前言
特種合金鋼是專業(yè)化強(qiáng)、品種多、批量小的鋼鐵類別，因其性能多樣化和服役性能優(yōu)良，故在能源開(kāi)發(fā)、石油化工、機(jī)電制造、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防軍事等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)特種合金鋼的數(shù)量、質(zhì)量和品種上基本滿足了各行業(yè)的發(fā)展需求。在這里，本文主要通過(guò)總結(jié)特種合金鋼的選用設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制備及典型應(yīng)用案例，讓大家一起了解特種合金鋼。
特種合金鋼的特性
特種合金鋼是指以鐵為基體，通過(guò)適量添加一種或幾種合金元素并輔之以潔凈均勻化制備工藝，使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，具備強(qiáng)韌、耐磨、耐熱、耐蝕性能的特種鋼鐵材料。特種合金鋼作為機(jī)械零件、工程構(gòu)件以及復(fù)雜裝備重要的材料基礎(chǔ)具有重要作用，廣泛應(yīng)用于傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、耐磨耐蝕以及航空航天等領(lǐng)域。
特種合金鋼的生產(chǎn)和使用一般經(jīng)歷“自然資源-材料-零件-構(gòu)件-系統(tǒng)-廢品／資源”的過(guò)程。特種合金鋼一般生產(chǎn)規(guī)模小、經(jīng)營(yíng)分散、更新?lián)Q代快，而且品種變化頻繁，需要特別的合金元素和成分設(shè)計(jì)、特殊的組織結(jié)構(gòu)、特別的工藝措施等。
特種合金鋼的生產(chǎn)制造
特種合金鋼產(chǎn)品制造過(guò)程包括特種合金鋼制備以及產(chǎn)品加工制造兩大工藝過(guò)程。主要是由一系列的工序環(huán)節(jié)組成（特種合金鋼制備、產(chǎn)品毛坯成形、零件或構(gòu)件機(jī)械加工、材料改性與處理、裝配調(diào)試等制造工藝過(guò)程）。其中每個(gè)工藝過(guò)程都作為一組輸入到輸出的單元處理過(guò)程，如下圖所示：
圖1 特殊合金鋼產(chǎn)品制造過(guò)程輸入輸出
2、特種合金鋼的選用與設(shè)計(jì)
特種合金鋼的選用與設(shè)計(jì)主要包括材料選用、材料設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，三部分存在相互關(guān)系如2所示。
圖2 特種合金鋼選用與設(shè)計(jì)關(guān)系
1）材料選用原則：材料使用性能、工藝適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)型原則；
2）材料設(shè)計(jì)：產(chǎn)品設(shè)計(jì)（產(chǎn)品功能、制造過(guò)程、產(chǎn)品成本核算）和材料設(shè)計(jì)。
特種合金鋼的選用
材料選用的重要基礎(chǔ)是找出服役性能能夠滿足確定的服役環(huán)境，同時(shí)還能兼具基本性能和輔助性能的要求的材料。如表1為構(gòu)件性能及其用途總結(jié)。
表1 裝備制造用零件和構(gòu)件性能及其應(yīng)用
特種合金鋼的設(shè)計(jì)
在特種合金鋼的設(shè)計(jì)中，需要完成的根本任務(wù)是滿足工程構(gòu)件或機(jī)械零件服役環(huán)境的使用性能要求。使用性能主要包括：1）基本參數(shù)（強(qiáng)度、塑性 、韌性、 疲勞極限等），直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算；2）綜合參數(shù)（耐磨、耐蝕性能），可用來(lái)確定材料選用順序。特種合金鋼使用性能受到成分、內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)和缺陷、表面組織及應(yīng)力狀態(tài)等的影響，其中化學(xué)成分和組織特征具有主要影響作用。
特種合金鋼設(shè)計(jì)首先進(jìn)行的是成分和組織設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)主要包括：
1）鋼的組成合金元素、元素間交互作用以及組成元素所形成的組成相形貌、分布以及特征；
2）鋼的強(qiáng)韌化機(jī)制、工藝性能以及耐熱、耐蝕、耐磨性 能的物理本質(zhì)和基本理論；
3）鋼的化學(xué)成分、組織與強(qiáng)度、塑性和韌性間定量或半定量的變化關(guān)系；
4）鋼的組成相，在熱力介質(zhì)耦合作用下的形態(tài)與分布演變過(guò)程和特征；
5）鋼的組成相的形變，形變強(qiáng)化以及在服務(wù)役過(guò)程中的變化、斷裂情況。
