特殊钢生产工艺技术概述 摘要：特殊钢包括优质碳素钢、合金钢、高合金钢三大类，介绍了特殊钢的生产工艺技术，重点论述了合金结构钢、汽车用齿轮钢、合金工具钢、高速工具钢、轴承钢、弹簧钢和不锈钢的性能及生产工艺技术。 特殊钢一般是指具有特殊性能或特殊用途的钢种。其与普通钢相比具有更高的强度和韧性、物理性能、化学性能、生物相容性和工艺性能。因其性能特殊，决定了它在国民经济及军事工业中占有极其重要的地位。因此，在生产制造特殊钢时，就需要采用特殊的工艺装备技术来实现特殊的化学成分、特殊的组织和性能。特殊钢的定义在国际上没有明确规定，各国特殊钢的统计分类不完全相同。我国特殊钢定义与日本、欧洲相近，包括优质碳素钢、合金钢、高合金钢三大类，通常展开为优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、轴承钢、弹簧钢（碳素弹簧钢和合金弹簧钢）、耐热钢和不锈钢。由于高温合金与精密合金在特殊钢厂生产，也将这两种合金纳入特殊钢的行列之中统计 1。在特殊钢领域，除优质碳素结构钢、碳素工具钢和碳素弹簧钢外，其余均为合金钢，合金钢约占特殊钢的 70%。目前，世界上特殊钢有近 2 000 个牌号、约 50 000 个品种规格、数百个检验标准。随着科学技术的发展，对特殊钢产量及品种的需要日益扩大，对质量的要求也越来越严格、苛刻。近年来，围绕提高特殊钢性能、质量、品种、效率，降低特殊钢成本、节能降耗、环境友好等方面采用了一系列新技术、新工艺、新装备，使得特殊钢的洁净度、均匀度、组织细化度和尺寸精度等有了很大提高。特殊钢生产工艺流程主要有 3 种 2：1）电炉流程（即短流程）：电炉二次精炼连铸轧制。2）转炉流程（长流程）：高炉铁水预处理转炉二次精炼连铸轧制。3）特种冶金：特种冶炼（如真空感应熔炼、冷坩埚熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等）锻造或轧制。这里要指出的是有些钢种的生产至今还必须走模铸开坯轧制或锻造的工艺流程。因早期特殊钢主要采用电弧炉工艺冶炼，习惯上形成了特殊钢一定要用电炉冶炼，特殊钢厂就是电炉钢厂。而客观事实上也的确存在电炉只有生产特殊钢才可以有好的经济效益，特殊钢只能由电炉冶炼。这主要是由于早期电炉炼钢的特点和特殊钢本身的性质所决定的：1）电炉用废钢中有可利用的合金元素；2）电炉炼钢是靠电弧进行加热的，其温度远远超过 2 000 ，且钢水温度可长时间地精确控制，这样电炉炼钢在难熔合金冶炼、合金化成分及工艺柔性等方面较转炉炼钢有无比的优越性；3）不足是炼钢周期长，生产效率低，成本高（废钢、电价昂贵），炉容小，易增碳、吸氮等。恰好特殊钢产品有合金含量高、多品种、小批量、附加值高等特点，早期用电弧炉炼特殊钢达到了扬长避短的目的。同时人们也一直认为转炉就主要是用来炼普通钢。但是，1）转炉利用纯铁水冶炼特殊钢更纯净；2）废钢中的残余元素难以去除；3）炉外精炼技术的进步使转炉冶炼特殊钢的能力增强。随着社会废钢资源的积累，直接还原技术的开发，电力工业的发展，电弧炉炼钢技术（大容积电炉、超高功率电炉等）和炉外精炼技术的飞速发展，特别是电炉出钢时间的缩短，能与连铸时间良好的匹配，使多炉连浇得以实现，电炉钢厂越来越多地生产普通钢，而转炉钢厂越来越多地炼特殊钢。电炉炼钢、转炉炼钢两种方法，无论是炼特殊钢还是炼普通钢，从质量上和经济上越来越接近。由于宇航、导弹、火箭、原子能、海洋电子等工业的发展，对所需要的金属或合金质量、性能、可靠性、稳定性等的要求越来越高，电弧炉，转炉冶炼的钢质量很难满足这些要求，所以必须使用特种冶金技术。特种冶金包括：真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等。难熔金属（钨、钼、铌、钽）及活泼金属（钛及钛合金，包括钛、铝金属间化合物等）用真空电弧重熔、电子束熔炼以及冷坩埚感应熔炼等方法来制备；高温合金、精密合金以及某些对质量要求很高的合金钢用真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔等方法来生产。