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特殊钢生产工艺技术概述
周 建 男
（青岛钢铁控股集团有限公司 总工程师办公室，山东 青岛266043）
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。
关键词：特殊钢；性能；生产工艺
中图分类号：TF76　　 文献标识码：A　　 文章编号：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/T3077—1999。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
σb/MPa σ0.2/MPa ψ/% α1（梅氏冲击试样）/（J•cm-2）
800 700～750 65～75 180～240
900 800～850 60～70 120～180
1 000 900～950 55～70 90～150
1 100 1 000～1 050 55～65 70～120
1 200 1 050～1 150 50～60 50～110
1 300 1 100～1 250 45～62 40～90
1 400 1 200～1 350 45～60 40～80
1 500 1 250～1 400 45～58 30～80
1 600 1 300～1 500 43～57 25～80
1 700 1 350～1 600 43～56 25～70
1 800 1 350～1 700 40～55 20～70
1 900 1 400～1 700 38～52 20～66
2 000 1 400～1 800 35～50 20～60
2 100 1 400～1 800 30～45 20～60
2 200 1 400～1 800 25～40 20～50
　　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、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），从而使一系列高强和超高强材料的塑韧性问题得到解决。组织的超细化可以提高强度、改善韧性。
　　目前对于工业化商业性生产来说，合金结构钢的生产水平：[O]≤15×10-6、[S]≤10×10-6、[N]≤20×10-6、[P]＜20×10-6。日本生产清洁钢的工艺流程如图1所示[4]。电炉短流程合金结构钢长型材生产工艺流程如图2所示[2，4-5]。

图1 现代低杂质HSLA钢的生产工艺流程

图2 电炉短流程合金结构钢长型材生产工艺流程
　　2 汽车齿轮钢生产工艺技术
　　2.1 前言
　　汽车齿轮是汽车的重要零部件之一，起着传递动力的作用。当下人们对汽车高速、安全、舒适、节能、环保等性能要求的日趋严格，传动系统向小型化、轻量化、高功率化的趋势发展，要求提高齿轮寿命、传动精度和降低齿轮成本。因此，使得汽车齿轮承受的负荷越来越大，对汽车齿轮钢质量的要求也越来越高。
　　随着社会汽车保有量及生产量的不断扩大，汽车齿轮钢用量也在增加。中国汽车保有量2010年约达到900～1 000万辆。按年产汽车600万辆，其中轿车300万辆、客车140万辆、载重车160万辆，每辆轿车、载重车、客车用齿轮钢量为38、100、180 kg估算，年新产汽车用齿轮钢量约54.2万t，2010年约达到90～100万t。齿轮钢代表钢号： 20CrMnTiH、20CrMoH、SCM822H（日本牌号Cr-Mo系列钢种）、20Cr、40Cr 、28MnCr5（德国牌号Mn-Cr系列钢种）、SAE8620H（美国牌号Cr-Ni-Mo系列钢种）。中国标准执行GB/T3077-1999、GB/T5216-85。
　　我国车辆齿轮用钢采购技术标准已出台。齿轮钢材贸易与质量监控协作网对齿轮钢材采购技术标准（协议）提出下列必须满足的6项条件：1）末端淬透性：淬透性带宽（上限减下限）不能超过7HRC。2）氧含量≤0.003 0%。3）非金属夹杂物：A类细系、粗系≤2.5级；B类细系、粗系≤2.5级；C类细系、粗系≤2.0级；D类细系、粗系≤2.5级。4）奥氏体晶粒度细于或等于5级。5）表面质量符合GB/T3077-1999《合金结构钢》的规定。6）尺寸符合GB/T702-1986《热轧圆钢和方钢尺寸、外型、重量及允许偏差》的规定。
　　2.2 齿轮钢质量水平主要指标
　　汽车齿轮钢属结构钢，其中以合金结构钢为主，渗碳齿轮钢比例在不断扩大，尽管开发和引进了各种类型的齿轮钢，但20CrMnTiH仍被广泛应用。
　　有些机器零件如汽车齿轮，工作时受到周期性变载荷（扭转或弯曲力）及冲击载荷的作用，且零件与零件表面之间还有相对的摩擦，并有高的接触应力。这些零件对材料的机械性能要求：1）材料具有高的屈服强度和高的弯曲疲劳性能；2）材料表面具有高的接触疲劳强度和高的耐磨性。
　　含碳量为0.4%及以上的结构钢不能满足要求，因其经热处理后尽管硬度很高，但韧性太低，达不到内韧外硬的要求，故用低碳结构钢进行渗碳，使零件从表面到中心具有从高碳（0.8%～1.1%）到低碳（0.10%～0.25%）连续过渡的化学成分。使零件表面层具有高强度、高耐磨性，零件心部具有适当的强度和较好的韧性，使零件满足其在机械性能上的要求。对于一般零件，渗碳层的含碳量限制为0.8%～1.1%；渗碳层的深度控制在0.6～2.0 mm之内。
　　齿轮传动装置按密封形式可分为开式、半开式及闭式3种；按使用工况可分为低速、高速及轻载、中载、重载；按齿轮齿面硬度的不同，又分为硬齿面齿轮（齿面硬度HRC＞55，如经整体或渗碳淬火、表面淬火或氮化处理）、中硬齿面齿轮（齿面硬度55＞HRC＞38，HB＞350，如齿轮经过整体淬火或表面淬火）、软齿面齿轮（齿面硬度HB＜350，如经调质、常化的齿轮）。
