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特殊钢发展趋势(特殊钢行业)
2023-11-15 23:32:23 模具 120人已围观
特殊钢是重大装备制造和国家重点工程建设所需的关键材料。是钢铁材料中的高新技术产品。其生产和应用代表了一个国家的工业化发展水平。1、轴承钢现状和发展方向
轴承广泛应用于矿山机械、精密机床、冶金设备、重型装备、高档汽车等重大装备领域，以及风力发电、高铁列车、航空航天等新兴产业。我国生产的轴承以低端轴承和中小型轴承为主，呈现低端轴承过剩、高端轴承缺乏的情况。与国外相比，高端轴承和大型轴承存在较大差距。专为我国高铁客车设计的轮对轴承全部需要从国外进口。对于航空航天、高铁、高端汽车等工业领域使用的关键轴承，我国轴承在使用寿命、可靠性、Dn值、承载能力等方面与先进水平存在较大差距。例如，国外汽车变速箱轴承的使用寿命至少为50万公里，而国产同类轴承的使用寿命约为10万公里，可靠性和稳定性较差。航空方面 作为航空发动机的关键基础零部件，国外正在研发推力比为15-20的第2代航空发动机轴承，准备在2020年前后装配到第5代战机中。近10年来，美国研发了第2代航空发动机用轴承钢，其代表性钢种为耐500的高强耐蚀轴承钢CSS-42L和耐350高氮不锈轴承钢X30（Cronidur30），中国则在进行第2代航空发动机用轴承的研发。 汽车方面 对于汽车轮毂轴承，中国目前广泛应用的是第1代和第2代轮毂轴承（球轴承），而欧洲已广泛采用第3代轮毂轴承。第3代轮毂轴承的主要优点是可靠、有效载荷间距短、易安装、无需调整、结构紧凑等。目前，中国引进车型大多采用这种轻量化和一体化结构轮毂轴承。 铁路车辆方面目前我国重载铁路轴承采用国产电渣重熔G20CrNi2MoA渗碳钢，而国外已采用超高纯轴承钢（EP钢）真空脱气冶炼技术，保证均匀一致夹杂物。将化学技术（IQ钢）、超长寿命钢技术（TF钢）、细晶热处理技术、表面超硬处理技术以及先进的密封润滑技术应用于轴承的生产制造，从而大大提高了轴承的使用寿命。轴承的性能。寿命长、可靠性高。我国电渣轴承钢不仅质量低，而且成本比真空脱气钢高2000-3000元/吨。未来，我国需要开发超高纯净度、更细化、均匀化、质量稳定的真空脱气轴承钢来替代目前使用的电渣轴承钢。风电能源方面对于风电轴承，我国目前无法生产技术含量较高的主轴轴承和增速机轴承，基本依赖进口。 3MW以上风电机组配套轴承国产化问题尚未解决。国外为了提高风电轴承的强度、韧性和使用寿命，采用了新型特种热处理钢SHX（40CrSiMo）。对于偏航和浆料轴承，采用表面感应淬火热处理，控制淬火层深度、表面硬度、软带宽度和表面裂纹；增速机轴承、主轴轴承采用碳氮共渗，使零件表面获得较大体积分数的稳定残余奥氏体（30%-35%）和大量细小的碳化物、碳氮化物，提高了轴承的质量。受污染润滑条件下的使用寿命。为了提高轧机轴承的使用寿命和运行精度，需要发展轧机用GCr15SiMn、G20Cr2Ni4等轴承钢的超高纯真空脱气熔炼以及轧机上大奥氏体的控制热处理等技术。未来的承载面。日本NSK和NTN轴承公司分别开发了表面奥氏体强化技术，即通过增加表层奥氏体含量，开发了TF轴承和WTF轴承，从而使轴承的寿命提高6-10倍。我国轴承钢未来的研发方向主要体现在四个方面：一是经济清洁度：在考虑经济性的前提下，进一步提高钢的清洁度，降低钢中氧、钛含量，实现氧以及轴承钢中钛的含量。