特殊钢

高品质特殊钢技术开发

一介绍国家科技支撑计划重点项目《高品质特殊钢技术开发》

陈思联1 刘正东1 董瀚1 兰德年2

1．钢铁研究总院 北京 100081 2．中国钢铁工业协会 北京 100711

摘 要 特殊钢是装备制造的关键材料，其生产和应用代表了一个国家的工业化发展水平。市场和社会发展需要“高性能、低成本、高精度、易加工、绿色化”等高品质特征的特殊钢产品，因此，需要研发高品质特殊钢的生产和应用技术。国家科技部在2007年的支撑计划重点项目中设立了“高品质特殊钢技术研发”项目，重视对特殊钢技术的研发。项目研发工作已经开展，本文将论述项目中铁素体不锈钢板带、耐热钢管材、非调质钢棒材和模具钢锻材的研发目标和工作进展情况。

关键词 高品质 特殊钢 支撑计划

1 高品质特殊钢是发展的必然

特殊钢是重大装备制造和国家重点工程建设所需的关键材料，是钢铁材料中的高技术含量产品，其生产和应用代表了一个国家的工业化发展水平。特殊钢占钢总量的比重、特殊钢产品结构、特殊钢质量和特殊钢应用等是反映一个国家钢铁工业发展水平的重要标志。 近年来，在我国社会和经济快速发展的带动下，我国特殊钢生产和市场发展迅速，特殊钢生产装备和工艺技术不断提高，特殊钢产量和产品质量持续提高，市场满足程度不断增长。但是，相比我国快速发展的普通钢行业，我国特殊钢行业技术发展速度慢一些，与国际先进水平的差距也比普通钢行业大。提高我国特殊钢行业的整体技术水平已经迫在眉睫。与国际上先进的特殊钢专业化生产线相比，我国特殊钢行业仍然存在一些需要开展工作的方面：

1)调整特殊钢产品结构我国特殊钢产量占钢产量的比例低于工业发达国家。美国和韩国特殊钢产量占钢产量的10％左右，日本、法国和德国特殊钢产量占钢产量的15－22％，瑞典特殊钢产量占钢产量的45％左右，而我国特殊钢产量仅占钢产量的8％左右。比例不但低，而且还在不断地下降。我国特殊钢产量中有一半是优质碳素结构钢，不锈钢、耐热钢、合金结构钢、工模具钢、轴承钢等高端品种仅为50％(而日本达到75％)。国家建设急需的高端合金钢产品，如超超临界火电机组耐热钢管、核电站用不锈钢、大型飞机用超高强度钢等应该开展研发工作。

2)提高特殊钢生产工艺技术水平我国特殊钢板带材、管材、棒线材、锻材、线材专业化生产线正在逐步形成，具备了较先进的特殊钢生产装备，但生产工艺技术水平急待提高。我国目前特殊钢冶炼、连铸、热轧、冷轧、锻造、热处理和应用等技术与工业化国家有差距，如：先进的特殊钢冶炼和精炼工艺技术可以准确地将化学成分控制在较窄的范围内，特殊钢的凝固工艺技术可以保证钢坯(锭)的化学成分和组织的高均匀度，变形工艺技术能够满足钢材精确形状尺寸和组织状态的控制要求，热处理工艺技术可以精确控制钢材和部件的组织和性能。提高生产工艺技术水平提高，可以改善特殊钢产品的纯净度、化学成分控制精确度、组织均匀性、性能的稳定性、尺寸精度、表面质量、包装质量等。

3)生产节能减排型特殊钢产品相比普通钢，特殊钢中的合金元素含量高，生产工艺较复杂，并且需要热处理，因此资源和能源消耗相对较大。如：我国铁素体不锈钢仅占不锈钢总产量的25％左右(日本为40％，各工业化国家均有较大比重)，以Cr－Ni系奥氏体钢为主要品种的我国不锈钢发展每年消耗大量的金属镍资源；我国需要研发满足高效率火电锅炉用耐热钢管；日本、韩国和欧洲80％的汽车锻钢件均采用省去了热处理工序的微合金非调质钢，而我国仅有部分曲轴和连杆等汽车部件使用，大多数锻钢件仍然使用调质钢，每年的汽车零件热处理消耗了大量能源和材料。