　　齿轮传动的失效形式主要为齿面的疲劳点蚀、胶合、磨损、塑性变形和轮齿的疲劳断裂以及冲击折断等。特别是随着汽车高功率化和轻量化的进展，提高齿轮钢强度的要求越来越迫切。由于齿轮齿根承受循环弯曲应力、齿面承受接触应力、同时齿轮还承受冲击载荷。因此，要求齿轮钢具有高的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度、良好的耐磨性，而且还必须具有充分的韧性。目前，汽车齿轮大都进行渗碳淬火处理。齿轮在进行渗碳淬火热处理时，其热应力和组织应力使齿轮产生变形。齿轮的渗碳淬火变形可以从变形的分散度和变形量两方面来考虑。为了减小热处理变形－降低齿轮变形的分散度和减小变形量，要求不同批次热处理的齿轮都具有同等程度的淬透性，并在热处理过程中保证各部位得到同等程度的淬火。为此，钢材冶炼时必须抑制淬透性的变化，渗碳淬火时必须控制奥氏体晶粒度。
　　国际上通常认为：衡量齿轮钢质量水平的主要指标有3项[6]，即窄的淬透性带；高的纯洁度；细小的晶粒度。这三项主要指标按质量水平分了两个层次，即高水平和次高水平：高质量水平：淬透性带≤4 HRC；纯洁度[O]≤15×10-6；晶粒度≥6级。次高质量水平：淬透性带≤6 HRC；纯洁度[O]≤20×10-6；晶粒度≥5级。
　　通过大量工作，特别是经过近15 a来的努力，国产齿轮钢质量水平有了较大提高，已经超过了“次高质量水平”，接近了“高质量水平”，但淬透性指标尚需进一步稳定提高。我国某著名特殊钢厂齿轮钢实物质量水平达到：晶粒度≥6级、淬透性带≤6 HRC（淬透性带≤5 HRC产品比例较高）、纯洁度[O]≤20×10-6（均值[O]≤15.6×10-6）。
　　2.2.1 淬透性 是指钢在一定奥氏体化条件下淬成全部或部分马氏体的能力。淬透性对钢的组织性能影响很大，淬透性高的钢其力学性能沿截面均匀分布，即表面与心部力学性能差距小或一致。钢材淬透性稳定与否对齿轮热处理后变形影响很大，淬透性带宽度越窄、离散度越小，则越有利于齿轮加工、提高齿轮寿命及啮合精度。影响淬透性的主要因素是钢的化学成分[7]，如果将化学成分稳定控制在一个水平，则得到的淬透性带也相对稳定在一个水平。可通过钢的化学成分对淬透性影响的回归分析，制定化学成分控制目标值，进而实现淬透性窄带控制。
　　2.2.2 纯洁度 齿轮钢高纯洁度主要是指钢中的氧、硫、磷、氢而言，但更重视钢中的氧含量，因为钢中氧含量的降低，氧化物夹杂也随之减少。有人做过渗碳铬－钼钢氧含量对齿轮疲劳寿命影响的试验，当氧含量从25×10-6降低到11×10-6时，其接触疲劳强度可提高4倍。目前齿轮钢中的氧含量一般控制在20×10-6以下，大部分在15×10-6以下，这样可有效地减少夹杂物含量，提高钢的韧性、耐磨性。今后渗碳钢对氧含量的限制并不逊于轴承钢，齿轮钢脱气精炼将成为必然。
　　2.2.3 晶粒度 细小均匀的奥氏体晶粒度对稳定钢材的淬透性、减少齿轮热处理后变形量、提高渗碳钢的脆断抗力十分有利。有人研究，当晶粒度＜5级时，渗碳钢的脆断抗力显著降低并使齿轮剥落的脆化因素增加。例如模数为4的渗碳齿轮模拟试样的试验结果，20Cr2Ni4A钢的晶粒度由8级变为5级时，抗弯强度从3 000 MPa降到2 330 MPa，破断功从580 J降到460 J。晶粒细化可提高对裂纹传播的抗力，增加渗碳层的强韧性。
　　2.3 生产工艺
　　汽车齿轮钢质量是随着汽车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[6]。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。齿轮钢窄淬透性带的控制是提高齿轮精度和寿命的手段之一。对齿轮钢而言，高纯洁度主要是指钢中的氧含量[O]≤15×10-6，从而使一系列齿轮钢材料的塑韧性问题得到解决。组织的超细化也可以提高强度、改善韧性。齿轮钢的生产工艺就是围绕着上述内容展开的。目前主导的齿轮钢电弧炉生产工艺路线见图2。
　　我国某著名特殊钢厂Mn-Cr5系列齿轮钢电弧炉生产工艺：50 t/UHP—60 t/LF—60 t/VD—大方坯连铸或3 t锭/模铸（接Φ850 mm初轧机）—成品轧机或锻机—精正、热处理—成品Φ12～130 mm （热轧或缓冷或退火状态交货）。
　　由于齿轮钢品种较多，质量要求差别也较大，因此目前工业生产中的各种冶炼方法几乎都在应用。
　　今后齿轮钢要做的工作仍然是窄的淬透性带、高的纯洁度、细小的晶粒、良好的加工性能（如易切屑、冷挤压、锻造等）。
　　3 合金工具钢生产工艺技术
　　3.1 前言
　　合金工具钢是制造模具、量具和刃具的原材料，是在碳工钢成分的基础上，加上铬、钼、钒、钨等合金元素，提高淬透性、韧性、耐磨性和热硬性等。
　　我国合金工具钢牌号较多，GB1299-85标准中包括33个。按加工方法分为压力加工用钢和切削加工用钢。按用途分为量具刃具用钢（9SiCr等6个钢号）、耐冲击工具用钢（4CrW2Si等3个钢号）、冷作模具钢（Cr12、Cr12Mo1V1等10个钢号）、热作模具钢（5CrMnMo、4Cr5MnSiV等12个钢号）、无磁模具钢（7Mn15Cr2AI3C2WMo）、塑料模具钢（3Cr2Mo）。
　　3.2 性能
　　刃具钢要求具有高温硬度、耐磨性、高韧性和适当的强度。量具钢应具有较高的硬度和耐磨性以及一定的强度和韧性，以减少磨损和破坏，同时还应具有较高的组织稳定性，以免发生时效或其它相变而变形影响尺寸稳定性。冷作模具钢必须具有高强度、高硬度、高耐磨性和足够的韧性。热作模具钢还必须具有良好的抗热疲劳性、耐磨性及冲击韧性。可见合金工具钢有3种最主要的性能，即钢的耐磨性、韧性和高温硬度。钢中加入铬、钼、钨、钒等合金元素，就可以改善和提高上述性能。各个合金元素在合工钢中的作用，以及彼此作用大小的顺序如下[2]，提高耐磨性：V、W、Mo、Cr、Mn；提高淬透性：Mn、Mo、Cr、Si、Ni、V（固溶于奥氏体后）；减小淬火变形：与Cr同时存在的Mo、Cr、Mn；细化晶粒、提高韧性：V、W、Mo、Cr；增大热硬性：W、Mo、Co（和W或Mo同时存在）。