钛和钛的质量分数分别小于610-6和1510-6，降低了钢中夹杂物的含量和尺寸，提高了分布的均匀性。二是显微组织细化和均匀化：通过合金化设计和控轧控冷工艺的应用，可以进一步提高夹杂物和碳化物的均匀性，减少和消除网状、带状碳化物，平均尺寸和最大粒径可以减小。尺寸，达到碳化物平均尺寸小于1m的目标；进一步增大基体组织的晶粒尺寸，进一步细化轴承钢的晶粒尺寸。三是减少低倍组织缺陷：进一步减少轴承钢中的中心气孔、中心缩孔和中心成分偏析，提高低倍组织的均匀性。
四是轴承钢的高韧性：通过新型合金化、热轧工艺优化和热处理工艺研究，提高轴承钢的韧性。 2、弹簧钢的现状及发展方向
弹簧钢主要用于汽车、发动机制造和铁路行业。目前，我国弹簧钢产品存在的问题是中低端产品过剩，高端和特种品种缺乏；我国弹簧钢在纯净度、抗疲劳性能、表面质量和质量稳定性等方面与国外存在较大差距，无法满足高端客车悬架弹簧对弹簧钢的性能要求、气门弹簧、铁路和重型卡车专用弹簧等。我国高等级深加工弹簧钢仍依赖进口。进口品种主要有汽车用弹簧钢、铁路用弹簧圆钢、油泵阀用弹簧钢丝等。虽然降低钢中氧和夹杂物含量是获得纯钢的一种途径，但弹簧钢获得难度较大零夹杂物。为此，有研究人员提出了氧化物冶金技术，这是细化晶粒的有效方法。这种方法是使钢材强度和韧性加倍最有效的方法。它利用钢中细小、分散的高熔点非金属夹杂物，主要是氧化物、硫化物和氮化物，作为晶内铁素体的形核核心，从而细化晶粒。国内外对Ti、Zr氧化物体系进行了系统研究，认为含钛氧化物最为理想。奥氏体晶粒内的氧化钛点成为针状铁素体的有效形核位点，促进晶内铁素体的形成。但由于钢成分的限制，氧化钛冶金的推广受到了限制。近年来，稀土元素的研究已经开始。利用稀土元素较强的脱氧、脱硫能力及其产物的高熔点，可用于研究稀土氧化物对钢性能的影响。汽车行业对悬架弹簧的强度要求越来越高，设计应力增至1100-1200MPa。为此，日本开发了添加合金以提高强度和耐腐蚀疲劳性能的钢材。我国弹簧钢无法满足高端客车悬架弹簧钢的性能要求，1200MPa及以上强度的悬架弹簧产品弹簧钢全部依赖进口。但近年来，为规避资源风险、降低成本、实现原材料全球供应，对使用标准钢（SAE9254）保持高强度、提高钢材韧性的需求强烈，因此，喷丸处理越来越多地取代了昂贵的表面硬化热处理。喷丸对表面施加残余压应力，可以提高疲劳强度，减少表面缺陷的影响。因此，近年来它被视为表面处理不可缺少的技术。随着表面强化技术的发展，悬架弹簧的设计应力也达到了1200MPa的水平。预计未来对高强悬架弹簧钢的强度、韧性、耐蚀性和耐久性的要求将越来越高。未来，随着汽车轻量化，发展强度高、抗弹性和抗疲劳性能优良的汽车悬架用弹簧钢是提高我国高端装备零部件自主配套能力、有效替代进口的必然趋势。在所有弹簧产品中，气门弹簧对材料的要求最为严格，尤其是高应力、异形截面气门弹簧。例如，要求抗拉强度达到2000MPa；氧化物、硫化物夹杂物含量要求达到0级；异形截面材料对曲率、长短轴等有特殊要求。目前国外气门弹簧专用弹簧钢生产主要集中在日本、韩国、瑞典。生产企业包括日本铃木、三光、住友、神钢钢线、韩国KisWire、瑞典Garphyttan等，几乎垄断了我国所有异形截面和高端钢材。阀门弹簧钢市场承压。 2000年以后，随着新型发动机的研制，对发动机转速、轻量化、紧凑性的要求越来越高，因此日本开始使用2100-2200MPa的OT钢丝。
