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(shù)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(shù)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(shè)計、材料冶煉、軋制及熱處理技術(shù)研發(fā)、滾動功能部件失效機理與材料性能映射關(guān)系研究、滾動功能部件專用鋼檢驗及評價技術(shù)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(shè)計及其煉軋質(zhì)量控制技術(shù)
成分設(shè)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(shè)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(shù)，實現(xiàn)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(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(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: 采用計算機成分微調(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，并進行脫Si、脫P、脫S處理，嚴格控制廢鋼質(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(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鋼水污染的控制技術(shù)，強化對生產(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)電磁攪拌強度；通過射釘槍測得坯殼厚度，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度；確定末端輕壓下參數(shù)。軋制采用高溫擴散技術(shù)，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(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(shù)，三者相結(jié)合控制均質(zhì)性指標。
夾雜物特性控制技術(shù): 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(shù)。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(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
滾動體材料各相同性控軋控冷: 結(jié)合CCT曲線，設(shè)計合理的控冷工藝參數(shù)，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(jié)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(jié)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(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(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(jié)果
3、開發(fā)高頻探傷預處理技術(shù)，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(shù): 創(chuàng)新高頻探傷預處理技術(shù)，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(yīng)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(shù)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(yīng)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(chǎn)化關(guān)鍵問題。
基于本項目取得的關(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。在諸如導軌絲杠關(guān)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(nèi)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(nèi)滾道磨床、滾動功能部件滾道表面質(zhì)量檢測裝置等關(guān)鍵設(shè)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(lián)合攻關(guān)組件了中國精密制造業(yè)頂尖產(chǎn)學研用聯(lián)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(lián)合體將材料應(yīng)用于國內(nèi)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(lǐng)域的技術(shù)難題，為我國高精密工業(yè)母機100%國產(chǎn)化這一國家戰(zhàn)略提供堅實基礎(chǔ)。
信息來源：江陰興澄特種鋼鐵有限公司
