當(dāng)前世界各國(guó)所使用的軸承鋼主要有5大類9,即高碳銘軸承鋼、滲碳軸承鋼、不銹軸承鋼、高溫軸承鋼、中碳軸承鋼。1）高碳銘軸承鋼。高碳銘軸承鋼是含銘0.6%1.5%的高碳合金鋼，目前我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中采用5個(gè)牌號(hào)，GCr15GCr6GCr9GCr9SiMnGCr15SiMn高碳銘軸承鋼已有100多年的歷史，長(zhǎng)期的生產(chǎn)和使用證明，這種鋼基本上可以滿足一般工作條件的軸承要求，具有良好的耐磨性和抗接觸疲勞性能，有較理想的耐銹蝕性和一定的彈性來(lái)自資料搜索網(wǎng)、

47、韌性，加工性能較好，價(jià)格也較便宜，因此應(yīng)用最廣。由于淬透性的差別，其中用量最大的是GCr15和GCr15SiMnGCr6和GCr9已很少采用。2）滲碳軸承鋼。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(guó)標(biāo)準(zhǔn)中采用6個(gè)牌號(hào),G20CrMoG20CrNiMoG20Cr2Ni4G20CrNi2MoG10CrNi3MoG20Cr2Mn2M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)度用其心部都具有良好的韌性、一定的強(qiáng)度和硬度。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。3）不銹軸承鋼。有馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼，目前我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中采

48、用3個(gè)牌號(hào)，9Cr18、9Cr18MoCr14Mo4其中以馬氏體不銹鋼9Cr18使用最多。這類鋼經(jīng)過(guò)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。這些軸承鋼的缺點(diǎn)是碳含量高，碳與銘形成粗大的一次碳化物，降低材料的機(jī)械性能，減少銘元素對(duì)抗腐蝕的貢獻(xiàn)。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。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。4）高溫軸承鋼。高溫軸承鋼具有一定的高溫硬度和高溫耐磨性。高溫接觸疲勞強(qiáng)度、抗氧化、耐沖擊、高溫尺寸穩(wěn)定性等特點(diǎn)。此

49、類鋼利用高速鋼和高銘馬氏體不銹鋼的一些鋼號(hào)。我國(guó)目前使用的高溫軸承鋼主要有：9Cr18M0260C）、Cr4M04V315C）、Cr14Mo4（480C）、W6Mo5Cr4V2480C）、W9Cr4V2M0520C）、W18Cr4V560C）、W12Cr4V5Co5（590C）,其中使用最普遍的是Cr4M04V高碳銘軸承鋼的回火溫度是160180C,所以使用溫度一般不超過(guò)120C,如果使用溫度超過(guò)120C,鋼的強(qiáng)度急劇下降，尺寸不穩(wěn)定，并導(dǎo)致軸承的疲勞強(qiáng)度降低。所以，只能用高溫軸承鋼而不能用高碳銘軸承鋼，如飛機(jī)用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越來(lái)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

50、55260C,高者可達(dá)370C,在這種工作條件下，只能采用高溫軸承鋼。5）中碳軸承鋼。中碳軸承鋼是中碳合金鋼，我國(guó)目前主要有：55、50MnA70Mn5CrMnMo60CrMnMoA55SiMoVA50SiMo,后兩個(gè)鋼號(hào)是我國(guó)開(kāi)發(fā)的抗沖擊軸承鋼。此鋼類適用于制作掘進(jìn)、起重、大型機(jī)床等重型設(shè)備上用的特大尺寸軸承，一般轉(zhuǎn)速不高，但承受較大的軸向、徑向載荷及彎曲應(yīng)力等。5.3 生產(chǎn)工藝鋼的冶煉水平是軸承鋼內(nèi)在質(zhì)量好壞的先決條件。鋼中的氧含量、成分偏析，夾雜物數(shù)量及分布，大顆粒碳化物的狀況是影響軸承鋼內(nèi)在質(zhì)量的重要冶金因素。近年來(lái)，軸承鋼的冶煉技術(shù)就是圍繞這些關(guān)鍵因素相繼發(fā)展起來(lái)。鋼中氧含量可穩(wěn)定在

51、0（1015）X10-6,一些先進(jìn)企業(yè)可控制在（58）X10-6。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(duì)軸承壽命影響也不同，夾雜物的尺寸和在鋼中的位置對(duì)軸承壽命也有不同的影響。鋼中氧含量愈低，軸承鋼壽命愈高。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。因此，近年來(lái)在衡量軸承鋼質(zhì)量上把氧含量當(dāng)作極為重要的指標(biāo)。無(wú)論是轉(zhuǎn)爐或電爐流程，二次精煉是軸承鋼生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序，主要精煉設(shè)備以LF或ASEA-SKF配有VD或RH為主，可使內(nèi)在質(zhì)量得以保證。軸

52、承鋼連鑄的問(wèn)題一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，連鑄坯中心疏松和偏析嚴(yán)重的問(wèn)題并沒(méi)有得到根本的解決，至少在我國(guó)還是一個(gè)“難題”。既使采用了電磁攪拌技術(shù)、輕壓下技術(shù)改善疏松和偏析，由于中心疏松會(huì)殘留在球極區(qū)，又會(huì)帶來(lái)新的“白亮帶”缺陷。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(dòng)體用軸承鋼外，絕大多數(shù)軸承鋼采用連鑄生產(chǎn)。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