为了提高市场竞争力，国外和我国特殊钢企业结构和流程结构不断优化。殷瑞钰院士在《冶金流程工程学》中提出了现代钢厂模式，阐明了这种变化Ⅲ。工业化国家形成的特殊

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钢生产企业结构大体上可以分为下述三种类型。大型综合性特殊钢企业：一般年钢产量为100一300万吨，生产的钢种数百个到一千多个，品种大多为长型材(棒线材及部分管材)、锻件(包括模锻件)、铸件、丝材和带钢，产品规格范围较大，采用铸锭生产的钢材占一定比例；大型钢铁联合企业所属特殊钢厂：拥有“高炉一转炉一连铸一热轧一冷轧”生产流程的 大型普通钢企业所属的长型材厂生产特殊钢棒材和线材，扁平材厂生产不锈钢板带等；专业性特殊钢企业：钢的年产量一般在100万吨以下(大多为20一60万吨／年)，具有一条结构合理的生产线，产品单一(只生产棒线材、锻材、板材或钢管中的一种)，附加值高，产品市场日趋全球化。如：特殊钢板带厂、特殊钢棒线材厂(碳结钢和合金钢)、特殊钢锻件厂、特殊钢钢管厂等。

近年来，我国特殊钢行业的企业结构、工艺结构和产品结构不断调整以适应市场发展的需要。“南宝北太”[太钢(产能300万吨／年)和宝钢不锈钢分公司(产能144万吨／年)]建成了世界先进的不锈钢生产流程，全国形成了年产1000万吨以上不锈钢的产能；大钢、抚钢和北满组成了大型综合性的东北特殊钢公司，产品覆盖了几乎所有的特殊钢品种；兴澄、大冶和石钢组成了中信泰富特殊钢集团，形成了钢产量约700万吨／年的中国第一大产量的特殊钢公司，主要生产优质碳结钢和低合金特殊钢长型材；上钢五厂进人宝钢集团成为宝钢特殊钢分公司，致力于高附加值特殊钢的生产；长钢进入攀钢集团以利资源合理分配；首钢、石钢等企业采用转炉流程生产优质碳结钢和合结钢。经过调整逐渐形成特殊钢企业的典型特殊钢产品的专业生产线。

1)不锈钢板带的生产采用冶炼(BOF／EAF—AOD／VOD—LF／LT)一板坯连铸一热连轧一冷轧一退火专业化生产线；

2)轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、合结钢、优质碳结钢、不锈钢等棒线材生产采用电炉冶炼一炉外精炼一方坯连铸一棒线材连轧一精整热处理专业化生产线；

3)耐热钢、合结钢、不锈钢等管材生产采用电炉冶炼一炉外精炼一管坯连铸一管材连轧一管材精整热处理加工专业化生产线；

4)模具钢、高速钢、高合金钢的生产应用冶炼一精炼一模铸(连铸)一锻造(轧制)开坯一锻造(热轧)成材一制品加工专业化生产线。

特殊钢扁平材、管材、棒线材、锻材等的专业化生产已成为国内外特殊钢行业重要发展趋势。具有先进生产技术的专业化生产线可以生产出满足市场和社会发展需求相适应的“高性能、低成本、高精度、易加工、绿色化"高品质特征的特殊钢产品。开发高品质特殊钢技术符合我国《钢铁工业产业政策》，属于《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006—2020年)》优先支持方向。根据我国特殊钢生产流程和工艺技术发展，紧密结合产品的市场需求，考虑节能减排的国家目标，在中国钢铁工业协会的组织下，我们拟开展铁素体不锈钢板带材、超超临界火电机组用关键锅炉管材、节能微合金钢棒材、高品质模具钢锻材等技术研发工作，通过此项工作促进特殊钢企业的高品质特殊钢生产。

2 铁素体不锈钢板带材

进入21世纪后，我国不锈钢产量突飞猛进地增长。从1990年代的徘徊的20一40万吨／年增加到2007年的720万吨，占世界不锈钢产量(2900万吨／年)的1／4左右。2007年不锈钢消费达到了658万吨，人均消费5．1公斤／人年，超过世界平均水平。占镍消耗量2／3的不锈钢产业快速发展拉动了镍需求，特别是中国不锈钢(奥氏体不锈钢)生产和消费的增长，对镍资源的需求大幅度增加。2007年初，国际市场镍价攀升到40900美元／吨。由于不锈钢产量的降低、低镍和无镍不锈钢的开发，促使2008年镍价的降低和盘整，6月份最后一个交易周的LME收盘价为21800美元／吨[包斯文，下半年镍价有望止跌回稳，中国冶金报，2008年7月3日，总5192期，C4版]。镍价的高位和盘整促进了铁素体不锈钢的开发。我国不锈钢工业发展依然需要考虑铁素体不锈钢和其它节镍不锈钢的开发。应实现