真空冶金（Vacuum Metallurgy）区别于大气下的冶金过程，广义包括：真空脱气、真空熔炼、真空熔铸、真空蒸馏、真空分解、真空烧结、真空热处理、真空焊接和真空镀膜等。在此特指两种类型：一种是将熔炼和成锭的整个过程在真空下进行，如真空感应熔炼（VIM）、真空电弧熔炼（VAR）、电子束重熔（EBR）等等，即特种冶炼方法之一；一种是把大气中钢水进行真空处理，即炉外精炼（二次精炼），如 RH 法、VOD 法等。真空冶金使在普通熔炼操作中进行的物理化学反应条件发生了变化，体现在气相压力的降低上。只要冶金反应有气相参加，当反应生成物中气体摩尔数大于反应物中气体摩尔数时，只要减少系统的压力，则可使平衡反应向着增加气态物质的方向移动，这就是真空冶金物理化学反应的基本特点。在普通的熔炼操作中，金属从大气中吸收氧气、氮气和从水分来的氢气。在真空熔炼中，就可以避免这些气体的来源。这些气体对于钢和金属的性能都有相当严重的危害。不仅如此，在真空感应熔炼过程中，原来存在于原料中的或者已经进入钢水中的气体，还可以被去除，产生脱气作用，从而提高合金钢的加工使用性能。另外，在高真空下熔炼，液态金属中某些易挥发性元素，也和气体一样可以不同程度地被排除。这些元素中有许多是有害的，如铅（Pb）、锡（Sn）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）；有些则有时有害，有时却是有用的成分，如镁（Mg）、锰（Mn）、铜（Cu）等。有害元素的挥发能提高合金的性能，有用元素的挥发则应采取相应措施加以防止。其次，在真空条件下，碳具有很强的脱氧能力，其脱氧产物 CO 不断被排除至熔炼系统之外，克服了采用金属脱氧剂的脱氧产物污染金属的倾向。电渣冶金经过了 60 余年的不断发展（1940 年问世），包括电渣重熔、电渣熔铸、电渣浇铸、电渣转铸、电渣热风顶、电渣自熔模、电渣离心浇铸、电渣直接还原、电渣焊等。重熔精炼成熟工艺有 4 种：电渣重熔、真空电弧重熔、电子束重熔和等离子重熔。就目前生产应用而言，电渣重熔金属材料产量居首位，年产量超过其它三种重熔方法产量的总和（2003 年世界电渣钢生产能力超过 120 万 t/a）。等离子弧熔炼是利用等离子弧作为热源来熔融、精炼和重熔金属的一种新型冶炼方法。等离子弧也是一种电弧，不过电离度更高，其特点是能量更集中，温度高，流速快，弧的电压和电流又相当稳定。等离子弧熔炼经过 40 余年的发展（1962 年创始），在炉型结构，冶金特点等方面，大致可分为四大类：等离子电弧炉（PAF）；等离子感应炉（PIF）；等离子电弧重熔（PAR）；等离子电子束重熔（PEB）。总之特种冶金之真空冶金、电渣冶金、等离子熔炼技术，在难熔金属、活泼金属、高温合金、特殊钢锻件生产方面占据重要的地位。但是，近年来随着二次冶炼技术的发展，用二次精炼方法生产的特殊钢，在纯洁度方面已可达到甚至超过特种冶炼的产品，使得过去要靠特种冶炼方法才能生产的品种现在改用二次精炼方法来生产，例如，过去用真空电弧重熔或电渣重熔的轴承钢，现在可用 LF+RH 或 LF+VD 来生产。试验结果表明，用二次精炼方法获得的超纯轴承钢与真空电弧重熔的相比，二者具有相同的寿命。二次精炼技术的发展，使得特种冶金产品失去一部分市场。下面重点介绍合金结构钢、汽车用齿轮钢、合金工具钢、高速工具钢、轴承钢、弹簧钢和不锈钢的性能及生产工艺技术。1 合金结构钢生产工艺技术1.1 前言结构钢包括碳素结构钢和合金结构钢，用于制造金属结构及机器设备。一般具有高的强度、好的韧性和良好的加工性。合金结构钢约含 5以下的合金元素和 0.6以下的碳。近 30 年来，高强度低合金钢（HSLA 或微合金化钢）性能和产量得到了很大的发展，代替结构钢用于焊接、铆接和螺栓结构上，还用来做调质和非调质机器零件。