一、研究的背景與問題
工業(yè)母機(jī)是制造業(yè)的基石，其核心功能部件的性能直接影響著工業(yè)母機(jī)的精度和壽命。高精密工業(yè)母機(jī)對(duì)核心功能部件的要求極高，需要具備長(zhǎng)壽命、高精度、高耐磨等性能。然而，長(zhǎng)期以來，我國(guó)高精密工業(yè)母機(jī)核心功能部件用鋼一直依賴進(jìn)口，存在技術(shù)瓶頸，嚴(yán)重制約了我國(guó)高端制造業(yè)的發(fā)展。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
本項(xiàng)目立足于自主創(chuàng)新，開展了滾動(dòng)功能部件專用特種成分材料優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料冶煉、軋制及熱處理技術(shù)研發(fā)、滾動(dòng)功能部件失效機(jī)理與材料性能映射關(guān)系研究、滾動(dòng)功能部件專用鋼檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)技術(shù)研發(fā)工作。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、特種成分材料優(yōu)化設(shè)計(jì)及其煉軋質(zhì)量控制技術(shù)
成分設(shè)計(jì): 針對(duì)兼顧工業(yè)母機(jī)滾動(dòng)功能部件疲勞和加工性能匹配的要求，設(shè)計(jì)了中低碳鉻鎳鉬成分。通過中間包夾雜物流場(chǎng)控制、特種夾雜物益化變性控制、高滲透率各項(xiàng)同性控軋控冷、大壓下軋制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)功能部件用鋼滿足[O]≤5ppm、[Ti]≤10ppm、DS≤13μm、宏觀缺陷≤2mm/dm3、疲勞壽命L10≥1*10?的要求。
精煉渣的離子交換模型和中間包夾雜物流場(chǎng)控制技術(shù): 創(chuàng)新提出了鋼渣反應(yīng)離子模型，建立了氧含量與自由氧化物夾雜間的大數(shù)據(jù)關(guān)系，形成了新型鋼渣反應(yīng)控制技術(shù)。通過模擬計(jì)算中間包流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)行為，建立了中間包流場(chǎng)控制的裝備與技術(shù)，大幅度提升了大顆粒夾雜物控制的穩(wěn)定性。
成分精確控制及超純凈冶煉: 采用計(jì)算機(jī)成分微調(diào)技術(shù)，精確控制主要合金元素如碳、鉻、硅、錳等。采用高爐鐵水比90%以上，并進(jìn)行脫Si、脫P(yáng)、脫S處理，嚴(yán)格控制廢鋼質(zhì)量，優(yōu)選低鈦合金、脫氧劑及耐火材料。采用核心脫氧技術(shù)及VD或RH真空循環(huán)脫氣將鋼中的O、H含量穩(wěn)定降低至標(biāo)準(zhǔn)要求以下。
降低夾雜物含量、減少大顆粒夾雜物及控制夾雜物形態(tài)和組成的生產(chǎn)技術(shù): 研究EAF/BOF—LF—VD/RH—CC各工序非金屬夾雜物的控制技術(shù)，包括鐵水三脫技術(shù)、電爐終點(diǎn)碳控制技術(shù)、電爐擋渣技術(shù)、鋼包扒渣技術(shù)、LF精煉技術(shù)、吹氬攪拌工藝、VD/RH處理技術(shù)、結(jié)晶器液面控制技術(shù)、中間包冶金技術(shù)、大包下渣檢測(cè)技術(shù)和連鑄感應(yīng)加熱技術(shù)等，選用優(yōu)質(zhì)耐材減少外來夾雜對(duì)鋼水污染的控制技術(shù)，強(qiáng)化對(duì)生產(chǎn)過程的控制，選用大方坯連鑄，增加鋼的壓縮比，全保護(hù)連鑄等手段。
低倍組織均勻性（含中心偏析）控制技術(shù): 連鑄采用中間包感應(yīng)加熱，鋼水低過熱度澆注；采用合理的結(jié)晶器和二冷區(qū)電磁攪拌強(qiáng)度；通過射釘槍測(cè)得坯殼厚度，優(yōu)化CC工藝參數(shù)；確定合適的拉坯速度；確定二冷段采用較弱的冷卻強(qiáng)度；確定末端輕壓下參數(shù)。軋制采用高溫?cái)U(kuò)散技術(shù)，中心碳足夠的溫度和時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散；開坯大壓下，增加心部變形滲透，中心組織致密；軋制大壓下，改善低倍質(zhì)量。
成分不均勻性控制技術(shù): 通過大方坯生產(chǎn)的核心技術(shù)改善鑄坯的原始成分偏析；高溫?cái)U(kuò)散改善中間坯的中心偏析；軋制采用高滲透率軋制+控軋控冷技術(shù)，三者相結(jié)合控制均質(zhì)性指標(biāo)。