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铁素体不锈钢的全流程工业生产，促进铁素体不锈钢的应用，使不锈钢的消费结构合理化，节约镍资源，稳定不锈钢生产和消费。

铁素体不锈钢是一类具有体心立方结构、含铬量在10．5—32％范围内、在高温和室温均为铁素体组织的不锈钢，是一类不能通过热处理强化的不锈钢。可以按照铬含量的高低和合金化特点将铁素体不锈钢分为5类，图1。铁素体不锈钢具有良好的力学性能，其屈服强度高于奥氏体不锈钢，延伸率和成型性与低碳钢相近，图2。铁素体不锈钢冷加工硬化倾向较低，有优良的耐全面腐蚀和耐各种局部腐蚀性能，特别是耐氯化物应力腐蚀性能优异。铁素体不锈钢的导热系数是铬镍奥氏体不锈钢的135％，热膨胀系数约是铬镍奥实体不锈钢的60％，适用于热胀冷缩、有热循环的场合。铁素体不锈钢有三方面的缺点和一个不足：存在三个脆性区(475℃脆性、中温脆性和高温脆性)、脆性转变温度高且室温韧性低、对晶间腐

［］蚀更敏感、较18—8型奥氏体不锈钢的冷成型性不足3。

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铁素体不锈钢的生产要求严格，冶炼、连铸、连轧，退火、酸洗的每一个工序均要严格控制，以保证产品质量，工业化生产铁素体不锈钢是一个系统工程。目前国内铁素体不锈钢生产技术开发主要围绕在高洁净度冶炼、高等轴晶连铸、高效率连续轧制、连续退火酸洗等关键工艺，已经取得了很好的成绩，仍需要继续开展工作。针对上述问题，我们开展铁素体不锈钢技术的研发工作，达到以下目标[4]：

课题依托单位(太钢、宝钢不锈钢)铁素体不锈钢所占产量比例由20％提高到50%，产量可达到200万吨左右，节约镍资源约16万吨(以304奥氏体不锈钢含8％Ni计算)；提高钢的洁净度达到(([C]+[N])≤150 ppm，提高均匀度，高成形性能铁素体不锈钢铸坯的等轴晶比例从目前的30％到50%；低铬(10～14％Cr)铁素体不锈钢具有优异的成型性，平均塑性应变比r≥1．3、皱折级数≤1．4，轿车冷凝液系统用材料使用寿命大于5年；中铬(14～22％Cr)铁素体不锈钢的平均塑性应变比r≥1．2、皱折级数≤1．4，实物水平与川崎公司产品相当，在海洋大气、工业大气、自来水中耐点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀性能相当或优于304、316不锈钢；高铬(22～30％Cr)钼铁素体不锈钢在海洋环境或强氯化物介质中无应力腐蚀倾向，在6％FeCl3溶液中的临界点蚀温度≥70℃，在6％FeCl3溶液中的临界缝隙腐蚀温度≥40℃，可焊接(焊后无晶间腐蚀倾向)，冷脆转变温度≤一20℃。

3超超临界火电机组用关键锅炉管材

中国火电装机容量、用电量、火电设备制造方面是仅次于美国的第二大国，对火电用耐热钢的需求是世界上第一大国。超超临界火电机组成套技术是我国优化发展火电结构，保证国家能源安全，实现节能减排的最重要措施之一，高品质锅炉钢管材是制约我国发展该技术的“瓶颈”，目前依靠进口。火电机组(锅炉和汽轮机)中，在高温高压条件下服役的钢管、叶片、螺栓、转子、汽阀等等，要求使用寿命10年以上。