　　除合金元素外，钢的凝固条件也是很重要的，因为钢液凝固时产生结晶偏析，同时形成碳化物网，这类碳化物的存在对钢的韧性不利，而且会降低耐磨性。另外，工具钢尤其是模具钢的关键部位或部件大部分是多向受力，因此，提高材料的等向性能，改善横向的韧性和塑性，可以大幅度提高工模具的使用寿命。近年来，国外各主要特殊钢厂均致力于开发高等向性能的模具钢，如奥地利伯乐钢厂、日本日立金属公司安来工厂。这些高等向性能模具钢的塑性、韧性值相当于纵向值80％~90％（一般模具钢为40％～60％），可提高模具寿命1～3倍。1999年由国家冶金工业局主持，抚顺特殊钢（集团）有限责任公司与北京钢铁研究总院承担的《高质量高性能模具钢开发、应用及市场一体化创新工程》国家技术创新项目研究方向是：模具钢的高淬透性、高耐磨性、高耐热疲劳性、高耐蚀性、优良退磁性等。
　　提高合金工具钢的纯净度，如降低4Cr5MoSiV1钢的磷含量（从0.03％降至0.01％），可使淬回火后的冲击值提高1倍。将钢中的氧含量降低，也可以显著改善钢的韧性，国外有的特殊钢厂已将模具钢的氧含量规定为≤15×10-6。
　　3.3 生产工艺
　　合金工具钢的冶炼水平是保证钢的化学成分和基本性能的先决条件，尤其是对保证钢的等向性、纯洁度和碳化物均匀性起到关键作用。目前主导的冶炼工艺是电炉——二次精炼（喷粉精炼、钢包精炼、真空处理等方法），对于更高要求的钢种，则采用电渣或真空电弧重熔工艺。
　　由于合金工具钢的特殊性，目前铸钢仍以模铸为主，为保证钢锭质量，广泛采用了保护气体浇铸、真空浇铸、保护渣等防止二次氧化技术。为了提高钢材的收得率，国外有些特殊钢厂已经采用连铸工艺生产中、低合金工具钢，对高合金莱氏体模具钢正在开展连铸工艺试验。常选用大截面连铸机，多半选择大弯曲半径或立式、水平连铸机。在连铸生产中一般都采用保护浇铸、液面控制和多极电磁搅拌技术，以确保铸坯质量。
　　凝固形成的显微偏析，只有在高温下各元素的扩散作用才能得到改善，因此在一些高合金模具钢的大型钢锭或枝晶严重的钢锭，以及要求具有良好的等向性的钢，都进行扩散退火，也称均匀化退火。如奥地利伯乐钢厂对H13进行试验，对4～6 t钢锭加热到1 280～1 300℃，保温24～30 h退火后快冷到800 ℃，然后转入保温炉使其完成相变，再升温进行锻造加热，经均匀化后Mo在钢中的偏析度可以从1.5下降到1.1，可使横向性能与纵向性能比较接近，在提高横向性能（即提高等向性）的同时，还可以减少热处理变形，提高热作模具钢的抗冷热疲劳性能，从而使模具寿命得到提高。
　　锻造使铸态组织中的孔洞焊合，改善钢的致密性，随着锻比加大，锻件的纵向和横向机械性能明显提高。另一方面，锻造将偏析沿流动方向延伸形成带状组织，对韧性不利，当锻比超过一定数值后，横向机械性能（与金属流动方向垂直的方向）急剧下降，导致锻件出现各向异性。因而锻比过小过大都是不合适的。锻比对韧性的影响是这两种因素作用的综合结果[8]。
　　为了提高模具钢的等向性，一般都采用多向轧制及多向镦锻。为了提高成材率、生产效率和钢材的尺寸精度，多采用高效率、高精度的快锻机、精锻机和精轧机。
　　奥地利GFM公司设计的WF型CNC控制的3或5机架平立可逆精轧机组，就是专门用来生产高精度尖角模具扁（方）钢的。抚顺特殊钢有限公司成功地引进了1套WF5－40机组，已于1995年试车投产。合金工具钢的质量和性能不仅受到成分、冶炼和加工等的影响，还与热处理密切相关。选择合适的热处理制度，并采用能够准确控制的先进热处理设备，对于充分发挥材料的潜能是不可缺少的。如消除内应力退火，预硬化处理，固溶处理，调质处理，球化退火表面处理等。广泛采用大型连续式可控气氛或保护气氛退火炉。图3为我国某特殊钢厂工（模）具钢生产工艺流程示意图。

图3 我国某特殊钢厂工（模）具钢工艺流程示意图
　　4 高速工具钢生产工艺技术
　　4.1 前言
　　高速工具钢也叫“锋钢”，是高碳高合金工具钢，钢中含碳量为0.7%～1.4％，钢中含有能形成高硬度碳化物的合金元素，如钨、钼、铬、钒等，高速钢就是利用上述金属元素，一方面推迟马氏体分解，一方面产生二次硬化。二者综合的结果，使高速钢具有良好的红硬性。
　　高速钢主要用于制造切削速度高、耐磨性好、且要在高温下能保持其切削性能的工具，如铣刀、刨刀、滚刀、拉刀、丝锥、铰刀等。也可以用于制作冷作模具，还可制作高温轴承、高温弹簧。
　　高速钢是合金钢中生产量最少，品种规格繁多，生产技术难度较大的钢种。按主要合金元素不同分为钨系（如W18Cr4V）、钼系（如W2Mo9Cr4VCo8）和钨钼系（如W6Mo5Cr4V3）；按用途分为通用型（W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2）和超硬型（W6Mo5Cr4V2
　　Co8）；按压力加工成型方法可分为锻材、轧材、冷拉材；按钢材外形区分为棒材、线材、扁钢、板带材；按交货状态分黑皮材和银亮材，在银亮材中又有剥皮、磨光及抛光之分。高速工具钢棒技术条件（GB9943－88）中，列出了14个钢的牌号。
　　4.2 性能
　　高速钢除要求高硬度、高耐磨性以外，还要求高红硬性，即在高速切削条件下刀刃不会因发热而软化的性能。这类钢在适当淬火回火热处理后的硬度，一般高于HRC63，高的可达HRC68~70，目前多把后者称为超硬型高速钢，并且在600 ℃左右，仍然保持HRC 63～65的高硬度。红硬性也叫赤热硬性或热稳定性，与钢的室温硬度或高温硬度都有一定的关系。但在切削条件下，由于刀具反复受热和冷却，情况比较复杂，目前只是近似地用人为规定的指标来表示红硬性。