夾雜物特性控制技術(shù): 針對(duì)絲杠長(zhǎng)桿類需要多道車削、磨制的零件特性，要兼顧易切削性能及接觸疲勞性能，首創(chuàng)夾雜物益化變性技術(shù)。通過對(duì)鋼中MnS夾雜物進(jìn)行改性試驗(yàn)，控制鋼中MnS夾雜物形貌特征，以改善鋼材中硫化物的尺寸大小。為了控制MnS夾雜物的長(zhǎng)寬比，使其形態(tài)為紡錘狀，且均勻分布，本項(xiàng)目通過新型特種夾雜物益化變性處理，形成了高硬度不易變形的特種硫化物或氧化物結(jié)合硫化物形態(tài)，從而兼顧疲勞壽命和易切削性能。
圖1 夾雜物變性改善切削性能
滾動(dòng)體材料各相同性控軋控冷: 結(jié)合CCT曲線，設(shè)計(jì)合理的控冷工藝參數(shù)，如吐絲圈徑、軋制速度、輥道速度、風(fēng)機(jī)風(fēng)量等，以控制盤條的組織狀態(tài)和力學(xué)性能均勻性。高碳鉻軸承屬于過共析鋼，大大增加了控冷難度。通過對(duì)高碳珠光體鋼奧氏體再結(jié)晶到珠光體體相變過程的機(jī)理研究，合理分配各溫度區(qū)間風(fēng)機(jī)開啟度和冷卻速率，從吐絲850℃至700℃再結(jié)晶溫度區(qū)間盡量加大冷卻速率，細(xì)化晶粒，減小搭接點(diǎn)與中間點(diǎn)溫差，在650℃以下相變溫度區(qū)間實(shí)施慢冷緩冷通過熱傳導(dǎo)原理進(jìn)一步減少搭接點(diǎn)與中間點(diǎn)溫差。
2、開發(fā)了預(yù)處理組織低畸變能控制技術(shù)
滾珠絲杠用鋼交貨組織低畸變能控制: 開發(fā)了滾珠絲杠用鋼預(yù)處理組織低畸變能控制技術(shù)，并制作內(nèi)控判定圖譜。保障交付內(nèi)部組織均為點(diǎn)狀索氏體。興澄材熱處理后材料最大縮短量為0.169mm/m，推移到5.6m的絲杠上為最大0.951mm，超越了日本材料。
直線導(dǎo)軌用鋼交貨組織高球化率控制: 創(chuàng)新開發(fā)了高錳中碳鋼的高球化率退火工藝，結(jié)合與之匹配的拉拔及退火工藝，原材料球化率，從40％提升到75％，最終拉拔導(dǎo)軌的球化率驗(yàn)證達(dá)到95%，超越了日本材料。圖2 日本(左)與興澄(右)高球化率控制結(jié)果
3、開發(fā)高頻探傷預(yù)處理技術(shù)，建立了可靠性驗(yàn)證方法
滾動(dòng)功能部件用鋼的高頻探傷預(yù)處理技術(shù): 創(chuàng)新高頻探傷預(yù)處理技術(shù)，采用淬火和回火工藝得到回火索氏體組織，細(xì)化晶粒、均勻組織，有效的去除探傷雜波，大幅提升探傷檢測(cè)準(zhǔn)確度。
成品滾動(dòng)功能部件疲勞壽命測(cè)試方法: 開發(fā)了等應(yīng)力疲勞磨損測(cè)試評(píng)價(jià)、全周期分段步加策略的疲勞試驗(yàn)等技術(shù)與方法，使?jié)L動(dòng)功能部件疲勞試驗(yàn)周期縮短50%以上，有效地縮短了滾動(dòng)功能部件材料的工業(yè)化周期。
本項(xiàng)目已獲發(fā)明專利13件（其中PCT專利1件），實(shí)用新型專利25件，發(fā)表論文1篇，牽頭制定行業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。四、應(yīng)用情況與效果
通過本項(xiàng)目的實(shí)施，興澄特鋼圓滿地完成了工業(yè)和信息化部委托的重大專項(xiàng)，解決了我國(guó)高端工業(yè)母機(jī)國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵問題。
基于本項(xiàng)目取得的關(guān)鍵技術(shù)成果，興澄特鋼在高精密設(shè)備特種零件板塊取得了矚目的成績(jī)。在諸如導(dǎo)軌絲杠關(guān)鍵材料性能提升、高端滾珠絲杠副、高端滾動(dòng)直線導(dǎo)軌、滾動(dòng)功能部件高效高精外螺紋磨削機(jī)床、滾動(dòng)功能部件高精度內(nèi)螺紋磨削機(jī)床、滾動(dòng)功能部件高精度直線導(dǎo)軌磨床、滾動(dòng)功能部件高精度導(dǎo)軌滑塊內(nèi)滾道磨床、滾動(dòng)功能部件滾道表面質(zhì)量檢測(cè)裝置等關(guān)鍵設(shè)備及零部件均打破國(guó)外壟斷，中國(guó)機(jī)密制造業(yè)從此不再受制于人。
本項(xiàng)目聯(lián)合攻關(guān)組件了中國(guó)精密制造業(yè)頂尖產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合體：興澄特鋼、南京理工大學(xué)、南京工藝裝備制造有限公司及漢江機(jī)床有限公司。聯(lián)合體將材料應(yīng)用于國(guó)內(nèi)首臺(tái)精密五軸工業(yè)母機(jī)，助力完成了光刻機(jī)、空間站機(jī)械臂、北斗衛(wèi)星導(dǎo)軌等國(guó)家重點(diǎn)工程的實(shí)施，成功解決這一領(lǐng)域的技術(shù)難題，為我國(guó)高精密工業(yè)母機(jī)100%國(guó)產(chǎn)化這一國(guó)家戰(zhàn)略提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
信息來源：江陰興澄特種鋼鐵有限公司