世界各国投人研究力量最多的是高温高压用耐热钢管材。日本1950年代从美国、德国引进技术，1981年开始超超临界发电研究计划，1997年政府资助NIMS开展650℃蒸汽参数铁素体耐热钢基础研究《(超级钢》项目的课题之一)。欧洲实施COST501计划(1983—1997年，参数30 MPa／600／620℃)和COST522计划(1998—2003，参数>30 MPa／650℃)，热效率达到50％。COST501计划重点是研究9～12％Cr钢，开发出E911和转子用钢X12 CrMoVNb101、X18CrMoVNbNB91及铸钢GX10CrMoVNbN101。1998年欧盟实施为期1 7年的Thermie计划(又称700℃计划)，研发目标是参数37．5 MPa／700℃的超超临界机组。美国在1986年提出CCT计划(1986—1992年)发展超高效机组，1992年提出Comb ustion2000计划(后并人Vision21计划)，1999年提出的Vision21计划(1999～2002)。这些计划开发超超临界机组用钢。美国在1980年代开发出的T91钢为超超临界机组的奠定了材料基础。美国、日本、欧洲的蒸汽温度600℃超临界和超超临界机用钢材经10多年的运行已经可以满足使用要求，正在研制650℃蒸汽温度参数机组用耐热钢，预研700℃蒸汽温度参数机组用耐热钢。

我国开始重视火电用钢的发展，2003年国家科技部在“863计划”中列人“高效超临界火电机组关键用材研制”课题，钢铁研究总院等单位开展T122和Super304 H钢探索性研究。中国除生产部分102、T23、T91、TP304 H、TP347 H外，其它依靠进口，特别是超临界和超超临界机组中高品质耐热钢。当前我国最突出的问题是解决用量最大、难度最高的高温高压耐热钢管。我们一方面需要引进和消化国外成熟的耐热钢，另一方面需要走具有中国特色的发展道路，发展火电用耐热钢，满足中国不断增长的火电机组建设需求。

耐热钢的发展水平，决定了不同时期的火电机组运行参数，在1920年代使用碳钢，蒸汽压力4 MPa，温度370℃。随后Mo钢的出现，参数提高到10MPa和480℃。直到1950年代，由于CrMo钢的应用，参数提高到17MPa和566℃。1970年代能源危机，为了提高热效率，使美、日、欧各国重新开始对高参数用钢的开发，重点发展导热系数大，热膨胀系

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数小的铁素体型(马氏体)钢，尤其是9～12％Cr钢的研究，替代奥氏体钢。图3示出了600℃、105 h下耐热钢持久强度发展的进程。

铁素体型耐热钢发展主要分为四个发展阶段，在1960～1970年代EM12、HCM9M、HT9、HT91等9～12％Cr钢对于亚临界机组的发展有很大贡献。直到1970～1985年期间，T／P91、HCMl2和HCM2S提高了钢的持久强度、可焊接性等，机组蒸汽温度提高到593℃以上，保证了超临界机组的运行和超超临界机组的试验建造。1985年以后开发了T92(NF616)、E911和HCM12A(T／P122)。由于进一步增加W、Mo、Cu等强化元素，钢的持久强度提高，机组的蒸汽温度提高至600℃以上，这样保证了超超临界机组的成功运行。由于铁素体钢导热性好，热膨胀系数小，钢的热疲劳抗力比奥氏体钢好。同时，铁素体耐热钢焊接性好，与其它铁素体钢的焊接属于同种材料焊接，焊接接头性能稳定，成本比18—8奥氏体钢低。由于这些优点，世界各国都大力研究发展铁素体耐热钢。近年来，通过加人3W一3Co及B、Ta、Nd等元素进一步强化发展了NFl2，SAVEl2等新型耐热钢，可望满足650℃蒸汽温度参数使用。

奥氏体耐热钢主要用于过热器和再热器的高温段管道，其的特点是持久强度高、抗氧化和抗腐蚀性能优越，使用温度比铁素体钢高。可以大致分成四类，即15Cr一15Ni型、18—8型、25Cr一20Ni型和高Cr合金型。15Cr一15Ni型有17—14CuNb、Esshetel 250、TempaloyA一2等；18—8型有TP304 H、TP321H、FP316 H、TP347H、TP347 HFG、Super304H、TempaloyA一1等；25Cr一20Ni型有TP310、TP310NbN(HR3C)、NF707、NF709、A110y800H、TempaloyA一3、SAVE25等；高铬合金型有CR30A、HR6W、Inconel617、Inconel671，Inconel740等。耐热钢的基体组织和析出相的稳定性是其高温性能的基础，图4是铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢的组织特征。

