特殊钢是钢铁强国的重要标志，也是一个国家工业化程度的重要标志之一。轴承、齿轮、紧固件、弹簧、轴类等基础件作为先进制造业的核心部件，量大面广，对制造业具有重大支撑作用，其发展趋势是更高可靠性、更长寿命、以及更好的环境适应性。目前，我国基础件及其用特殊钢整体上与国外先进水平存在较大差距，导致制造业大而不强，汽车、机械、航空、新型能源等行业的先进装备目前尚未完全实现国产化，成为“中国制造2025”制造业转型升级的重要瓶颈。与日本、德国等装备制造业发达国家相比，我国基础件用特殊钢产量大，但其质量稳定性、加工和使用性能与国外先进水平存在明显差距，导致基础件可靠性低、寿命波动大、服役环境适应性差，无法满足高端装备制造业的需求，急需在相关基础理论、关键共性技术以及应用等方面开展追赶工作，以满足制造业转型升级的发展需求。 针对以上问题，钢铁研究总院联合兴澄特钢等十家单位，在国家重点研发计划“先进制造业基础件用特殊钢及应用”等项目支持下，选取轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、非调质钢、紧固件用钢、轴类用钢等量大面广的典型基础件用特殊钢，开展了长寿命机理研究及质量稳定性控制等系列关键技术、高效测试表征技术与产品开发攻关，以满足汽车、航空、机床、新能源等先进装备的需求，为先进装备的国产化和制造业升级奠定基础，从而带动我国特殊钢行业的升级换代，提升基础材料产业的整体竞争力。

我国高铁装备制造用钢铁材料研发与应用，相比日、德、法等发达国家起步较晚，仍处于消化、吸收及再创新的过程中，迄今仍存在材料基础研究不足、产品性能及质量稳定性低等问题，成熟的国产化材料体系还未形成，中高速动车制动系统、牵引系统核心部件用钢铁材料绝大部分依赖进口。技术方面主要存在的问题包括： 1、高铁冷成形弹簧钢要求材料具有高强度、高韧性、高疲劳、超纯净，尤其对耐疲劳性能提出了更高要求，传统的弹簧钢能够满足热成形要求，却难以满足冷成形后的各项性能要求； 2、制动盘作为高铁摩擦制动系统的关键部件，服役条件极其苛刻，国内缺少高铁制动盘用钢的产品，高铁制动盘用钢的高强韧性、耐高温、耐磨、抗疲劳、抗氧化性和良好的环境适应性等综合性能需要系统研究； 3、高铁用高温渗碳齿轮钢与国外存在明显差距，随着渗碳温度的提高，奥氏体晶粒易发生长大，对强韧性、热处理变形、抗疲劳性能等产生不利影响； 4、高铁用钢合金体系复杂，含有Cr、Ni、Cu、Al、V、N、Nb等多种元素，钢种裂纹敏感性高，连铸过程中极易产生内外部质量问题； 5、高铁用钢铁材料性能的均一性要求高，成分均质性、碳极差等需要系统提升。 南钢积极践行《中国制造2025》、《钢铁工业调整升级规划》、《中长期铁路网规划》、《增强制造业核心竞争力三年行动计划》等国家相关产业政策导向，于2018年获得国家工信部工业强基 “轨道交通装备用高性能齿轮渗碳钢”项目支持，2019年获得国家发改委增强制造业核心竞争力专项“先进轨道交通装备材料高铁刹车盘用钢”支持，2021年进入江苏省轨道交通装备产业链强链项目。南钢成立产学研用团队，联合北京科技大学、中盛铁路车辆配件有限公司、中车戚墅堰所等高校院所及上下游企业，全产业链协同攻关，结合自身装备和技术优势，陆续开展纯净钢冶炼及夹杂物塑性化控制、钢的成分均质化控制、裂纹敏感钢种铸坯表面质量控制、渗碳奥氏体晶粒度控制等技术研究，明确了轨道交通用钢开发的具体目标和实施方案，形成了具有自主知识产权的轨道交通用钢生产控制技术，相继完成了高铁弹簧用钢、制动盘用钢、轨道交通齿轮钢等产品开发及产业化应用，填补了国内空白，解决了“卡脖子”材料问题。