　　铸态的高速钢为莱氏体钢。这类钢的铸态组织以粗大的共晶莱氏体网和黑色组织为主要特征。这种共晶莱氏体的相组成物是γ和M6C[Fe3W3C～Fe4W2C，Fe3Mo3C～Fe4Mo2C，Fe3（W，Mo）3C～Ｆe4（W1Mo）2C等]。M6C以鱼骨状的形态分布在奥氏体周围，鱼骨状碳化物骨络之间填充的是共晶γ相。这种共晶莱氏体严重损害着高速钢的性能。铸态组织中的黑色组织则是δ相的共析分解产物，其相组成物也是γ和M6C。但其组织特征是片状的珠光体型的，只是由于在低倍显微镜下不易分辨清楚其片层，呈黑色，故常称为黑色组织。莱氏体中的共晶碳化物，在1 300 ℃高温下也难溶于奥氏体中，因此无法通过热处理来改变其形态。只有通过塑性变形使其细化。变形程度愈大，碳化物共晶体愈细化，分布愈均匀。
　　钢的纯洁度主要影响钢的塑韧性、焊接性和某些含铝高速钢的强韧性。单一电弧炉冶炼的高速钢，氧含量一般在（40～60）×10-6，硫含量约0.01％。炉外精炼可将氧含量降到20×10-6，氮含量约100×10-6，硫含量在0.01%以下。对其热塑性的提高和降低脆性倾向有益。高速钢具有低塑性和高变形抗力；同时，由于组织中存在熔点较低的共晶偏析区，当加热到1 250 ℃以上时，偏析区的晶粒长大，晶界熔化，极易产生过热、过烧现象；高速钢含碳量高，所以也易脱碳；高速钢的宽展量较碳素钢大1.1倍；轧或锻后，空气中过快冷却，淬成马氏体组织，易产生裂纹（高速钢坯、材，热轧后必须进行缓冷）。
　　总之，高速钢含碳量高和含有大量的颗粒度不同、成分不同的合金碳化物，正是由于这些碳化物对高速钢的性能起了重要作用，但同时也给高速钢的生产带来了相当大的难度。
　　4.3 生产工艺
　　一般要求的通用型高速钢工艺流程为：
　　电炉—模铸（下注）—退火或热送开坯锻造或初轧—退火—修磨—开二次坯或加工成材—成品退火—精整—包装—出厂。
　　要求较高质量的大断面高速钢工艺流程为：
　　电炉—浇注电极坯—退火—电渣重熔—退火—开坯—退火—修磨—退火—精整检查—包装—入库。
　　棒—棒银亮材生产工艺流程为：
　　矫直—两端切齐倒棱—修磨—无芯磨床粗磨、精磨—抛光—精矫—防腐处理—包装—入库。
　　线—棒银亮材生产工艺流程为：
　　盘条喷丸去鳞—开卷、矫直—冷拔—精矫—剪断—矫直、抛光—涡流探伤—精磨—防腐处理—包装—入库。
　　线—线银亮材生产工艺流程为：
　　盘卷酸洗或抛丸去鳞Φ5.5～Φ10 mm—冷拔—真空退火—冷拔—真空退火—直至成品—涡流探伤—包装入库。
　　我国某特殊钢厂高速钢生产工艺流程为：
　　30 t电炉熔炼－注锭（或铸电极－退火－电渣重熔）－2 000 t 快锻机开坯（大圆）或1 000 t精锻机开坯（小圆）－退火－修磨－1 000 t精锻机成材或轧制成材－退火－精整检查－包装－入库。
　　高速钢生产绝大多数都用电弧炉（15～30 t，带有电磁搅拌装置），模铸钢锭仍是各国普遍采用的。电渣重熔对于大断面高速钢材不仅能改善钢的纯洁度，更重要的是保证大钢锭有较快的凝固速度，避免共晶碳化物粗化，使得大断面成材时，既能保证足够的锻压比，又能保证内部冶金质量，有的国家习惯于Φ100 mm以上用电渣重熔，有的则定为Φ150 mm以上。为了使高速钢碳化物破碎更有效，控制变形量和变形温度，通常用快锻机与精锻机联合生产高质量要求的大断面材。中小型材和钢丝生产已普遍采用高精度无扭连轧机。
　　棒材退火用保护气氛连续辊底式炉，可以得到组织均匀、硬度波动范围小、不脱碳、氧化烧损小的效果。盘圆退火用保护气氛或真空罩式炉（或井式炉），可以得到上述效果。
　　特殊钢厂对钢材精整十分重视，尤其是对高速钢，精整作业线的场地通常是成材轧制线的1～1.5倍。高速钢材的精整线包括：初矫、喷丸、精矫、倒棱、剥皮、精矫、抛光、光谱分析、超声和涡流探伤、分检、测径、分析、自动打印、称重、自动打捆包装。
为解决铸锭中形成大块莱氏体共晶、碳化物分布不均匀的问题，采用粉末冶金方法提高高速钢的组织和性能。炉外精炼装备逐步用于高速钢生产，主要用LF（V），也有SKF钢包炉。国外有的厂可以用连铸生产高速钢，但仅限于通用型钢种和小断面材。世界先进的高速钢生产工艺流程如下。
　　1）通用型钢种、中小型材及钢丝生产流程：电炉（UHP）－精炼炉LF（V）－连铸－退火－修磨－棒、线连轧：①棒材（＞φ20 mm）－保护气氛连续退火－精整剥皮－在线检测－成品包装（φ20～φ40 mm光亮材）；②线材（φ5.5 ～φ20 mm）－保护气氛或真空罩式退火－连续拉拔开卷或磨光、抛光－在线检测－成品包装（φ5～φ20 mm冷拔材、光亮材）；③线材（φ5.5 mm）－保护气氛或真空罩式退火－温拉或温轧－真空退火－矫直或磨光－在线检测－成品包装（＜φ5 mm冷拔磨光钢丝）。
　　2）大断面材及高牌号钢材生产流程：电炉（UHP）－精炼炉LF（V）－铸锭（或铸电极－电渣重熔）－退火－快锻或精锻开坯－退火、修磨－精锻成材－退火－精整－在线检测－成品包装。
5 轴承钢生产工艺技术
5.1 前言
　　轴承用钢的质量是所有合金钢中要求最严格、检验项目最多的钢种。世界公认轴承钢的水平是一个国家冶金水平的标志。轴承对其材料的要求较高，必须具备高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度、弹性极限，良好的冲击韧性、断裂韧性、尺寸稳定性、防锈性能和冷热加工等性能。为保证这些性能要求，轴承钢的冶金质量必须保证其严格的化学成分及化学成分均匀性，特别高的纯净度，极低的氧含量和残余元素含量，严格的低倍组织和高倍组织，严格的碳化物均匀性，严格的表面脱碳层和内部疏松、偏析、显微孔隙等，不允许存在裂纹、夹渣、毛刺、折迭、结疤、氧化皮、缩孔、气泡、白点和过烧等表面和内部缺陷。我国特钢企业2007年轴承钢产量为245万t。
5.2 性能
　　当前世界各国所使用的轴承钢主要有5大类[9]，即高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢、中碳轴承钢。