［］ 耐热钢管材课题将在以下三个方面取得进展6建立从材料成分设计一冶炼一铸造一热

加工一热处理一焊接一性能综合评价一应用一在役性能评估和寿命预测全过程技术体系；实现超超临界火电机组高品质锅炉钢管材的国产化生产和应用；形成以多元素复合强化、超细弥散析出相稳定化、高温高压蒸汽和多种燃烧介质腐蚀环境下材料的组织和界面行为为主要内容的高温高压腐蚀环境下长期服役的耐热钢铁材料设计理论和技术。

通过研发达到以下目标：为解决超超临界火电机组建设需要，形成T／P91、T92、S30432、S31042钢管的稳定生产技术，在宝钢、攀钢、兴澄特钢实现批量生产。钢管性能满足锅炉厂钢管供货技术条件，按ASME规定外推值，T92钢管和焊接接头的105小时持久强度≥96MPa(600℃，据104小时数据外推)；S30432钢管和焊接接头的105小时持久强度≥116

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MPa(650℃，据104小时数据外推)；S31042钢管和焊接接头的105小时持久强度≥58．6 MPa(700℃，据104小时数据外推)。产能达到5000吨／年，并获得实际工程应用。开发T／P 91、T92钢的冶炼和连铸生产技术，铸坯合格率大于97％，铸坯成份偏析率小于1．1，形成铁素体耐热钢连铸生产技术。提供与上述USC钢管配套的焊接材料与技术。确定蒸汽腐蚀机理和规律，氧化层剥落机理和规律，建立在役寿命预测检测方法，逐步建立锅炉钢高温长时试验数据库。

4 节能微合金非调质钢棒材

源于1970年代初石油危机的微合金非调质钢在30年多年来发展迅速，其研究、生产和应用工作不断加强。其强韧性不断增加，从开始的替代热处理碳结钢，到后来的替代热处理合结钢；钢中的夹杂元素[S]提高切削性能、[O]提高韧性、[N]促进析出强化等有利化运用工作；控制钢中的主要化学合金元素成分范围不断减小；基于控锻控冷的锻件组织控制技术发展迅速；热轧钢材的表面质量不断提高；在汽车锻件上的应用范围不断扩大，几乎可以扩大应用到所有的锻钢件。

1972年德国Thyssen公司开发了省略热处理工序的世界上第一个非调质钢49 MnVS3，用于制造热锻汽车曲轴。1970年代末起，工业化国家先后开展了非调质钢的研究和开发。日本各钢厂研究和开发了一系列非调质钢，并应用于生产汽车曲轴、连杆、转向节、转向节臂、轮毂、机床轴类、螺栓等，如日本已有75％以上的连杆和60％以上的曲轴用非调质钢制造；德国汽车曲轴、连杆、前轴、半轴等锻件70％以上采用非调质钢制造。法国、意大利、英国均分别研发了具有特色的微合金非调质钢系列。

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我国汽车和机器制造的发展，对非调质钢棒材的高品质需求不断增长，热加工性能、强度、韧性、抗疲劳性能和切削性能不断提高，要求成本不断降低。“七五”期间开始的非调质钢攻关研究奠定了我国非调质钢的技术基础，建立了我国非调质钢标准。通过〝九五〞和〝十五〞攻关，我国在非调质钢的研发方面取得了进展，非调质钢的冶金质量和性能水平得到提高，可以生产工业化国家品牌轿车用非调质钢棒材。由于汽车安全性和轻量化要求的提高，对非调质钢的品质要求不断增长，如胀断连杆用C70S6非调质钢、性能要求更高的前轴和半轴用非调质钢、高性能大功率发动机曲轴用非调质钢等要求更高的加工性能和使用性能。

非调质钢利用控制轧(锻)控冷来获得所需强韧性，化学成分波动和组织均匀性对性能影响大。高品质非调质钢生产采用炉外精炼控制成分、微量元素精确控制、夹杂元素有利化、控锻控冷、高表面质量等技术，保证钢材的冶金质量和性能稳定。非调质钢零件一般需要经过机加工工序，故需要良好的切削性能以保障高生产效率和高表面质量。非调质钢中的硫化物控制技术非常关键，除了影响切削性能之外，利用好可以提高热锻件的力学性能。我们现在化学成分的窄范围、硫化物、组织精细控制等方面还要开展工作。由于微合金元素的价格居高不下，所以我们还需要考虑少添加或不添加微合金元素的新型非调质钢。

一般非调质钢的抗拉强度在700一900 MPa(0．2一0．5％C)范围内，与调质钢相当，高于热轧态碳结钢，图5。如果我们在中碳钢的扩散相变中运用组织细化的思路(