我国高铁装备制造用钢铁材料研发与应用，相比日、德、法等发达国家起步较晚，仍处于消化、吸收及再创新的过程中，迄今仍存在材料基础研究不足、产品性能及质量稳定性低等问题，成熟的国产化材料体系还未形成，中高速动车制动系统、牵引系统核心部件用钢铁材料绝大部分依赖进口。技术方面主要存在的问题包括： 1、高铁冷成形弹簧钢要求材料具有高强度、高韧性、高疲劳、超纯净，尤其对耐疲劳性能提出了更高要求，传统的弹簧钢能够满足热成形要求，却难以满足冷成形后的各项性能要求； 2、制动盘作为高铁摩擦制动系统的关键部件，服役条件极其苛刻，国内缺少高铁制动盘用钢的产品，高铁制动盘用钢的高强韧性、耐高温、耐磨、抗疲劳、抗氧化性和良好的环境适应性等综合性能需要系统研究； 3、高铁用高温渗碳齿轮钢与国外存在明显差距，随着渗碳温度的提高，奥氏体晶粒易发生长大，对强韧性、热处理变形、抗疲劳性能等产生不利影响； 4、高铁用钢合金体系复杂，含有Cr、Ni、Cu、Al、V、N、Nb等多种元素，钢种裂纹敏感性高，连铸过程中极易产生内外部质量问题； 5、高铁用钢铁材料性能的均一性要求高，成分均质性、碳极差等需要系统提升。 南钢积极践行《中国制造2025》、《钢铁工业调整升级规划》、《中长期铁路网规划》、《增强制造业核心竞争力三年行动计划》等国家相关产业政策导向，于2018年获得国家工信部工业强基 “轨道交通装备用高性能齿轮渗碳钢”项目支持，2019年获得国家发改委增强制造业核心竞争力专项“先进轨道交通装备材料高铁刹车盘用钢”支持，2021年进入江苏省轨道交通装备产业链强链项目。南钢成立产学研用团队，联合北京科技大学、中盛铁路车辆配件有限公司、中车戚墅堰所等高校院所及上下游企业，全产业链协同攻关，结合自身装备和技术优势，陆续开展纯净钢冶炼及夹杂物塑性化控制、钢的成分均质化控制、裂纹敏感钢种铸坯表面质量控制、渗碳奥氏体晶粒度控制等技术研究，明确了轨道交通用钢开发的具体目标和实施方案，形成了具有自主知识产权的轨道交通用钢生产控制技术，相继完成了高铁弹簧用钢、制动盘用钢、轨道交通齿轮钢等产品开发及产业化应用，填补了国内空白，解决了“卡脖子”材料问题。

目前氢脆以及氢损伤的科学机制已经比较明晰，但工程除氢手段仍然局限于原材料把控、钢液真空脱气及堆垛缓冷等工艺，这样的工艺方法可一定程度上去除可扩散氢。然而，在高强钢服役过程中还会有氢进入，最终导致严重的危害，因此氢脆的本质问题始终没有得到彻底解决，特别是对于重大装备用高强钢尤其重要。如何从钢铁材料的设计与制备这一根本问题上解决高强钢的氢脆与氢损伤的瓶颈问题，构造深氢陷阱具有重大的科学意义和工程价值。发展新方法、新理念，探索开发既能提高强度、又能提升抗氢脆性能的高强钢，对资源、能源的开发利用及国防安全具有重要的工程意义，对发展和完善抗氢脆研究具有重要的理论价值。 北京科技大学庞晓露教授团队针对高强钢面临的氢脆难题，通过氢陷阱的表征、钢中组织观察与解析，系统地表征了高强钢中浅氢陷阱、深氢陷阱参数，得出为了提升抗氢脆性能，应设计制备高密度的晶内深氢陷阱，将氢均匀弥散地分布在晶粒内。结合高分辨透射电镜原子级观察、第一性原理计算模拟及氢脱附实验等方法，全面、系统、深入地研究了纳米析出相深氢陷阱的物理本质，揭示了纳米析出相半共格界面处的失配位错是深氢陷阱的根源，并通过纳米析出相深氢陷阱的设计抑制了高强钢的氢脆。结合设计多元微量合金成分及含量，采用局域微量供给的方法获得具有优异抗氢脆性能的多元复合纳米相强化钢，为开发高强韧抗氢脆钢提供有效、可行的科学理念和技术路线。本项目所开发的高强韧抗氢脆车轮钢、弹簧钢、海洋装备用钢系列产品，品种多、规格全、表面质量好，由于其优良的综合性能，创造巨大企业效益的同时也创造了显著的社会效益。

