1 项目背景
以弹簧钢、轴承钢、齿轮钢为代表的特殊钢棒线材是机械制造产业的重要基础件用材，量大面广，对我国高端装备、新能源汽车、高铁和武器装备等领域的发展起到重要支撑作用。进入新时代以来，我国炼钢技术水平取得了长足的进步，但在一些特殊钢的洁净度控制上仍然落后于发达国家，在一定程度上削弱了特殊钢棒线材的服役性能，成为国产基础件发展的瓶颈问题。
本项目依托东北大学2011钢铁共性技术协同创新中心由特殊钢冶金工艺与装备技术团队的李阳教授牵头完成，主要成员包括龚伟副教授及孙萌等20多名博士和硕士研究生。针对高等级特殊钢棒线材洁净度差引起性能下降的现状，结合生产线中的实际问题，团队开展了以轴承钢、齿轮钢、曲轴钢、弹簧钢等典型钢种为研究对象的合金成分优化设计和强化机理、硅锰脱氧钢中塑性夹杂物的精准控制理论和工艺、铝镇静钢中B类、Ds类夹杂物控制理论和工艺、含硫钢硫化物形态控制理论与工艺等关键共性技术研究。相关研究成果累计发表SCI论文30余篇，授权发明专利12件，获冶金科学技术奖2项，辽宁省科学技术进步奖1项。
2 研究进展
2.1 高强度悬架弹簧钢制备技术研发
在国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助下，团队针对悬架弹钢55SiCr洁净度控制和组织性能调控等方面开展了一系列研究，最终实现悬架弹钢抗拉强度超过2400MPa，相关创新冶炼工艺已在国内多条弹簧钢产线上实现应用，研究的总体思路如图1所示。
在弹簧钢的洁净度控制上，我国的悬架弹簧钢通常以脱氧能力相对较弱的Si和Mn 控制钢水的全氧含量，熔渣/耐火材料/钢液/夹杂物之间的多相反应对夹杂物成分的变化有着深刻的影响。提高熔渣吸收夹杂物的能力，使夹杂物成分处于低熔点区偏移；对耐火材料与钢液接触时的损毁机制的理解和认识，以及夹杂物引起弹簧钢失效断裂机理是其主要科学问题。
在这一背景下，本项目把熔渣成分设计和耐火材料材质对低熔点夹杂物形成的影响作用作为研究重点，通过钢液-夹杂物平衡热力学指导渣系设计，结合实验提出了渣系成分合理范围，探究了不同材质耐火材料对硅锰脱氧钢洁净度的影响，在研究中创新性引入了矿相智能原位分析软件，在深人剖析耐火材料/钢液反应界面的基础上，揭示了不同材质耐火材料对钢液洁净度的影响机制。
值得一提的是，本项目还提出了一种适用于严苛钢水洁净度要求的新型渣系设计理论，其核心思路是通过碱金属元素离子对熔渣结构的优化，使渣系具有良好的流动性，改善吸收夹杂物的能力，从而大幅度提高钢水的洁净度。这一渣系体系已经被证明可以提高超细切割钢丝的洁净度，目前团队正在研究其对弹簧钢中夹杂物的影响作用。
另外，在洁净度控制工艺优化的基础上，本项目对热处理过程弹簧钢的组织性能调控进行系统研究。在研究中首先探究了传统淬火—回火工艺对悬架弹簧钢组织性能的影响规律，发现在淬火-回火过程中，热处理温度比热处理时间对弹簧钢组织性能的调控效率更高；而相比于淬火制度，弹簧钢组织和性能对回火制度的变化更加敏感。基于对显微组织多尺度表征及力学性能的剖析，最后提出920℃保温10min后淬火，而后375℃回火5min的工艺制度，可以实现弹簧钢抗拉强度达到(2417±13)MPa，屈服强度达到(2031±21)MPa，断面收缩率均在40%之上。
本项目更进一步探究了等温淬火、淬火—配分工艺在弹簧钢热处理中的应用。研究发现等温淬火弹簧钢具有优异的韧性和塑性，特别是有很高的断面收缩率，但弹性极限低于淬火—回火工艺弹簧钢，抗拉强度达2.2GPa级，屈服强度达1.8GPa级。淬火—配分工艺可制备超高弹性高屈强比弹簧钢，也可制备超高强度高塑性弹簧钢。
2.2 超高洁净轴承钢夹杂物与碳化物控制基础研究及应用
轴承钢被誉为“钢中之王”，服役条件严苛，冶金质量要求高。目前我国大多数企业生产的高碳铬轴承钢质量，特别是非金属夹杂物和网状碳化物控制与国际先进水平仍有差距。