在这种情况下，不仅需要调整合金成分，还需要改进现有的制造工艺，低温弥散硬化成为必不可少的工艺。然而，低温弥散硬化后弹簧的形状发生变化。为了提高形状和尺寸的控制精度，在整个制造过程中控制形状变化的技术开始引起人们的关注。未来，为满足高端弹簧基础件国产化的发展需要，应不断开发高性能弹簧钢产品。一方面，向高强度方向发展，要求提高疲劳寿命和高应力下的抗松弛性能；另一方面，它正在向功能性方向发展。根据不同用途，要求具有耐蚀性、无磁性、导电性、耐磨性、耐热性等。 3、齿轮钢的现状及发展方向。齿轮工作时，长期承受变载荷冲击力、接触应力、脉动弯曲应力和摩擦力等各种应力。它们还受到加工精度、装配精度、外硬点等的影响。齿轮钢由于受磨削等因素的影响，是极易损坏的零件，因此要求具有较高的韧性、疲劳强度和耐磨性。为了生产高质量的齿轮钢，一方面要求钢厂为用户提供淬透性稳定、适应用户工艺要求的齿轮钢产品。另一方面，齿轮厂还必须优化现有工艺并引入新工艺来提高齿轮的质量。与日本、德国、美国生产的齿轮钢相比，我国齿轮钢的主要差距是：钢号尚未系列化，产品标准落后；钢材的淬透性带较宽，国外钢材的淬透性带已达到4HRC，而我国在6-8HRC左右，不够稳定；钢的纯度低。日本、德国、奥地利等国进口齿轮钢氧含量在(7-18)10-6之间波动，我国在(15-25)10-6左右，非金属分散程度包裹体不够，分布不均匀，大包裹体较多；晶粒度要求不同，我国齿轮钢的晶粒度级别一般要求5级-8级，日本特别强调渗碳齿轮钢的晶粒度不能粗于6级；日本开发出低硅抗晶界氧化渗碳钢系列，可将晶界氧化层降低至5m，而SCM420H Cr-Mo钢平均为15-20m；平均使用寿命短，单位产品能耗大，劳动生产率低。另外，如何保证轧制过程中气孔等低倍缺陷较小且在芯部范围内也是国内尚未研究的领域，因为低倍组织缺陷会对后续的生产造成很多不利影响。零件加工及热处理变形。目前，我国汽车用齿轮钢主要钢种仍为20CrMnTi。该钢种通常采用气体渗碳工艺。由于渗碳气氛中存在氧化性气体，渗碳层中的元素Si和Mn与氧有较大的亲和力。Cr在晶界处被氧化，形成晶界氧化层。晶界氧化层的出现会导致渗层中Si、Mn、Cr等合金元素的固溶含量减少，降低渗层淬透性，从而降低渗层硬度，导致非马氏体组织的生成，从而显着降低齿轮的疲劳性能。可以采用两种方法来解决这个问题： 1）采用特殊的热处理工艺。真空渗碳可以降低渗碳气氛中的氧势，可以有效地降低渗碳层的晶界氧化程度；稀土渗碳工艺还可以降低晶界氧化程度，因为稀土优先富集在工件表面。它优先沿钢的晶界扩散，与氧的亲和力远高于Si、Mn、Cr。它会优先与氧结合，阻止氧原子继续向内扩散，从而有助于降低非马氏体的风险。组织的出现。 2）通过合金设计开发抗晶界氧化的齿轮钢。
Ni、Mo抗氧化能力较强，Cr元素次之，Mn抗氧化能力较弱，Si抗氧化能力最弱（Si的氧化倾向是Cr、Mn的10倍）。因此，为了减少晶界氧化，保证淬透性，在设计齿轮钢成分时，应适当降低易氧化元素尤其是Si的含量，并适当降低难氧化元素Ni的含量。 Mo应相应增加。据报道，将Si、Mn、Cr分别控制在0.05%、0.35%、0.01%，可以完全抑制表面组织异常，即使在1000也几乎没有晶界氧化。为满足汽车工业高性能、轻量化发展要求，未来应重点发展：窄淬透性带齿轮钢、超低氧渗碳钢、低晶界氧化层渗碳钢、超细化晶粒渗碳钢、提高高温硬度和高温抗软化性渗碳钢、易切削齿轮钢、冷锻齿轮钢等。