长期以来，我国基础件用特殊钢质量稳定性、加工和使用性能与国外先进水平存在明显差距，导致基础件可靠性低、寿命波动大，无法满足高端装备制造业需求。针对以上问题，钢铁研究总院联合江阴兴澄特种钢铁有限公司等十家单位，在国家重点研发计划“先进制造业基础件用特殊钢及应用”等项目的支持下，钢铁研究总院等单位选取轴承钢、齿轮钢、非调质钢、紧固件用钢、轴用钢、弹簧钢等量大面广的典型基础件用钢，开展了高端基础件用特殊钢长寿命机理研究及一系列关键技术攻关。 在长寿命机理方面，重点研究了典型基础件用特殊钢中氧含量、夹杂物、组织等特征参数与疲劳寿命的关系、氢与钢中界面之间作用及氢脆机理，为典型品种长寿命化奠定了理论依据。在系列关键技术方面，重点突破了轴承钢超低氧、钛及DS夹杂物控制技术、齿轮钢窄淬透性带控制技术、非调质钢硫化物形态及分布控制技术、紧固件用钢窄成分控制技术、航空传动轴用钢低成本冶炼控制技术、弹簧钢脆性夹杂物控制技术等系列关键技术，使得基础件用特殊钢的质量稳定性得到大幅度提升。在此基础上，开发了先进制造业急需的一系列高端品种，包括Ds≤0.5的超高洁净轴承钢、≤4HRC超窄淬透性带宽的齿轮钢、1400MPa级贝氏体非调质钢、12.9级耐延迟断裂风电螺栓钢、低成本航空传动轴用钢、2100MPa级的高强度长寿命弹簧钢等。

本研究成果来源于湖南华菱湘潭钢铁有限公司与北京科技大学合作的横向课题“汽车用线材品种方坯裂纹研究”（合同号：K515001-514107421）和“汽车用弹簧钢的开发研究”（合同号：K518001-518112403）。 本项目针对汽车用特殊钢在冶金过程存在的共性计算技术难题，如弹簧钢、帘线钢中硫元素含量和夹杂物的控制效果不理想，轧制和拉拔过程中夹杂物的变形能力不佳，难以保证产品高疲劳寿命的稳定性的问题；汽车用特殊钢多含有合金元素，钢的裂纹敏感性大大增加，冷却不均匀性是连铸生产面临的共性难题；铸坯的中心偏析控制严重依赖生产经验，缺少相应的偏析预测模型，只能采用试错的方式对生产参数进行调整，对于偏析涉及的众多生产参数的调整与优化组合缺少相应的指导模型；湘钢产低碳冷镦钢C4C-Q、含硫钢42CrMoQ等高品质汽车用钢，在冶炼以及连铸生产中存在一系列的技术难题等等进行了研究，并取得了很好的效果。 具体内容见科技成果评价书及科技成果评价申请表。

发动机用高应力长寿命弹簧是弹簧行业“金字塔尖”的产品，其作为汽车的“心脏”——发动机的关键部件，要求超高的可靠性和稳定性，疲劳寿命基本要求是2300万次。 目前国内超纯净高强度汽车弹簧钢基本依赖进口。日本神户、新日铁等少数国外钢铁企业在弹簧钢及其制品行业形成了稳固的产业链和供需关系，对国内弹簧和弹簧钢丝企业采取限制供应措施，受近几年疫情影响，原材料供应更加紧张，严重制约了我国高端装备制造业的发展。由此可见，超纯净高强度弹簧钢是典型的“卡脖子”产品。 兴澄公司于2014年组建了“超纯净高强度汽车弹簧钢”研发团队，进行了系统性的研究，取得了高端弹簧钢的多项重大和突破性理论技术研究成果，打破了高端弹簧钢产品“卡脖子”的局面。

我国基础件用钢年产量超过3000万吨，约占特殊钢总量的30%，是量大面广的特殊钢品种。基础件产品种类丰富、制造工序繁多且质量要求逐步提升，对原材料的组织和性能提出特殊要求，但目前中高碳特钢线材在线组织性能精准调控仍是突出的技术难题，典型代表有：1）弹簧钢51CrV4等淬透性较强，小规格线材常规工艺易出现M+B组织，直接深拉拔时材料心部易发生“人字型”裂纹；2）8.8级紧固件用免退火冷镦钢市场需求量大，但当前产品球化/退化珠光体比例小，变形抗力大，模具损耗高而应用受限；3）工具钢S2（67SiCrNiMoV）淬透性高，轧后易形成M组织，在储运及加工过程易发生脆断导致报废；4）因低温变形抗力大，轴承钢100Cr6传统工艺不利于碳化物网状控制，显著影响滚动体轴承疲劳寿命；5）高强帘线钢LX86A要求原材料具有高索氏体化率、无封闭网碳，以保证深拉拔及捻股及疲劳性能，因此通常采用离线热处理（球化退火、盐浴或铅浴）及二火材等工艺来解决，带来成本增加、成材率低、能耗高、环境污染等一系列问题。 中天钢铁集团特钢公司通过在线组织调控技术的持续创新是有效解决上述问题的有效途径。传统控轧控冷技术（TMCP）主要应用于板带及型材生产，相关研究及技术成果较多。相比之下，基础件用特殊钢线材的在线组织调控技术研究相对薄弱，缺乏系统性，应用受限。因此当前特钢厂亟需结合下游用户的需求，加强研究力度，加快推进我国特钢线材的高品质、绿色化、节约化发展进程。

