特殊鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)概述
2008-07-02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)。
關(guān)鍵詞：特殊鋼；性能；生產(chǎn)工藝
中圖分類號：TF76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-4620（2008）02-0001-07
Brief Introduction to the Production Technology of Special Steel
ZHOU Jian-nan
(The Chief 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 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。我國特殊鋼定義與日本、歐洲相近，包括優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼、高合金鋼三大類，通常展開為優(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、約50 000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。近年來，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(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2 000 ℃，且鋼水溫度可長時(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(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)。
隨著社會廢鋼資源的積累，直接還原技術(shù)的開發(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)，電爐鋼廠越來越多地生產(chǎn)普通鋼，而轉(zhuǎn)爐鋼廠越來越多地?zé)捥厥怃摗ｋ姞t煉鋼、轉(zhuǎn)爐煉鋼兩種方法，無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)。
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(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，金屬從大氣中吸收氧氣、氮?dú)夂蛷乃謥淼臍錃狻Ｔ谡婵杖蹮捴校涂梢员苊膺@些氣體的來源。這些氣體對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。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(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(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）。
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。但是，近年來隨著二次冶煉技術(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(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。
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，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。美國將高強(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Z高、牌號Z多的鋼類，中國標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3077—1999。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，而將前7類鋼稱為合金結(jié)構(gòu)鋼。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：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：1）碳含量＜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(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)度是位的，是工件設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)，可以通過工作應(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)構(gòu)鋼等強(qiáng)度下的塑韌性變化[3]。可見，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
強(qiáng)度和塑韌性是一對矛盾。對結(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)備等用鋼多在0.2%～0.5%之間。碳是決定強(qiáng)度的Z主要而又Z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。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)作用是通過鋼的顯微組織結(jié)構(gòu)的變化來實(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。
性能高級化是指鋼材的化學(xué)成分波動(dòng)小，通過微調(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≤100×10-6[2]。（[H]≤1×10-6、[O]≤15×10-6、[S]≤10×10-6、[N]≤（15～30）×10-6、[P]＜10×10-6），從而使一系列高強(qiáng)和超高強(qiáng)材料的塑韌性問題得到解決。組織的超細(xì)化可以提高強(qiáng)度、改善韌性。
目前對于工業(yè)化商業(yè)性生產(chǎn)來說，合金結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)水平：[O]≤15×10-6、[S]≤10×10-6、[N]≤20×10-6、[P]＜20×10-6。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(jié)構(gòu)鋼長型材生產(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)鋼長型材生產(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)荷越來越大，對汽車齒輪鋼質(zhì)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(kuò)大，汽車齒輪鋼用量也在增加。中國汽車保有量2010年約達(dá)到900～1 000萬輛。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(dá)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）、SAE8620H（美國牌號Cr-Ni-Mo系列鋼種）。中國標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T3077-1999、GB/T5216-85。
我國車輛齒輪用鋼采購技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已出臺。齒輪鋼材貿(mào)易與質(zhì)量監(jiān)控協(xié)作網(wǎng)對齒輪鋼材采購技術(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7HRC。2）氧含量≤0.003 0%。3）非金屬夾雜物：A類細(xì)系、粗系≤2.5級；B類細(xì)系、粗系≤2.5級；C類細(xì)系、粗系≤2.0級；D類細(xì)系、粗系≤2.5級。4）奧氏體晶粒度細(xì)于或等于5級。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。
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的摩擦，并有高的接觸應(yīng)力。這些零件對材料的機(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0.6～2.0 mm之內(nèi)。
齒輪傳動(dòng)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HRC＞55，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＞HRC＞38，HB＞350，如齒輪經(jīng)過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)、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。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。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兩方面來考慮。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。