53、的壓縮比熱軋軸承鋼材等。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。采用控軋、控冷技術(shù)，步進(jìn)加熱爐、連軋機(jī)組、連續(xù)退火爐，在線質(zhì)量監(jiān)控等技術(shù)。世界上生產(chǎn)軸承鋼最著名的廠家有瑞典SKF公司，日本的山陽(yáng)特殊鋼廠，美國(guó)Timken公司等。日本山陽(yáng)公司的棒線生產(chǎn)工藝流程：UHRfe爐LF精煉爐RHft煉爐連鑄或模鑄初軋-三輾行星軋機(jī)或大型軋機(jī)-無(wú)損探傷-修磨-連軋機(jī)組-無(wú)損檢驗(yàn)-連續(xù)爐球化退火-無(wú)損檢測(cè)-檢驗(yàn)入庫(kù)。SKF公司OVaK建岡廠棒線生產(chǎn)工藝流程：電爐LFV精煉爐模鑄均熱爐初軋火焰清理150X150坯料檢驗(yàn)、噴丸、修磨加熱

54、除鱗軋制冷卻剪切打包發(fā)貨。該廠年產(chǎn)45萬(wàn)t鋼，全部采用模鑄，初軋開(kāi)坯，而沒(méi)有采用連鑄。OVaK0®廠也認(rèn)為連鑄軸承鋼已不是技術(shù)問(wèn)題，但是他們主要考慮了經(jīng)濟(jì)問(wèn)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。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。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VHM煉爐模鑄（680kg錠）一鋼錠修磨（需要時(shí)）一650軋機(jī)一酸洗、拋丸、檢查修磨需要時(shí)退火包裝入庫(kù)。2）UHRfe爐LF+VD1煉爐連鑄或模鑄（3t錠）、850開(kāi)坯檢查修磨連軋（需要時(shí)連續(xù)退火）檢查修磨校直包裝入庫(kù)。3）電爐一模鑄電極一電渣冶金一軋制一或熱處理一精整一包裝

55、入庫(kù)。4）真空感應(yīng)爐真空自耗爐軋制精整或熱處理包裝入庫(kù)。圖4美國(guó)Timkem公司Faircrest廠的工藝流程6彈簧鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)6.1 前言彈簧種類較多，按照所承受的載荷不同，彈簧可分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧等；而按照彈簧的形狀不同，又可分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、板簧和盤簧等。用以制造彈簧的鋼材，統(tǒng)稱彈簧鋼。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。通常所說(shuō)的彈黃鋼10是指碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼（2007年中國(guó)合金彈簧鋼產(chǎn)量160萬(wàn)t11）。碳素彈簧鋼的碳含量一般在0.62%0.90%。按照其鈕含量又分為一般鈕含量

56、（0.50%0.80%,如65、70、85）和較高鈕含量（0.90%1.20%,如65Mn兩類。合金彈簧鋼包括Si-Mn系（60Si2Mn,相當(dāng)于美國(guó)的9260,日本的SUP6SUP7德國(guó)的60SiCr7）;Cr-Mn系（55CrMnA相當(dāng)于美國(guó)的5155日本的SUP9德國(guó)的55Cr3;Cr-V系（50CrVA相當(dāng)于美國(guó)的615。日本的SUP10德國(guó)的50CrV4;CrMn朦（60CrMnA相當(dāng)于美國(guó)的51B60日本的SUP11A等。6.2 性能彈簧主要是在往復(fù)、交變動(dòng)載荷及惡劣的環(huán)境條件（如振動(dòng)、沖擊、拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、腐蝕等）下使用，要求彈簧鋼具有下述性能：良好的力學(xué)性能，如高的抗拉

57、強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性以及彈性極限、比例極限等，但要同時(shí)保證其所有性能具有很高的水平是很困難的。因此，應(yīng)視使用情況，優(yōu)化各項(xiàng)指標(biāo)，以達(dá)到最佳的綜合力學(xué)性能配合；良好的抗疲勞性能和抗彈減性能；良好的工藝性能，包括淬透性、熱處理工藝性能（如淬火變形小、不易過(guò)熱、晶粒均勻細(xì)小、回火穩(wěn)定性高、不易脫碳、石墨化和氧化等）和加工成形性能；止匕外，還必須具有良好的內(nèi)在質(zhì)量和表面質(zhì)量。疲勞破壞和彈性減退失效是彈簧兩種最常見(jiàn)的破壞形式。通常通過(guò)固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)品強(qiáng)化來(lái)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。良好的內(nèi)在質(zhì)量是由冶金過(guò)程決定的。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。另外，應(yīng)有高的純潔度，P、S等雜質(zhì)元素和H、N等要低。鋼中的各種非金屬夾雜物不但要求含量低而且要控制其形狀、大小、分布、成分等，尤其是要減少顆粒尺寸大、硬度高、不易變形的夾雜物，這些有害夾雜物是應(yīng)力集中源，易引起裂紋疲勞破壞。表面質(zhì)量是彈簧鋼另一重要技術(shù)指標(biāo)，表面質(zhì)量包括表面脫碳、表