　　1）高碳铬轴承钢。高碳铬轴承钢是含铬0.6%～1.5%的高碳合金钢，目前我国标准中采用5个牌号，GCr15、GCr6、GCr9、GCr9SiMn、GCr15SiMn。高碳铬轴承钢已有100多年的历史，长期的生产和使用证明，这种钢基本上可以满足一般工作条件的轴承要求，具有良好的耐磨性和抗接触疲劳性能，有较理想的耐锈蚀性和一定的弹性、韧性，加工性能较好，价格也较便宜，因此应用最广。由于淬透性的差别，其中用量最大的是GCr15和GCr15SiMn，GCr6和GCr9已很少采用。
　　2）渗碳轴承钢。渗碳轴承钢实质上是优质渗碳结构钢，目前我国标准中采用6个牌号，G20CrMo、G20CrNiMo、G20Cr2Ni4、G20CrNi2Mo、G10CrNi3Mo、G20Cr2Mn2Mo。这类钢经过渗碳、淬火、回火等热处理工序后，表面具有很高的硬度和一定的耐磨性以及较高的抗接触疲劳强度，且其心部都具有良好的韧性、一定的强度和硬度。主要用于承受冲击载荷下的轴承和特大型轴承，如铁路、轧钢机用轴承等。
　　3）不锈轴承钢。有马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢，目前我国标准中采用3个牌号，9Cr18、9Cr18Mo、Cr14Mo4。其中以马氏体不锈钢9Cr18使用最多。这类钢经过热处理可以得到全部或大部马氏体组织，具有高强度、很好的耐磨性和韧性，特别是在海水、酸、有机盐水溶液中具有较强的抗锈蚀能力。这些轴承钢的缺点是碳含量高，碳与铬形成粗大的一次碳化物，降低材料的机械性能，减少铬元素对抗腐蚀的贡献。1Cr18Ni9Ti等奥氏体不锈钢，经热处理后可以得到单一的奥氏体组织，具有良好的韧性和很好的抗腐蚀能力。但由于强度、硬度不高，只适用于制造低负荷、低转速轴承。
　　4）高温轴承钢。高温轴承钢具有一定的高温硬度和高温耐磨性。高温接触疲劳强度、抗氧化、耐冲击、高温尺寸稳定性等特点。此类钢利用高速钢和高铬马氏体不锈钢的一些钢号。我国目前使用的高温轴承钢主要有：9Cr18Mo（260 ℃）、Cr4Mo4V（315 ℃）、Cr14Mo4（480 ℃）、W6Mo5Cr4V2（480 ℃）、W9Cr4V2Mo（520 ℃）、W18Cr4V（560 ℃）、W12Cr4V5Co5（590 ℃），其中使用最普遍的是Cr4Mo4V。高碳铬轴承钢的回火温度是160～180 ℃，所以使用温度一般不超过120 ℃，如果使用温度超过120 ℃，钢的强度急剧下降，尺寸不稳定，并导致轴承的疲劳强度降低。所以，只能用高温轴承钢而不能用高碳铬轴承钢，如飞机用涡轮喷气发动机的功率越来越大，压缩机和涡轮机的主轴轴承要求耐高温，其工作温度一般为55～260 ℃，高者可达370 ℃，在这种工作条件下，只能采用高温轴承钢。
　　5）中碳轴承钢。中碳轴承钢是中碳合金钢，我国目前主要有：55、50MnA、70Mn、5CrMnMo、60CrMnMoA、55SiMoVA、50SiMo，后两个钢号是我国开发的抗冲击轴承钢。此钢类适用于制作掘进、起重、大型机床等重型设备上用的特大尺寸轴承，一般转速不高，但承受较大的轴向、径向载荷及弯曲应力等。
5.3 生产工艺
　　钢的冶炼水平是轴承钢内在质量好坏的先决条件。钢中的氧含量、成分偏析，夹杂物数量及分布，大颗粒碳化物的状况是影响轴承钢内在质量的重要冶金因素。近年来，轴承钢的冶炼技术就是围绕这些关键因素相继发展起来。钢中氧含量可稳定在≤（10～15）×10-6，一些先进企业可控制在（5～8）×10-6。
　　钢中夹杂物分为A（硫化物）、B（氧化物）、C（硅酸盐）、D（点状不变形夹杂）4种类型，不同类型的夹杂物对轴承寿命影响也不同，夹杂物的尺寸和在钢中的位置对轴承寿命也有不同的影响。钢中氧含量愈低，轴承钢寿命愈高。上述4种夹杂物中后三者都是由氧化物所构成，三者对轴承寿命的有害影响已为大量事实所证明，钢中的氧含量几乎全部（除溶解氧外）由它们提供。因此，近年来在衡量轴承钢质量上把氧含量当作极为重要的指标。
　　无论是转炉或电炉流程，二次精炼是轴承钢生产中的关键工序，主要精炼设备以LF或ASEA－SKF配有VD或RH为主，可使内在质量得以保证。
　　轴承钢连铸的问题一直是人们关注的重点。长期以来，连铸坯中心疏松和偏析严重的问题并没有得到根本的解决，至少在我国还是一个“难题”。既使采用了电磁搅拌技术、轻压下技术改善疏松和偏析，由于中心疏松会残留在球极区，又会带来新的“白亮带”缺陷。尽管如此，目前，轴承钢的连铸工艺已被世界众多特殊钢厂所采用，而且除部分滚动体用轴承钢外，绝大多数轴承钢采用连铸生产。目前，为了解决轴承钢连铸坯的质量问题，正在积极地开展着如下工作：除强化冶炼技术、降低钢中的氧含量和有害杂质外，在连铸过程还采用中间包加热、电磁搅拌、结晶器液位控制、强化二次冷却和液相穴压下技术，采用浸入式水口加保护渣的保护浇铸技术，增大连铸坯断面达到大的压缩比热轧轴承钢材等。
　　在轴承钢棒材轧制生产中，对坯料进行表面探伤，修磨，实现精坯轧制已达成共识，并且要严格遵守加热工艺制度以控制脱碳程度。采用控轧、控冷技术，步进加热炉、连轧机组、连续退火炉，在线质量监控等技术。
　　世界上生产轴承钢最著名的厂家有瑞典SKF公司，日本的山阳特殊钢厂，美国Timken公司等。
　　日本山阳公司的棒线生产工艺流程：UHP电炉－LF精炼炉－RH精炼炉－连铸或模铸－初轧－三辊行星轧机或大型轧机－无损探伤－修磨－连轧机组－无损检验－连续炉球化退火－无损检测－检验入库。
　　SKF公司OVaK0钢厂棒线生产工艺流程：电炉－LFV精炼炉－模铸－均热炉－初轧－火焰清理－150×150坯料－检验、喷丸、修磨－加热－除鳞－轧制－冷却－剪切－打包－发货。该厂年产45万t钢，全部采用模铸，初轧开坯，而没有采用连铸。OVaK0钢厂也认为连铸轴承钢已不是技术问题，但是他们主要考虑了经济问题，因产品规格的覆盖面使其投资成本与产量规模不相匹配。他们进行了一系列有利于产品质量提高的改造投资。
　　我国某著名特殊钢厂轴承钢棒材4条生产线工艺流程：