美国将高强度低合金钢列入合金结构钢。合金结构钢是合金钢总产量最高、牌号最多的钢类，中国标准为 GB/T30771999。根据其热处理工艺特点和使用性能，将合金结构钢分成3：调质钢、低温回火钢、非调质钢、渗碳钢、氮化钢、易切钢、超高强度钢、弹簧钢和轴承钢。由于后两者具有各自的独特的性能，通常作为独立钢类，而将前 7 类钢称为合金结构钢。近年来，用以制造齿轮的结构钢被特殊冠名为齿轮钢（特别是合金结构钢，如 Cr-Mo 系列、Mn-Cr 系列、Cr-Ni-Mo 系列等钢种），常在钢种统计中并列出现合金结构钢、齿轮钢。按化学成分特点分类，合金结构钢包括：锰钢、铬钼钢、锰铬钢、镍铬钢、铬锰硅钢等。目前世界较认同的分法是按碳含量多少将合金结构钢分成三大类：1）碳含量0.20的 HSLA 钢，合金元素在 2以下且在热轧状态下使用；2）碳含量0.15%0.25，含合金元素在 5以下的表面硬化渗碳钢；3）碳含量0.20经淬火回火处理的调质钢。1.2 性能力学性能包括强度、塑性和韧性等。其中强度是第一位的，是工件设计和选材的主要依据，可以通过工作应力下的允许残留塑性变形量而计算确定。而塑性和韧性目前仍处于经验确定阶段。提高强度的主要方法有：位错强化、固溶强化、沉淀强化、细晶粒强化、马氏体强化和马氏体时效强化。但是随着强度的提高，一般要影响钢的脆性破坏倾向。晶界强化和沉淀强化相结合的强化方法对低碳低合金钢十分有利，这就是现代控轧微合金化（Nb、V 等）相结合的方法。表 1 所示为淬火和回火合金结构钢等强度下的塑韧性变化 3。可见，随着强度的增加，钢的塑、韧性降低，且表现较大波动性。这种波动性的产生是多因素作用的结果，除了钢的成分因素外，冶金质量的变化是重要原因，它反映在钢的纯度、组织结构、晶粒度和内应力等方面的变化上。表 1 等强度下结构钢的塑性和韧性变化 b/MPa 0.2/MPa /% 1（梅氏冲击试样）/（Jcm -2）800 700750 6575 180240900 800850 6070 1201801 000 900950 5570 901501 100 1 0001 050 5565 701201 200 1 0501 150 5060 501101 300 1 1001 250 4562 40901 400 1 2001 350 4560 40801 500 1 2501 400 4558 30801 600 1 3001 500 4357 25801 700 1 3501 600 4356 25701 800 1 3501 700 4055 20701 900 1 4001 700 3852 20662 000 1 4001 800 3550 20602 100 1 4001 800 3045 20602 200 1 4001 800 2540 2050强度和塑韧性是一对矛盾。对结构钢而言，材料科学和工程的主要任务之一就是不断解决这对矛盾。结构钢属亚共析钢范畴，其中碳含量大多数在 0.5%以下，而建筑结构用钢多在 0.2%以下，机器设备等用钢多在 0.2%0.5%之间。碳是决定强度的最主要而又最经济的元素，只是伴有对钢塑韧性的不利影响以及对焊接性等的严重不利作用，其用量受到综合性能要求的制约。合金元素的主要作用有：提高淬透性，调节强度塑性、韧性配合，满足某些特殊性能要求，改善工艺性能。它们的相应作用是通过钢的显微组织结构的变化来实现的，因此显微组织结构决定了钢的性能。热处理是引起钢显微组织变化的核心，实际上决定了成分、组织和性能三者之间的关系。1.3 生产工艺合金结构钢质量是随着机械制造业对材料要求的不断提高及冶金工艺装备水平的提高而不断提高的，钢材的质量性能高级化、高纯洁度、超细组织、高精度是当前的主要发展趋势。性能高级化是指钢材的化学成分波动小，通过微调成分，使材料的使用性能均匀，强韧性配合适宜，保证由其制作的部件使用性能可靠。对合金结构钢而言，高纯洁度主要是指钢中的氧、硫、磷、氢、