以上五項(xiàng)相互聯(lián)系相互影響，組織結(jié)構(gòu)的選擇需要保證在整個(gè)制造過(guò)程中工藝是適應(yīng)的，還需要考慮每一個(gè)工序的經(jīng)濟(jì)性，避免出現(xiàn)不滿足服役環(huán)境的高成本特種合金鋼。
特種合金鋼產(chǎn)品設(shè)計(jì)
特種合金鋼產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括產(chǎn)品構(gòu)思、服役性能、產(chǎn) 品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、表面工程、試驗(yàn)評(píng)估、產(chǎn)品使用和產(chǎn)品維修等體系。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，應(yīng)將產(chǎn)品看作一個(gè)系統(tǒng)，用系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖3所示，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程采用了自上而下和自下而上途徑相結(jié)合的整體性設(shè)計(jì)思想，其過(guò)程具有不斷迭代、逐步收斂和反復(fù)評(píng)價(jià)的特征。
圖3 基于系統(tǒng)工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程
產(chǎn)品成本
產(chǎn)品成本主要包括產(chǎn)品全壽命周期費(fèi)用，即產(chǎn)品設(shè)計(jì) 、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品使用以及環(huán)保處理的所有費(fèi)用。設(shè)計(jì)或?qū)υO(shè)計(jì)修正的風(fēng)險(xiǎn)定量化是設(shè)計(jì)程序的一個(gè)必要組成部分?？偝杀九c可靠性關(guān)系如圖4所示。
圖4 設(shè)計(jì)與制造成本、售后費(fèi)用及總成本與產(chǎn)品可靠性的關(guān)系
3、特種合金鋼生產(chǎn)制備
特種合金鋼的冶金水平
冶金技術(shù)包括鋼的熔煉、成形和性能控制等，冶金質(zhì)量對(duì)鋼的強(qiáng)韌性具有重要作用，冶煉質(zhì)量控制主要包括：
①保證鋼的化學(xué)成分在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，減少成分波動(dòng)幅度，確保少量和微量元素能有效地加入到鋼中；
②減少鋼錠宏觀和微觀的偏析，保證鋼坯具有良好的均勻化組織；
③減少鋼中有害氣體（H2,N2等）及非金屬夾雜；
④減少有害雜質(zhì)元素S,P,As和Cu等，控制它們的形態(tài)和分布位置；
⑤降低合金成分的偏析。
此外合適的熔煉工藝、提高純凈度等是達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)、獲得高強(qiáng)韌性的重要保證。提高純凈度可以凈化晶界提升鋼的性能，其影響可以參考表2。
表2 高質(zhì)量合金鋼生產(chǎn)中夾雜物控制的類型和尺寸
新一代特種合金鋼的發(fā)展與高純?nèi)蹮捑o密相關(guān)。高純?nèi)蹮捴苽浼夹g(shù)作為特種合金鋼性能和服役壽命的保證基礎(chǔ)而獲得訊速發(fā)展。真空冶金制備技術(shù)改變了在常壓下的物理化學(xué)反應(yīng)條件 ，降低了氣相壓力，實(shí)現(xiàn)了活性元素控制、真空下碳氧反應(yīng) ，提高鋼的潔凈度水平，如表3所示為典型特種合金鋼純凈度指標(biāo)。
表3 特種合金鋼的純凈度指標(biāo)
特種合金鋼的生產(chǎn)過(guò)程
特種合金鋼的生產(chǎn)技術(shù)水平較普通鋼材生產(chǎn)高，生產(chǎn)流程主要包括轉(zhuǎn)爐、電爐和特種熔煉三種。
近年來(lái)，特種合金鋼的生產(chǎn)發(fā)展表現(xiàn)出以下幾個(gè)趨勢(shì)：
1）在質(zhì)量和性能上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)高純凈度、高組織均勻度、高表面質(zhì)量技術(shù)、尺寸高精度；
2）在降低鋼材生產(chǎn)成本方面，開(kāi)發(fā)連鑄連軋技術(shù)、控軋控冷技術(shù)；
3）在降低零件加工成本方面，開(kāi)發(fā)易切削技術(shù)、非調(diào)質(zhì)技術(shù) 、在線退火技術(shù)、提高產(chǎn)品尺寸精度及表面質(zhì)量；
4）開(kāi)發(fā)節(jié)能降耗技術(shù)、高純凈鋼冶煉與澆注技術(shù)、夾雜物控制技術(shù)、組織均勻性控制技術(shù)、表面質(zhì)量控制技術(shù)；整合各項(xiàng)工藝技術(shù)，達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)化。