1）电炉－VHD精炼炉－模铸（680 kg锭）－钢锭修磨（需要时）－Φ650轧机－酸洗、抛丸、检查－修磨－需要时退火－包装－入库。
　　2）UHP电炉－LF+VD精炼炉－连铸或模铸（3 t锭）、850开坯－检查－修磨－连轧（需要时连续退火）－检查－修磨－校直－包装入库。
　　3）电炉－模铸电极－电渣冶金－轧制－或热处理－精整－包装入库。
　　4）真空感应炉－真空自耗炉－轧制－精整－或热处理－包装入库。

图4 美国Timkem公司Faircrest厂的工艺流程
6 弹簧钢生产工艺技术
6.1 前言
　　弹簧种类较多，按照所承受的载荷不同，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等；而按照弹簧的形状不同，又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板簧和盘簧等。用以制造弹簧的钢材，统称弹簧钢。当前用于制造弹簧的钢材包括碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈、耐热钢以及合金工具钢和高速工具钢等钢种。通常所说的弹黄钢[10]是指碳素弹簧钢和合金弹簧钢（2007年中国合金弹簧钢产量160万t[11]）。碳素弹簧钢的碳含量一般在0.62%～0.90%。按照其锰含量又分为一般锰含量（0.50%～0.80%，如65、70、85）和较高锰含量（0.90%～1.20%，如65Mn）两类。合金弹簧钢包括Si-Mn系（60Si2Mn，相当于美国的9260，日本的SUP6、SUP7，德国的60SiCr7）；Cr-Mn系（55CrMnA，相当于美国的5155、日本的SUP9、德国的55Cr3）；Cr-V系（50CrVA，相当于美国的6150、日本的SUP10、德国的50CrV4）；CrMnB系（60CrMnBA，相当于美国的51B60、日本的SUP11A）等。
6.2 性能
　　弹簧主要是在往复、交变动载荷及恶劣的环境条件（如振动、冲击、拉伸、压缩、扭转、弯曲、腐蚀等）下使用，要求弹簧钢具有下述性能：良好的力学性能，如高的抗拉强度、屈服强度、硬度、塑性、韧性以及弹性极限、比例极限等，但要同时保证其所有性能具有很高的水平是很困难的。因此，应视使用情况，优化各项指标，以达到最佳的综合力学性能配合；良好的抗疲劳性能和抗弹减性能；良好的工艺性能，包括淬透性、热处理工艺性能（如淬火变形小、不易过热、晶粒均匀细小、回火稳定性高、不易脱碳、石墨化和氧化等）和加工成形性能；此外，还必须具有良好的内在质量和表面质量。
　　疲劳破坏和弹性减退失效是弹簧两种最常见的破坏形式。通常通过固溶强化、沉淀强化、细晶强化来提高弹簧钢弹减抗力，弹簧钢中常用的合金元素Si、V、Ni、B可提高其弹减抗力。
　　良好的内在质量是由冶金过程决定的。首先应保证准确的化学成分，这样才能在加工和热处理后得到确保性能的显微组织，良好稳定的淬透性以及各种性能。另外，应有高的纯洁度，P、S等杂质元素和H、N等要低。钢中的各种非金属夹杂物不但要求含量低而且要控制其形状、大小、分布、成分等，尤其是要减少颗粒尺寸大、硬度高、不易变形的夹杂物，这些有害夹杂物是应力集中源，易引起裂纹疲劳破坏。
　　表面质量是弹簧钢另一重要技术指标，表面质量包括表面脱碳、表面缺陷（裂纹、折叠、结疤、夹杂、分层等）。弹簧钢在承受弯、扭、交变应力等各种载荷时，表面应力最大，各种缺陷是应力集中源，在使用过程中易引起早期破坏和失效。据统计，表面夹杂物引起弹簧破损的比率为40％，表面缺陷和脱碳引起破损的比率为30％。弹簧制品表面，除喷丸强化外，保留了钢材供货状态的表面，因此钢材的表面状态对弹簧的工作性能和寿命具有很大影响。
　　对采用圆形截面的钢丝制成的弹簧而言，其强度与刚度分别与钢丝直径的3次方和4次方成正比，故钢丝截面的微小变化都会对其强度产生很大影响，扁钢的厚度和宽度也有相似的影响。因此，弹簧钢的尺寸公差和精度是保证成品使用性能和寿命的重要因素。
6.3 生产工艺
　　过去，一般要求的弹簧钢主要是在电炉、转炉、平炉中冶炼，模铸，横列式轧机轧制。较高质量要求的（主要是降低钢中夹杂物的含量）主要采用电炉＋电渣重熔或真空重熔法生产。
　　当今比较典型的生产工艺流程是：初炼钢水由电炉或转炉提供，根据不同的钢种、质量水平要求和生产者的装备条件选择二次精炼方法，在连铸工序中使用减少非金属夹杂物数量的技术（防止二次氧化、非金属夹杂物的上浮及分离）和防止偏析技术（低过热度浇铸、电磁搅拌等），可以生产出质量相当于模铸钢锭中下部的优质钢坯。钢坯加热一般采用步进炉，附有可控气氛系统，控制钢坯脱碳、氧化烧损。在加热炉与粗轧机之间，装有高压水除鳞机，清除钢坯表面氧化铁皮。使用无扭高刚度连轧机进行热机轧制（控轧控冷），获得高的尺寸精度、表面质量和满意的内部组织。为保证产品质量，采用磁粉或涡流和超声波探伤仪在线检查钢材表面、内部缺陷。对标识有缺陷的产品进行清理或剔除。同时，对质量要求较高的悬挂弹簧钢线材和阀门弹簧钢丝要分别进行钢坯修磨、软化处理、成品表面处理，经过剥皮、冷拔、退火、酸洗、油淬火/回火、探伤、防腐等一系列工序，才能确保钢材的表面质量。具体工艺流程如下。
　　1）弹簧钢生产工艺流程：电炉或转炉－精炼炉（RH或LF+RH或ULO或ASEA-SKF或ULO+ULTiN或VAD）－连铸－热轧－精整。
　　2）悬挂弹簧合金钢线材生产工艺流程：电炉或转炉－精炼炉－连铸－粗轧－修磨－线材轧制－检验－软化处理－表面处理－包装。
　　3）油淬火阀门钢丝生产工艺流程：盘条检验－剥皮－冷拔、退火、酸洗/循环－油淬火/回火－涡流探伤－防腐处理－包装。
　　RH真空脱气法、LF-RH、ASEA-SKF和VAD真空脱气加热法是大家较熟悉的处理方法，仅介绍ULO、ULO+ULTiN精炼法：