Ca和Ti的控制是超高洁净轴承钢制备中的重要问题，钢中钙元素过多会导致以铝酸钙为主的Ds类夹杂物增加，而钛元素易在冶炼和浇注过程形成高熔点、脆硬性的TiN夹杂物，两者皆会对轴承钢的疲劳寿命构成挑战。通过GCr15轴承钢精炼渣系调整、控制软吹时间和原材料质量控制等工艺优化，实现轴承钢中钙含量由工艺改进前的10×10-4%降低到5×10-4%，钛含量由工艺改进前的20×10-4%降低到12×10-4%以下，钢中大尺寸脆硬夹杂物显著减少，成品轴承冶金质量得到显著提升。
团队系统探究了镁与铈处理对AISI440C轴承钢中夹杂物和碳化物控制的优化作用，如图2所示。在实施镁处理的过程中，将自主发展的加压冶金技术应用到了冶炼过程，显著提高了镁在钢中的收得率，极大地提高了钢水的洁净度，实现钢水全氧含量最低脱至0.0003%，夹杂物被变性为具有良好分散特征的小尺寸氧化镁夹杂。这些弥散分布的小尺寸夹杂的存在意义不仅仅在于避免大尺寸夹杂的危害，还在凝固过程中发挥了对碳化物析出的阻断作用，最终实现了钢材抗拉强度和冲击功的显著改善。
铈处理同样可以实现钢液深脱氧和碳化物分布优化，通过理论和实验相结合，分析了不同处理强度下几类含铈夹杂物之间的转化关系及其同基体相的形核关系,结果发现铈处理同样可以实现钢水全氧脱至0.0003%，同时含铈夹杂物的形成可以显著促进晶粒的细化，并进一步改善了晶界碳化物的宏观分布，最终实现钢材的冲击性能大幅度提高。
2.3 汽车齿轮钢和曲轴钢夹杂物形态构型的精准设计
为了改善切削成形过程中的刀具磨损和提高加工效率，汽车齿轮钢和曲轴钢在冶炼过程中会向钢液喂入一定含量的硫，使钢材在凝固冷却过程中形成弥散分布的MnS。MnS具有容易在外力作用下变形的特点，通常会在热轧过程沿轧制方向变形为大尺寸长条状，这不仅会引起材料力学性能的各向异性，也限制了其改善切削性能的效果。如何使钢中 MnS 在轧制后保持细小、均匀、弥散的分布，需要针对凝固过程钢中第二相的形核与变形问题开展深入研究，是特殊钢棒线材制备中的一类具有鲜明特色的冶金学问题。
我们借鉴了前人的研究思路，设计了外加特殊元素氧化物和外加特殊元素两条技术路线，系统研究了镧处理、硒处理、碲处理以及外加氧化物粒子对钢中硫化物形态的影响机理，分析了镧在钢液中的赋存特点，揭示了不同种类含镧硫化物的形态，表征了 MnS、含镧硫化物和 MnSe-Mns 的变形能力，探究了氧化物/硫化物/铁素体的形核关系，比较了表面活性元素碲和硒对硫化物形态影响机制的差异。研究成果丰富和发展了钢中夹杂物形态与种类控制理论，为下一步工业应用建立了理论基础。
3 产业化应用
基于前期理论研究，团队与相关企业合作建成一条高强弹簧钢生产示范线，实现了脆性夹杂物不大于15μm，钢横截面显微硬度波动不大于60HV，全脱碳层为0，使用寿命提高50%，2100MPa级高档弹钢可以向市场持续稳定供货。目前，该项目成果正在国内多家钢厂推广应用。与东北特钢合作，针对汽车油泵用AISI431棒材大尺寸夹杂物探伤不合问题，对过去多年的生产数据进行回溯和分析，开展了多轮工业试验，基于现场跟班采集到的实际问题，通过修订现场夹杂物的控制策略，实现了钢材洁净度的大幅度提高。在炉外精炼过程上，提出了高夹杂物吸附能力的精炼渣系成分范围，通过优化软吹时间实现了夹杂物的有效去除，剖析了RH真空处理过程中夹杂物转变的热力学与动力学。结合东北特钢模铸工艺与装备的实际情况，制定了防止氧化、减少保护渣卷人的工艺要点，实现了对卷渣现象和二次氧化的良好控制。该项技术实现了AISI431棒材夹杂物按K值评定法检验合格，超声波探伤检验综合合格率不小于95%，下游用户生产的高压油泵部件上“发纹”长度和发现率达到国外实物水平，有力保障了产品的持续稳定供货。该项目通过2023年沙钢集团技术创新成果奖一等奖初评。
李 阳
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