特種合金鋼的特?zé)捁に?/span>
特種合金鋼特?zé)捝a(chǎn)工藝流程主要包括真空感應(yīng)熔煉和真空自耗工藝。
1）真空感應(yīng)熔煉冶金效果
① 提純精煉：鋼的純凈度指合金中氮、氫、氧等有害氣體，硫、磷、鉛、銻、鉍、砷等有害元素以及非金屬夾雜物含量。
② 控制成分：真空感應(yīng)爐熔煉可以精確控制所熔煉的特種合金鋼化學(xué)成分。
③ 提高性能：真空感應(yīng)熔煉能精確控制化學(xué)成分，提高純凈度，從而顯著提高特種合金鋼的物理和力學(xué)性能。
2）真空電弧重熔（另一種高純度冶煉制備方式）
① 脫氣 、雜質(zhì)元素?fù)]發(fā) 、夾雜物去除效果
② 改善鑄錠結(jié)品
③ 提高力學(xué)性能
表4 真空電弧重熔對(duì)高強(qiáng)度鋼以及滲碳齒輪鋼疲勞強(qiáng)度的影響
特種合金鋼生產(chǎn)質(zhì)量管理
特種合金鋼生產(chǎn)質(zhì)量管理已形成一套標(biāo)準(zhǔn)體系，主要包括質(zhì)量體系管理、人員素質(zhì)管理、設(shè)備功能精度管理、一體化生產(chǎn)計(jì)劃規(guī)程、質(zhì)量信息化管理、過(guò)程質(zhì)量管理、冶金數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)等。具體特征如下：
① 集成質(zhì)量管理，確保從原料到產(chǎn)品用戶使用的整個(gè)過(guò)程的優(yōu)化。
② 運(yùn)用產(chǎn)品質(zhì)量在線檢測(cè)、產(chǎn)線運(yùn)行診斷和分析、設(shè)備狀況實(shí)時(shí)檢測(cè)“三合一”的系統(tǒng)診斷技術(shù)，確保設(shè)備穩(wěn)定，提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。
③ 精細(xì)化管理，制定標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序，強(qiáng)化過(guò)程控制能力 ，持續(xù)提升現(xiàn)場(chǎng)管理水平。
④ 建立與完善高質(zhì)量特殊鋼技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)管理體系。
4、特種合金鋼典型應(yīng)用案例
飛機(jī)起落架構(gòu)件
飛機(jī)四大關(guān)鍵部件之一就是起落架，起落架作為飛機(jī)上的關(guān)鍵受力構(gòu)件，需承受巨大的載荷和強(qiáng)烈的沖擊，與飛機(jī)安全息息相關(guān)，根據(jù)起落架的服役環(huán)境，起落架材料應(yīng)該具有超高強(qiáng)度、剛性和良好的韌性。目前應(yīng)用廣泛的起落架用材為低合金超高強(qiáng)度鋼（如美國(guó)的300M, 法國(guó)的35NCD16、俄羅斯的30XCH2A等）。
300M鋼是美國(guó)國(guó)際鎳公司于20世紀(jì)50年代初在4340鋼基礎(chǔ) 上添加了1.5％左右的硅而發(fā)展起來(lái)的低合金超高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、其抗拉強(qiáng)度達(dá)到1960-2100MPa，硬度達(dá)到 52-56 (HRO)，同時(shí)還具有良好的塑性斷裂韌性及高的抗應(yīng)力腐蝕和疲勞性能，其加工工藝圖如圖5所示。
圖5 300M超高強(qiáng)鋼主要加工工藝流程
由于300M鋼本身還具有低導(dǎo)熱性的特點(diǎn)，高的切削功率和低的導(dǎo)熱性兩者共同作用提高了切削溫度，因此該材料切削加工 性極差，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋，引起飛機(jī)起落架零部件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度大幅下降，縮短工件的使用壽命，威脅安全。
我國(guó)已研制與300M鋼性能相當(dāng)?shù)?0CrNi2Si2MoVA鋼，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架和抗疲勞螺栓等關(guān)鍵零件的制造，實(shí)現(xiàn)了起落架與飛機(jī)同壽命使用。
飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承