　　1）ULO（超低氧）钢处理工艺[4]，是日本大同特殊钢在RH基础上，为更有效地降低钢中夹杂物数量而采取的手段。具体步骤是：在1台超高功率碱性电弧炉中熔化钢水，接着吹氧后向钢水中加入Fe-Si或At进行预脱氧处理，得到高碱度还原渣。然后将钢水倒入钢包中，并将RH循环脱气设备“两腿”插入钢液中，汲取钢水进入脱气设备的真空室中。借助于大容量喷射泵，保持真空度＜13.3 Pa，并将小流量氩气引入钢水中，钢水发泡进入真空室，钢水中碳脱氧反应快速进行，因而钢水脱氧。当碳氧反应达到平衡时，加入像Al这样合适的脱氧剂。为了促进脱氧产物的上浮分离和去除，以及保持脱氧状态的稳定，继续进行脱氧操作，最后调整加Al量。RH脱气后，氧含量下降到15×10-6以下。该处理工艺是实现悬挂弹簧钢2 000 MPa应力值的一种手段。
　　2）ULTiN（超低氮化钛）钢处理工艺[4]：首先选择原材料，以得到Ti含量（30～50）×10-6的钢水，然后进行脱气操作，降低氮含量到（40～60）×10-6。如果ULO处理后再进行ULTiN处理（即ULO+ULTiN），钢中氧化物和TiN夹杂物可大幅度下降，钢的疲劳极限与真空电弧重熔钢相同，该弹簧钢可制造高强度阀门弹簧。
　　随着机械工业的不断发展，特别是汽车工业的发展，弹簧的发展趋势是轻量化、大型化。为了适应弹簧的各种工作条件并满足高强度、高寿命的要求，弹簧钢除具有良好的综合性能外，还必须具有良好的内在质量和表面质量。
7 不锈钢生产工艺技术
7.1 前言
　　不锈钢在空气、水、酸、盐的水溶液中及其他氧化性气氛中具有很高的化学稳定性，以其良好的耐蚀性、耐高温性、耐低温性、耐磨损性及外观精美等特征，被广泛应用于宇航、原子能、石油化工、海洋开发及家庭民用等方面。
　　按合金成分大致分为Cr钢和Cr－Ni钢两大类。按金相组织分为5个系列，奥氏体型、铁素体型、奥氏体－铁素铁型（双相型）、马氏体型、沉淀硬化型。在GB1220－92不锈钢棒中，列出了64个牌号，奥氏体型33个，如1Cr18Ni9（美ASTM、日JIS302）等，铁素体型7个，如0Cr13Al（美ASTM、日JIS405）等，双相型3个，如0Cr26Ni5Mo2（美ASTM、日JIS329）等，马氏体型18个，如2Cr13（美ASTM、日JIS420）等，沉淀硬化型3个，如0Cr17Ni4Cu4Nb（美ASTM、日JIS630）等。
　　2006年世界不锈钢产量2 840万t，中国不锈钢产量跃居世界第一，已达到530万t，其中300系300.4万t，400系118.5万t，200系81.1万t。2007年世界不锈钢产量2 760万t，同比下降2.9％，中国不锈钢产量720万t，同比增加36％[11]。
7.2 性能
　　1）奥氏体不锈钢。向Fe－Cr合金中加Ni、Mn等面心立方晶格的元素以扩大γ区到全部消除α－Fe所形成的不锈钢。此类钢无磁性，由于含Ni、Cr高，其耐蚀性能好。由于热处理时无相变，所以不能变硬，但可以通过冷加工而硬化。用Mn或N部分地代替Ni是降低此类钢成本的有效办法。此类钢常称为18－8钢（一般为18％Cr-8％Ni、C≤0.1％），美、日钢种牌号为300系列，典型钢号为304，产量高、用途广，具有良好的加工性能、力学性能、耐蚀性能以及焊接性能。奥氏体不锈钢还包括节镍型200系列钢种。图5为Cr-Ni系奥氏体不锈钢的发展过程[4]。

图5 Cr-Ni系奥氏体不锈钢的发展过程
　　2）铁素体不锈钢。由结构为体心立方晶格的α－Fe组成，含Cr量波动于12%～30％之间，由于无相变，此类钢不能用热处理的方法进行强化，但可进行冷加工和退火。铁素体不锈钢具有耐氯化物高应力裂纹腐蚀性能，塑性脆化转变温度很高。由于添加了一些其他元素发展了许多钢号，使其应用更加广泛。美、日钢种牌号为400系列。图6为铁素体不锈钢的发展过程[7]。

图6 铁素体不锈钢的发展过程
　　3）马氏体不锈钢，向Fe-Cr合金中加入C以扩大γ区，像碳素钢一样使奥氏体转变为马氏体，其Cr含量13%～18％、C含量0.1%～1％。此类钢可以通过热处理进行强化和提高硬度，但其耐蚀性能不如铁素体和奥氏体不锈钢，被广泛用于刀具、刹车片、轴承、汽轮机叶片、结构件及耐磨器具等。美、日钢种牌号为400系列。
　　4）奥氏体－铁素体不锈钢，由奥氏体和铁素体两相组织组成，即在不锈钢中，有两种相反的力量同时作用：铁素体形成元素不断形成铁素体，奥氏体形成元素不断形成奥氏体。最终的晶体结构取决于两类添加元素的相对数量。Cr是一种铁素体形成元素，所以Cr在不锈钢晶体结构的形成上和奥氏体形成元素之间是一种竞争关系。因为Fe和Cr都是铁素体形成元素，所以400系列不锈钢是完全铁素体不锈钢，具有磁性。在把奥氏体形成元素Ni加入到Fe-Cr不锈钢的过程中，随着Ni成分增加，形成的奥氏体也会逐渐增加，直至所有的铁素体结构都被转变为奥氏体结构，这样就形成了300系列不锈钢。如果仅添加一半数量的Ni，就会形成50%的铁素体和50%的奥氏体，这种结构被称为双相不锈钢。它兼具有奥氏体和铁素体钢的优点，特点是有良好的耐蚀性、耐酸性和高的强度。
　　5）沉淀硬化不锈钢，成分与奥氏体型近似，只是含Ni量较低和添加了少量Al、Ti、Cu等元素。奥氏体不锈钢虽耐蚀性能好，但不能通过热处理进行强化，而马氏体不锈钢虽然有较高的强度，但抵抗环境侵蚀的能力较弱，为此对铁基耐蚀合金采用了铝基、镁基和镍基合金上行之有效的沉淀硬化或时效硬化方法；由于需要强度，向钢中加了C，由此发展了以低碳马氏体为基体进而用沉淀硬化法提高强度的合金。少量合金元素的作用是在热处理时具有时效强化能力，能在奥氏体基体中分布着弥散强化相，形成高强系列钢种，可以用做弹簧、垫圈、轴类、汽轮机部件，高强度容器等要求强度高、弹性好的部件。美、日钢种牌号为600系列。
7.3 生产工艺