本项目由中天钢铁集团有限公司联合上海大学成立“产－学－研”团队，基于国产精轧机+摩根MINI轧机、摩根精轧机+RSM减定径机组的装备优势，借助模拟仿真和热模拟试验等手段，针对典型基础件用中高碳钢的在线组织调控技术难题进行攻关。根据不同钢种特性、二次加工及服役性能要求，形成创新的特钢线材在线组织调控技术集成。实现以下创新： 1.采用连铸小方坯开发出多种机理组合应用的高品质特钢线材在线组织调 控技术。通过数值模拟、装备及设施升级改造，形成含加热控制、“再结晶区、 未再结晶区、两相区”多段控轧和“雾冷+强风冷”、“超慢冷“、“等温”控制的 多元组合工艺方法； 2.形成亚共析钢在线“软化”技术。 a）弹簧钢 50CrVA 创新采用低温累积大变形诱导和强化铁素体相变、轧后 “超慢冷”并精确控制冷却路径工艺组合获得 100%F+P 组织，硬度≤290HB， 可直接深拉拔加工； b）紧固件用钢 ZT35K-M 实施形变诱导铁素体相变、离异共析和退化珠光 体相变机理研究与组合应用，指标达到球化组织 4.0 级、铁素体≥80%、硬度≤ 76HRB，可免退火冷镦成型； c）工具钢 S2（67SiCrNiMoV）利用低温轧制变形强化相变、快冷+“等温” 抑制先共析铁素体和马氏体相变的工艺组合，获得“单一”贝氏体组织，硬度≤ 45HRC，提升加工及疲劳性能； 3.攻克过共析钢的网状渗碳体、索氏体控制难题。 a）GCr15 创新采用高温防氧化加热、（γ+Fe3C）两相区累积大变形轧制 诱导渗碳体析出、轧后“强风冷+雾冷”抑制先共析渗碳体、“等温”相变的机理 及工艺组合，达到网状≤2.0 级，晶粒度 10.0 级以上，面缩≥31%的行业领先水平； b）LX86A 采用高温防氧化加热技术、再结晶区轧制提高奥氏体稳定性、轧 后“强风冷+雾冷”抑制先共析渗碳体+“等温”相变的机理及工艺组合，达到 网状≤1.0 级、索氏体化率≥92%和面缩≥40%的行业领先水平； 4.进一步研究阐述中高碳钢的脱碳机理并形成中高碳钢特钢线材的脱碳控 制技术方法，达到总脱碳层≤0.4%D、零全脱碳的领先控制水平。

利用国产精轧机+双机架MINI轧机及相应的“10+2“”，自主创新开发高品质特殊钢线材的TMCP技术以及该技术的应用，生产了（1）汽车悬架弹簧钢50CrVA ，获得了100%的准平衡态组织F+P组织，减少退火工序，满足用户直接拉拔加工；（2）高性能工具钢S2 ，获得了均匀的贝氏体组织，体积百分数≥90%，二次脱碳浅，便于用户加工及提升产品疲劳性能；（3）免退火冷镦钢SWRCH35K，在线获得球化组织，球化率达到80%以上，铁素体占比达到78%，冷加工性能好，成功用于直接拉拔冷镦生产多种紧固件；（4）滚动体轴承钢GCr15，有效控制网状渗碳体析出，网状碳化物≤2.5级，晶粒度达到10级以上，热轧面缩≥30%，可实现轻拉拔减少下游加工工序亦可缩短球化退火时间；（5）帘线钢LX82A，提高索氏体化率到90%以上，无网碳组织，同批抗拉强度波动控制在±25MPa内。 针对中碳到高碳的特殊钢线材品种，自主创新开发出系列的基于MINI轧机的TMCP工艺技术，实现下游加工工序、节约能源、减少排放、改善组织、提升品质、降低成本等，对特殊钢线材基于MINI轧机的轧制工艺优化起到明显的指导意义，达到了同类技术领域的先进水平