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。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[O]≤15×10-6；晶粒度≥6級。次高質(zhì)量水平：淬透性帶≤6 HRC；純潔度[O]≤20×10-6；晶粒度≥5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(zhì)量水平有了較大提高，已經(jīng)超過了“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、淬透性帶≤6 HRC（淬透性帶≤5 HRC產(chǎn)品比例較高）、純潔度[O]≤20×10-6（均值[O]≤15.6×10-6）。
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穩(wěn)定在一個(gè)水平。可通過鋼的化學(xué)成分對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)殇撝醒鹾康慕档停趸飱A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(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級變?yōu)?級時(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[6]。性能高級化是指：鋼材的化學(xué)成分波動(dòng)小，通過微調(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。對齒輪鋼而言，高純潔度主要是指鋼中的氧含量[O]≤15×10-6，從而使一系列齒輪鋼材料的塑韌性問題得到解決。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)容展開的。目前主導(dǎo)的齒輪鋼電弧爐生產(chǎn)工藝路線見圖2。
我國某著名特殊鋼廠Mn-Cr5系列齒輪鋼電弧爐生產(chǎn)工藝：50 t/UHP—60 t/LF—60 t/VD—大方坯連鑄或3 t錠/模鑄（接Φ850 mm初軋機(jī)）—成品軋機(jī)或鍛機(jī)—精正、熱處理—成品Φ12～130 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。
我國合金工具鋼牌號較多，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）、耐沖擊工具用鋼（4CrW2Si等3個(gè)鋼號）、冷作模具鋼（Cr12、Cr12Mo1V1等10個(gè)鋼號）、熱作模具鋼（5CrMnMo、4Cr5MnSiV等12個(gè)鋼號）、無磁模具鋼（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、耐磨性及沖擊韌性。可見合金工具鋼有3種Z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)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)，這類碳化物的存在對鋼的韌性不利，而且會降低耐磨性。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，國外各主要特殊鋼廠均致力于開發(fā)高等向性能的模具鋼，如奧地利伯樂鋼廠、日本日立金屬公司安來工廠。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％（一般模具鋼為40％～60％），可提高模具壽命1～3倍。1999年由國家冶金工業(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)量高性能模具鋼開發(fā)、應(yīng)用及市場一體化創(chuàng)新工程》國家技術(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、鋼包精煉、真空處理等方法），對于更高要求的鋼種，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，對高合金萊氏體模具鋼正在開展連鑄工藝試驗(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，對韌性不利，當(dāng)鍛比超過一定數(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。因而鍛比過小過大都是不合適的。鍛比對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，就是專門用來生產(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WF5－40機(jī)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為我國某特殊鋼廠工（模）具鋼生產(chǎn)工藝流程示意圖。
圖3 我國某特殊鋼廠工（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Z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（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。高速工具鋼棒技術(shù)條件（GB9943－88）中，列出了14個(gè)鋼的牌號。
4.2 性能
高速鋼除要求高硬度、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)HRC68~70，目前多把后者稱為超硬型高速鋼，并且在600 ℃左右，仍然保持HRC 63～65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γ和M6C[Fe3W3C～Fe4W2C，F(xiàn)e3Mo3C～Fe4Mo2C，F(xiàn)e3（W，Mo）3C～Ｆe4（W1Mo）2C等]。M6C以魚骨狀的形態(tài)分布在奧氏體周圍，魚骨狀碳化物骨絡(luò)之間填充的是共晶γ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δ相的共析分解產(chǎn)物，其相組成物也是γ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)。只有通過塑性變形使其細(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（40～60）×10-6，硫含量約0.01％。爐外精煉可將氧含量降到20×10-6，氮含量約100×10-6，硫含量在0.01%以下。對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1 250 ℃以上時(shí)，偏析區(qū)的晶粒長大，晶界熔化，極易產(chǎn)生過熱、過燒現(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)帶來了相當(dāng)大的難度。
4.3 生產(chǎn)工藝
一般要求的通用型高速鋼工藝流程為：
電爐—模鑄（下注）—退火或熱送開坯鍛造或初軋—退火—修磨—開二次坯或加工成材—成品退火—精整—包裝—出廠。
要求較高質(zhì)量的大斷面高速鋼工藝流程為：
電爐—澆注電極坯—退火—電渣重熔—退火—開坯—退火—修磨—退火—精整檢查—包裝—入庫。
棒—棒銀亮材生產(chǎn)工藝流程為：
矯直—兩端切齊倒棱—修磨—無芯磨床粗磨、精磨—拋光—精矯—防腐處理—包裝—入庫。
線—棒銀亮材生產(chǎn)工藝流程為：
盤條噴丸去鱗—開卷、矯直—冷拔—精矯—剪斷—矯直、拋光—渦流探傷—精磨—防腐處理—包裝—入庫。
線—線銀亮材生產(chǎn)工藝流程為：
盤卷酸洗或拋丸去鱗Φ5.5～Φ10 mm—冷拔—真空退火—冷拔—真空退火—直至成品—渦流探傷—包裝入庫。
我國某特殊鋼廠高速鋼生產(chǎn)工藝流程為：
30 t電爐熔煉－注錠（或鑄電極－退火－電渣重熔）－2 000 t 快鍛機(jī)開坯（大圓）或1 000 t精鍛機(jī)開坯（小圓）－退火－修磨－1 000 t精鍛機(jī)成材或軋制成材－退火－精整檢查－包裝－入庫。
高速鋼生產(chǎn)絕大多數(shù)都用電弧爐（15～30 t，帶有電磁攪拌裝置），模鑄鋼錠仍是各國普遍采用的。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(shí)，既能保證足夠的鍛壓比，又能保證內(nèi)部冶金質(zhì)量，有的國家習(xí)慣于Φ100 mm以上用電渣重熔，有的則定為Φ150 mm以上。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扭連軋機(jī)。
棒材退火用保護(hù)氣氛連續(xù)輥底式爐，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。
特殊鋼廠對鋼材精整十分重視，尤其是對高速鋼，精整作業(yè)線的場地通常是成材軋制線的1～1.5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、測徑、分析、自動(dòng)打印、稱重、自動(dòng)打捆包裝。