航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承需要高速旋轉(zhuǎn)，其精度要求高，且服役環(huán)境溫度高達(dá)200℃-350℃。M50高溫軸承鋼（Cr4Mo4V）被廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸軸承，其含有較高的合金元素，具有熱穩(wěn)定性好、熱強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗磨損等特點(diǎn)。這種鋼材制備工藝過(guò)程中需要避免局部產(chǎn)生大尺寸碳化物，若碳化物較大，則會(huì)出現(xiàn)合金元素富集的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象，從而影響M50鋼的沖擊韌性，降低軸承的使用壽命，而且在高速和一定負(fù)載條件，會(huì)出現(xiàn)滾道表面燒傷、磨損、滾動(dòng)體回火、打滑、滾道表面疲勞剝落和保持架變形斷裂。
高鐵軸承材料
高速列車軸承在高速、高沖擊狀態(tài)下要連續(xù)穩(wěn)定可靠地工作，軸承單元檢修里程要求達(dá)到120萬(wàn)千米以上，因此對(duì)軸承設(shè)計(jì)、軸承材料、軸承制造以及服役評(píng)價(jià)提出更高要求，高鐵軸承材料應(yīng)具備高可靠性、長(zhǎng)壽命、穩(wěn)定性等基本要求。高鐵軸承以及應(yīng)用部位如圖9所示。
圖6 高鐵軸承以及應(yīng)用部位
在軸承鋼鋼種選擇方面，國(guó)外為了保證高速客車安全、可靠、長(zhǎng)壽命運(yùn)行，其軸承現(xiàn)均采用滲碳鋼制造（如美國(guó)為8720鋼和 8320鋼，日本新干線時(shí)速320千米的高速客車選用與 320鋼相近的滲碳鋼）。目前，國(guó)內(nèi)用于鐵路車輛軸承的軸承鋼牌號(hào) 為GCr18Mo, G20CrNi2MoA和 GCr15。其中，GCr18Mo貝氏體淬火鋼用來(lái)制造客車軸承的內(nèi)外套圈，GCr15馬氏體淬火鋼用于制造滾動(dòng)體，可滿足時(shí)速160km以下客車的需要。滲碳軸承鋼具有抗疲勞能力強(qiáng)、耐沖擊、承受載荷大等特點(diǎn)，隨著車速 的進(jìn)一步提高，要求其必須具備更高的沖擊韌性、斷裂韌性和抗接觸疲勞能力。
5、特種合金鋼選用與設(shè)計(jì)發(fā)展
特種合金鋼選用與設(shè)計(jì)包括材料選用和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，目前已具有以下幾方面的特點(diǎn)：
1）數(shù)值化作為特種合金鋼發(fā)展基礎(chǔ)，使得材料選用與設(shè)計(jì)更加科學(xué)便捷，與材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、可靠性技術(shù)及管理科學(xué)進(jìn)行交叉、融合。
2）產(chǎn)品質(zhì)量是特種合金鋼選用與設(shè)計(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。
3）環(huán)境條件定量化是特種合金鋼選用與設(shè)計(jì)發(fā)展的依據(jù)。
4）集成化、系統(tǒng)工程是特種合金鋼選用與設(shè)計(jì)發(fā)展的方法。
5）計(jì)算機(jī)技術(shù)是特種合金鋼選用與設(shè)計(jì)發(fā)展的途徑。
圖7 特種合金鋼的選擇與設(shè)計(jì)流程
傳統(tǒng)的特種合金鋼產(chǎn)品全壽命周期是“設(shè)計(jì)-選材-制造-使用-維修-報(bào)廢”，其過(guò)程是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。隨著全壽命周期理論的延伸和發(fā)展，形成了新的全壽命周期，即 “設(shè)計(jì)-選材-制造-使用-維修-再生”，其過(guò)程是一個(gè)半閉環(huán)系統(tǒng)，如圖7。
圖8 鋼的選用與設(shè)計(jì)和產(chǎn)品壽命周期的關(guān)系
現(xiàn)階段特種合金鋼的設(shè)計(jì)生產(chǎn)已經(jīng)走向綠色制造模式，該模式是以循環(huán)經(jīng)濟(jì)為準(zhǔn)則，以產(chǎn)品全壽命周期設(shè)計(jì)和管理為 指導(dǎo)，以環(huán)境負(fù)面影響最小、資源利用率最高為目標(biāo)，以先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，促進(jìn)資源持續(xù)利用。我國(guó)還創(chuàng)立了中國(guó)特色的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，能夠達(dá)到減量化原則、再利用原則、再制造原則和再循環(huán)原則。因此，特種合金鋼的選用與設(shè)計(jì)需要參考以上原則要求，進(jìn)而保證循環(huán)經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)。
圖9 鋼的選用與設(shè)計(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)關(guān)系
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