在新一代

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钢铁材料研发中成功实践的技术)，是否可以提高碳结钢的强度达到微合金非调质钢的强度呢?就我们已有的研究工作，可以认为有可能做到这一点的，图6。这样就可以碳素非调质钢替代微合金非调质钢，节约合金元素，进一步降低钢材成本。这项工作将在此次课题中深入开展。

［］ 为了促进非调质钢的生产和应用，本课题将开展四个方面的研发工作7。

研发高品质非调质钢所需的窄成分精确控制、硫化物等第二相细化及均匀分布技术、铸坯成分偏析控制技术、控轧(锻)控冷技术、锻轧过程中组织、性能演变及其预报技术及非调质钢应用技术等关键技术。化学成分偏差控制使[C]绝对值差从≤0．08％提高到≤0．04％，

[Mn]绝对值差从≤0．25％提高到≤0．15％，[V]绝对值差从≤0．03％提高到≤0．02％，

[S]绝对值差从≤0．025％提高到≤0．015％。

开发出具有良好综合性能的非调质钢及其成套工业生产和应用技术(以胀断连杆用高碳钢，半轴、花键轴、叉等用中碳钢，前轴等用中低碳钢等非调质钢为典型代表)，实现工业化应用。典型高品质非调质钢力学性能达到使用要求。胀断连杆用高碳钢C70S6的Rm＝900～1050 MPa；半轴、花键轴、离合器分离叉用中碳钢的Rm＝840～1100 MPa、；前轴用中低碳钢的Rm＝900～10 40 MPa。

研究节约钒、铌元素的新型非调质钢技术和低塑性胀断连杆技术。

在充分调研国内外近年来非调质钢生产和应用的基础上，对已实施了十多年的非调质钢国家标准进行修订，规范和引导非调质钢的生产与应用。

5 高品质模具钢锻材

模具钢是模具工业的重要材料基础。为了适应工业技术发展所需要的模具工作条件的日益苛刻条件，工业化国家都积极开发具适应不同要求的新型模具钢，并不断提高质量。随着制造业的迅速发展，我国高品质模具钢需求量也快速增长，而这些高品质模具钢基本依赖进口。模具钢的高品质要求有：高纯净度和精细组织、精加工状态交货(尺寸精度≤2～3 mm，根据不同材料需求进行退火、预硬化处理)、高组织和性能均匀性(高横／纵向冲击韧性比、内外硬度≤1HRC)、长寿命。目前，国外公司在中国的配售中心均以高品质模具钢形式经销，其价格是国内同类钢材价格的3～7倍。

国产模具钢品质较低，冷作模具钢在同样强度下韧性较低，耐磨性不高，热作模具钢的高温强度和热疲劳性能低，使国产模具钢制造的模具寿命较进口模具钢的模具寿命低。研究表明，国外模具钢的品质主要体现在：高纯净度、高均匀度、组织细小、高尺寸精度等。

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以热作模具钢H13为例，与进口H13钢相比，国产H13钢大型模块的夹杂物、一次碳化物较多，退火组织中碳化物有明显沿晶界分布现象。国产H13钢模块心部横向的冲击韧性只有纵向的0．2～0．3，与进口8407(H13)钢的0．6～0．8存在差距，表现出等向性能低，如图7所示。进口H13钢中硫、磷含量均低于国产H13钢的一个数量级。一般国产H13钢的压铸模寿命为5万模次左右，而进口的高品质H13钢压铸模可汰到20万模次左右。 在冷作模具钢方面，我国目前主要生产高碳高铬型冷作模具钢Crl2 MoV、Crl2、D2和少量的9CrWMn。据2006年中国特殊钢企业协会模具钢专业组年度数据统计，这四类钢分别占冷作模具钢的29．5％、42％、16．7％、11．8％，其中高碳高铬型占88．2％。近年来国外开发出多种冷作模具钢，基本以降碳和降铬为目标，如DC53、Vasco Die，K340、QCM7，其特点是同时具备高硬度、高耐磨性和高韧性，具有良好加工性能。它们能有效避免模具开裂和崩裂发生，提高模具使用寿命。国产模具钢除钢种较少外，其冶金质量相对较 低，如硫含量较高，产生较多的硫化物夹杂，共晶碳化物不均匀等。