　　不锈钢冶炼有3种方法：采用电炉一步冶炼法，目前很少采用；采用电炉或转炉（电炉为主）与AOD（或VOD等）二步冶炼法（二次精炼），目前常用此法；三步法，即电炉+转炉顶底复合吹炼（或AOD）+VOD也被用于冶炼不锈钢。其AOD与VOD精炼不锈钢的优劣性比较见表2。不锈钢连铸，采用了泡沫陶瓷过滤器技术（用于中间包堰坝上）、中间包加热技术、无氧化浇注技术、结晶器液面高度自动控制技术、电磁搅拌技术（结晶器内电磁搅拌M－EMS、二次区电磁搅拌S－EMS，凝固未端电磁搅拌F－EMS）等以及薄板坯连铸技术。热轧板带主要采用炉卷轧机、行星轧机、热连轧机等。冷轧板带主要采用4辊冷轧机、多辊冷轧机（如ZR20森吉米尔轧机）、冷连轧机等。棒、线材轧制一般选用无扭连轧机，连续退火、酸洗等。
表2 AOD与VOD精炼不锈钢的优劣性比较
项 目 AOD VOD
钢水条件 [C] 0.5%～3.8%，[Si]≈0.5% [C] 0.3%～0.5%，[Si]≈0.3%
炉料条件 入炉合金所含的C、S、N均无要求，廉价的铬铁、镍铁、氧化镍、锰铁和各种受污染的废钢均可使用 炉料条件有要求，低碳铬铁、镍板、金属锰等
成分控制 操作控制方便，可由智能系统自动设定和跟踪 操作自动控制较为困难
温度控制 用吹气比例、速率及加冷却剂和发热剂控制，可由智能电子系统精确设定 真空下控制较为困难
脱碳 可获得超低碳（L级）和特低碳（ELC级） 只有在炼特低碳（ELC级）和特低氮级钢种时才有经济性
脱硫 脱硫能力好，[S]＜0.005%～001% [S]≈0.01%
脱气 脱气能力好，但出钢时吸气，[H]＜2×10-6,[N]＜300×10-6,[O]＜(30～80)×10-6 脱气能力好，出钢时不吸气，[H]＜1×10-6,[N]＜(100～150)×10-6,[O]＜(30～80)×10-6
脱碳时间 20~35 min 45~65 min
冶炼时间 65 min 90 min
总金属回收率 约97.5% 约91%
操作费用 耗用10～16 m3/t的氩气，10 kg/t的还原硅 真空下相当于AOD1/10以下的氩气，但耗用225 kg/t的高压蒸汽；较低的还原硅消耗；较高的耐材消耗
熔化废钢 10%～25% 无
适应性 除不锈钢精炼外，也可用于低合金钢、工具钢、硅钢和其他各种高合金的冶炼，特别适用配合连铸机生产 不锈钢精炼及其他钢的真空脱气处理，与连铸机配合生产较困难
可靠性 易维护，在线率高 真空系统维护困难，在线率低
设备费 为VOD的2/3 较昂贵
　　用转炉和RHOB精炼炉联合即LD-RHOB法，精炼不锈钢工艺分5步（见图7）：用KR脱硫处理、转炉熔炼、出钢和排渣、钢水重回转炉熔炼、真空吹氧脱碳脱氧。

图7 转炉-RHOB法精炼不锈钢过程
不锈钢带材生产工艺流程如下：
　　1）热轧带钢：电炉或转炉－精炼炉（AOD或VOD或RH-OB）－连铸－检查修磨（需要时）－热带轧制－酸、碱洗－热处理－热轧带钢成品。
　　2）冷轧带钢：冷轧带坯－连续退火和酸洗或收卷和切边－或（冷轧－修磨）－冷轧－连续退火和酸洗或光亮退火－或（冷轧－连续退火和酸洗或光亮退火）－精轧－精整－冷轧带成品。
7.4 钢种的发展趋势
7.4.1 节镍型不锈钢
　　Ni系不锈钢目前占世界不锈钢产量的2/3，我国占80%左右。Ni资源短缺及昂贵，Ni-Cr系不锈钢价格随Ni价变化而变化。因此，应大力发展无Ni和低Ni铁素体不锈钢、Cr-Mn奥氏体不锈钢和双相不锈钢。
　　Ni在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加Ni的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性，所以Ni被称为奥氏体形成元素。然而，Ni并不是唯一具有此种性质的元素。常见的奥氏体形成元素有：Ni、C、N、Mn、Cu。虽然添加Mn对于形成奥氏体并不非常有效，但是添加Mn可以使更多的N溶解到不锈钢中，而N正是一种非常强的奥氏体形成元素。在200系列的不锈钢中，正是用足够的Mn和N来代替Ni形成100%的奥氏体结构，Ni的含量越低，所需要加入的Mn和N数量就越高。例如在201型不锈钢中，只含有4.5%的Ni，同时含有6.00%Mn、0.25%的N，这也是200系列不锈钢的形成原理。在有些不符合标准的200系列不锈钢中，由于不能加入足够数量的Mn和N，为了形成100%的奥氏体结构，人为地减少了Cr的加入量，这必然导致了不锈钢抗腐蚀能力的下降。
7.4.2 超级不锈钢
　　根据不锈钢材料的显微组织特点，超级不锈钢分为超级铁素体不锈钢、超级奥氏体不锈钢、超级马氏体不锈钢和超级双相不锈钢等几个类型。
　　1）超级奥氏体不锈钢。在普通奥氏体不锈钢的基础上，通过提高合金的纯度，提高有益元素（Cr、Mo）的数量，降低C含量，防止析出Cr23C6造成晶间腐蚀，获得良好的力学性能、工艺性能和耐局部腐蚀性能，并替代了Ti稳定化不锈钢。
　　2）超级铁素体不锈钢。继承了普通铁素体不锈钢强度高、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，同时改善了铁素体不锈钢的延性—脆性转变、对晶间腐蚀较敏感和焊态的低韧性等局限性。采用精炼技术，降低C和N含量，添加稳定化和焊缝金属韧化元素，可获得高Cr、Mo且超低C、N的超级铁素体不锈钢，使铁素体不锈钢在耐腐蚀、耐氯化物的点蚀和缝隙腐蚀等应用方面进入了一个新的阶段。
　　3）超级双相不锈钢。该类钢是20世纪80年代后期发展起来的，牌号主要有SAF2507、UR52N、Zeron100等，其特点是含C量低（0.01%～0.02%），含有高Mo和高N（Mo≤4%、N≤0.3%），钢中铁素体相含量占40%～45%，具有优良的耐腐蚀性能。
　　4）超级马氏体不锈钢。属于可硬化的不锈钢，具有高的硬度、强度和耐磨性能，但韧性和焊接性较差。普通马氏体不锈钢缺乏足够的延展性，在变形过程中对应力十分敏感，冷加工成形比较困难。通过降低含碳量，增加镍含量，可获得超级马氏体不锈钢。近年来，各国在开发低碳、低氮超级马氏体钢方面投入很大，研究出一批不同用途的超级马氏体钢。超级马氏体钢已在石油和天然气开采、储运设备、水力发电、化工及高温纸浆生产设备上得到广泛应用。
　　5）功能性不锈钢。随