一、研究的背景與問題
工業(yè)母機是制造業(yè)的基石，其核心功能部件的性能直接影響著工業(yè)母機的精度和壽命。高精密工業(yè)母機對核心功能部件的要求極高，需要具備長壽命、高精度、高耐磨等性能。然而，長期以來，我國高精密工業(yè)母機核心功能部件用鋼一直依賴進口，存在技術瓶頸，嚴重制約了我國高端制造業(yè)的發(fā)展。
二、解決問題的思路與技術方案
本項目立足于自主創(chuàng)新，開展了滾動功能部件專用特種成分材料優(yōu)化設計、材料冶煉、軋制及熱處理技術研發(fā)、滾動功能部件失效機理與材料性能映射關系研究、滾動功能部件專用鋼檢驗及評價技術研發(fā)工作。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、特種成分材料優(yōu)化設計及其煉軋質量控制技術
成分設計: 針對兼顧工業(yè)母機滾動功能部件疲勞和加工性能匹配的要求，設計了中低碳鉻鎳鉬成分。通過中間包夾雜物流場控制、特種夾雜物益化變性控制、高滲透率各項同性控軋控冷、大壓下軋制等技術，實現了滾動功能部件用鋼滿足[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控制技術: 創(chuàng)新提出了鋼渣反應離子模型，建立了氧含量與自由氧化物夾雜間的大數據關系，形成了新型鋼渣反應控制技術。通過模擬計算中間包流場運動行為，建立了中間包流場控制的裝備與技術，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: 采用計算機成分微調技術，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，并進行脫Si、脫P、脫S處理，嚴格控制廢鋼質量，優(yōu)選低鈦合金、脫氧劑及耐火材料。采用核心脫氧技術及VD或RH真空循環(huán)脫氣將鋼中的O、H含量穩(wěn)定降低至標準要求以下。
降低夾雜物含量、減少大顆粒夾雜物及控制夾雜物形態(tài)和組成的生產技術: 研究EAF/BOF—LF—VD/RH—CC各工序非金屬夾雜物的控制技術，包括鐵水三脫技術、電爐終點碳控制技術、電爐擋渣技術、鋼包扒渣技術、LF精煉技術、吹氬攪拌工藝、VD/RH處理技術、結晶器液面控制技術、中間包冶金技術、大包下渣檢測技術和連鑄感應加熱技術等，選用優(yōu)質耐材減少外來夾雜對鋼水污染的控制技術，強化對生產過程的控制，選用大方坯連鑄，增加鋼的壓縮比，全保護連鑄等手段。
低倍組織均勻性（含中心偏析）控制技術: 連鑄采用中間包感應加熱，鋼水低過熱度澆注；采用合理的結晶器和二冷區(qū)電磁攪拌強度；通過射釘槍測得坯殼厚度，優(yōu)化CC工藝參數；確定合適的拉坯速度；確定二冷段采用較弱的冷卻強度；確定末端輕壓下參數。軋制采用高溫擴散技術，中心碳足夠的溫度和時間進行擴散；開坯大壓下，增加心部變形滲透，中心組織致密；軋制大壓下，改善低倍質量。
成分不均勻性控制技術: 通過大方坯生產的核心技術改善鑄坯的原始成分偏析；高溫擴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，三者相結合控制均質性指標。
夾雜物特性控制技術: 針對絲杠長桿類需要多道車削、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。通過對鋼中MnS夾雜物進行改性試驗，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夾雜物的長寬比，使其形態(tài)為紡錘狀，且均勻分布，本項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
滾動體材料各相同性控軋控冷: 結合CCT曲線，設計合理的控冷工藝參數，如吐絲圈徑、軋制速度、輥道速度、風機風量等，以控制盤條的組織狀態(tài)和力學性能均勻性。高碳鉻軸承屬于過共析鋼，大大增加了控冷難度。通過對高碳珠光體鋼奧氏體再結晶到珠光體體相變過程的機理研究，合理分配各溫度區(qū)間風機開啟度和冷卻速率，從吐絲850℃至700℃再結晶溫度區(qū)間盡量加大冷卻速率，細化晶粒，減小搭接點與中間點溫差，在650℃以下相變溫度區(qū)間實施慢冷緩冷通過熱傳導原理進一步減少搭接點與中間點溫差。
2、開發(fā)了預處理組織低畸變能控制技術
滾珠絲杠用鋼交貨組織低畸變能控制: 開發(fā)了滾珠絲杠用鋼預處理組織低畸變能控制技術，并制作內控判定圖譜。保障交付內部組織均為點狀索氏體。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％，最終拉拔導軌的球化率驗證達到95%，超越了日本材料。圖2 日本(左)與興澄(右)高球化率控制結果
3、開發(fā)高頻探傷預處理技術，建立了可靠性驗證方法
滾動功能部件用鋼的高頻探傷預處理技術: 創(chuàng)新高頻探傷預處理技術，采用淬火和回火工藝得到回火索氏體組織，細化晶粒、均勻組織，有效的去除探傷雜波，大幅提升探傷檢測準確度。
成品滾動功能部件疲勞壽命測試方法: 開發(fā)了等應力疲勞磨損測試評價、全周期分段步加策略的疲勞試驗等技術與方法，使?jié)L動功能部件疲勞試驗周期縮短50%以上，有效地縮短了滾動功能部件材料的工業(yè)化周期。
本項目已獲發(fā)明專利13件（其中PCT專利1件），實用新型專利25件，發(fā)表論文1篇，牽頭制定行業(yè)團體標準1項。四、應用情況與效果
通過本項目的實施，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，解決了我國高端工業(yè)母機國產化關鍵問題。
基于本項目取得的關鍵技術成果，興澄特鋼在高精密設備特種零件板塊取得了矚目的成績。在諸如導軌絲杠關鍵材料性能提升、高端滾珠絲杠副、高端滾動直線導軌、滾動功能部件高效高精外螺紋磨削機床、滾動功能部件高精度內螺紋磨削機床、滾動功能部件高精度直線導軌磨床、滾動功能部件高精度導軌滑塊內滾道磨床、滾動功能部件滾道表面質量檢測裝置等關鍵設備及零部件均打破國外壟斷，中國機密制造業(yè)從此不再受制于人。
本項目聯合攻關組件了中國精密制造業(yè)頂尖產學研用聯合體：興澄特鋼、南京理工大學、南京工藝裝備制造有限公司及漢江機床有限公司。聯合體將材料應用于國內首臺精密五軸工業(yè)母機，助力完成了光刻機、空間站機械臂、北斗衛(wèi)星導軌等國家重點工程的實施，成功解決這一領域的技術難題，為我國高精密工業(yè)母機100%國產化這一國家戰(zhàn)略提供堅實基礎。
信息來源：江陰興澄特種鋼鐵有限公司