我国塑料模具钢的主要品种有S50C、S45C、3Cr2 Mo(P20)、3Cr2 NiMnMo(718)、10Ni3 MnCuAl等。相比工业化国家的塑料模具钢，我国塑料模具钢品种规格少和尺寸截面小。在质量方面，我国塑料模具钢偏析程度大和纯净度低，表现出硬度波动大、切削和磨抛加工性能差。国产718切削刀具的磨损明显高于进口ASSAB718；对截面尺寸为500×1000 mm的国产GC718和进口ASSAB718截面硬度波动研究发现GC718表心硬度差为3．2 HRC，而进口AssAB718为1．8 HRC。在规格方面，国产塑料模具钢厚度尺寸一般在800mm以下，而目前家电和汽车工业急需的厚度在800 mm以上的模块基本依赖进口，要达到大尺寸要求，相应的钢锭重达35～50吨。随之而来的是大型钢锭的压力加工和热处理等方面组织控制问题。

在通过控制冶金质量提高我国模具钢品质达到工业化国家模具钢品质的进程中，我们还需要考虑模具钢的强化理论研究工作，特别是提高模具钢性能的组织控制技术，从而开发出具有自主知识产权的新型模具钢。模具钢中一般含有铬、钼、钒等合金元素，它们在马氏体基体中固溶或析出，强化基体。特别是析出的弥散细小高硬度碳化物和稳定的基体组织决定了模具钢的耐磨性能、抗疲劳性能等。针对不同要求，可以设计钢中的碳化物类型，表1和图8，控制碳化物分数、尺寸和分布，达到高品质的目的。

通过模具钢锻材的研发工作[川，形成高品质模具钢锻材生产的成套工艺技术，开发的H13、718、D2MOD、汽车覆盖件模具、冷轧辊的实物质量达到国际先进水平(其中：H13、718达到瑞典8407、718水平，D2MOD达到大同DC53水平)，使用性能、工艺性能满足生产和用户需要。

预硬化塑料模具钢大模块(厚度≥300 mm)、扁钢P20、718硬度范围为HRC28～35，同截面硬度差(HRC(718)≤3，△HRC(P20)≤5；预硬化塑料718模具钢大模块(500mm(厚度≤800 mm)的硬度范围为HRC28～35，△H RC＝±2。

H13钢大模块等向性(横向冲击功／纵向冲击功)≥0．65(200<厚度≤500mm)～0．8(150mm≤厚度≤200mm)，A、B、C、D类夹杂物级别≤1．0级(按ASTME 45标准)

，

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退火球化组织符合NADCA207—97标准，退火硬度HB≤200。新型热作模具材料H13 Mod．的Rm≥1400 MPa，Rp0．2≥1200MPa，A≥10％，Z≥30％，冲击功较H13钢(NADCA207标准)提高20％。

冷作模具钢的淬回火硬度≥61 HRC，相同硬度条件下冲击功比D2钢提高25％，实物质量达到日本DC53。

6 结语

以装备制造业为代表的各工业领域的发展需要高品质特殊钢作为材料基础。相比普通钢而言，特殊钢是一个品种繁多、生产工艺复杂、应用领域广泛的材料，在有限的篇幅内，对每一类特殊钢的技术发展进行详细的论述和研究是不可能的。但是特殊钢也有其共性之处，如控制钢材生产工艺，使之具有高纯净度、高均匀度、组织精细控制、高尺寸精度和高表面质量。本项目所选择的四种材型的特殊钢正是拟通过板材、管材、棒材和锻材的研发体现出上述发展特征，达到以点带面的效果，促进特殊钢技术的发展。

在以市场需求为牵引的研发工作中，同时还要重视理论和技术基础研究。控制铁素体不锈钢中[C]所形成的碳化物(也包括了[N]的控制)以避免晶间腐蚀，控制耐热钢中的碳化物稳定性以提高高温强度，控制非调质钢中的VC析出或渗碳体形貌以提高强度达到调质钢强度水平，控制模具钢中碳化物类型和形貌来获得所需要的耐磨性能等，四类钢中均包含了以对碳化物的控制来达到所需要的性能，当然碳对相变组织及性能的影响不言而喻。正如徐匡迪院士的精辟归纳：“物理冶金学的核心是研究碳在钢中的行为及其控制原理”。我们在开发高品质特殊钢技术需要融会贯通，既要考虑事物的特殊性，更要思考其普遍性。在认识特殊钢理论的普遍性基础上，掌握其共性关键技术，为特殊钢技术的自主创新奠定基础。

特殊钢