钢铁工业对我国国民经济的发展和国家建设有着举足轻重的地位。高品质钢具有洁净化、均质化和细晶化的要求，其中洁净化指的是钢中非金属夹杂物。所有钢都有夹杂物的问题，解决了夹杂物的问题就解决了所有钢种的三分之一以上的问题。合金结构钢中的脆性夹杂物会导致产品的开裂失效，非调质钢和易切削钢中硫化物沿晶界析出会导致产品的疲劳伤损，大型铸锻件模铸过程聚合形成的大型夹杂物会导致产品的探伤不合。因此，钢中非金属夹杂物的特征直接影响钢产品的质量和性能，同时高熔点夹杂物会引起钢连铸过程浸入式水口结瘤。钙处理技术是改性钢中非金属夹杂物的最常用、最直接、最有效的方法，在过去的几十年里，钙处理在减少水口结瘤和夹杂物控制等方面一直扮演着无可替代的角色。 然而，由于钙金属本身化学性质活泼以及沸点低等特性，导致工业生产钙处理过程存在着喂钙量经验化、钙合金收得率波动大、改性夹杂物效果不稳定的行业瓶颈难题。因此，有必要针对高品质钢钙处理改性夹杂物的精准性和稳定性开展深入和系统的研究，使钙处理技术始终处于最优效果，准确有效地实现钢中夹杂物数量、成分和形态的稳定控制，为我国高端特殊钢产品质量的稳定提升和自主生产制备提供技术支撑。

高端特殊钢具有洁净化、均质化和细晶化的要求，其中洁净化指是钢中非金属夹杂物。所有的钢都有夹杂物的问题，解决了夹杂物的问题就解决了所有钢种的三分之一以上的问题。夹杂物的控制是生产高端特殊钢洁净化控制的重中之重。合金结构钢中的脆性夹杂物会导致产品的开裂失效，非调质钢和易切削钢中硫化物沿晶界析出会导致产品的疲劳伤损，大型铸锻件模铸过程聚合形成的大型夹杂物会到导致产品的探伤不合。因此，钢中非金属夹杂物的特征直接影响钢产品的质量和性能，同时高熔点夹杂物会引起钢连铸过程的浸入式水口结瘤。钙处理技术是改性钢中非金属夹杂物的最常用、最直接、最有效的方法，在过去的几十年里，钙处理在减少水口结瘤和夹杂物控制等方面一直扮演着无可替代的角色。 然而，由于钙金属本身化学性质活泼以及沸点低等特性，导致工业生产钙处理过程存在 着喂钙量经验化、钙合金收得率波动大、改性夹杂物效果不稳定的行业瓶颈难题。因此，有 必要针对高端特殊钢钙处理改性夹杂物的精准性和稳定性开展深入和系统的研究，使钙处理 技术始终处于最优效果，准确有效地实现钢中夹杂物数量、成分和形态的稳定控制，为我国 高端特殊钢产品质量的稳定提升和自主生产制备提供技术支撑。

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。

项目属于金属材料制造工艺技术与材料应用技术领域，产品主要应用于制造新能源汽车驱动电机铁心。新能源汽车驱动电机铁芯使用高端无取向硅钢，其使用需求是高效率、高功率密度及安全性，决定了铁芯导磁材料高磁感、极低损耗、高强度特性。汽车驱动电机铁芯工作于高速转动的工况，为了提高效率，要求中频极低铁损；为了提高安全性，要求导磁材料强度高；同时，鉴于汽车的民用属性，涂层材料的环保化将成为趋势等。本项目研究了高端无取向硅钢磁畴行为及表面富集元素作用机理，形成提高面织构、夹杂物无害化、化学成分及组织优化控制等平台技术，解决研制高端无取向硅钢系列产品的共性技术问题。依据高端无取向硅钢强度、磁性能耦合关系，研究强度和电磁性能的统一；同时研发了无铬环保涂层、应用于汽车驱动电机整体增强技术的自粘接涂层。

众所周知，轴承材料中滚动体的技术难度大于套圈，钢球的难度又大于滚子和滚针，而大载荷轴承钢球与其它用途轴承钢球相比具有以下技术难点：①更大载荷：压碎负荷2500kN以上，工作应力1250kN以上，因此对于疲劳失效更加敏感；②更大规格：大载荷钢球规格高达Φ89mm(对应棒材规格为Φ60mm)，钢材组织均匀性控制难度大；③更恶劣服役环境：风电轴承全寿命周期免维护，服役于低温、腐蚀等恶劣环境，要求钢材P含量≤0.010%。 基于以上特点，大载荷轴承钢球要求钢中夹杂物数量少且尺寸小、碳化物细小均匀、P等有害元含量低，目前国内外只能采用模铸工艺生产，但这一工艺存在能耗排放高、生产效率低、制造成本高等问题。因此，开发绿色高效化炼钢-连铸工艺生产大载荷轴承钢球用钢成为行业的追求目标，如能成功攻克可填补国际国内空白，仅金属收得率从模铸的约83%提升至连铸的96%以上。 尽管随着冶金行业的技术不断进步，轴承钢的磷含量、钢水纯净度已不再成为轴承钢质量提升的限制性环节，部分特钢企业也能够采用连铸工艺生产小规格(Φ30mm以下)轴承钢球用钢，但是，如何在高效化转炉(供氧强度达到5.0Nm3/min/t)、快节奏精炼模式下快速将钢水P含量控制到0.010%以内、钢材总氧控制到5ppm以内，同时采用连铸工艺即可稳定生产出大规格长寿命轴承钢球用钢，目前很少有这方面的研究报道。因此，江苏中天钢铁集团特钢公司针对绿色高效化炼钢-连铸工艺生产大载荷轴承钢球用钢，本项目需要解决转炉高效率低磷含量控制、快节奏精炼钢水纯净度控制以及低中心偏析和高组织均匀性控制等科学技术问题及行业共性难题。

近年来，我国高品质轴承钢的生产技术有了重要进步，部分企业的轴承钢实物质量已经达到国际先进水平；但是大部分企业在轴承钢实物质量的稳定性方面，与国际领先水平还有差距。目前，国内外生产高品质轴承钢主要采用铝脱氧工艺，通过控制脱氧条件和高碱度渣快速降低钢液中氧含量和夹杂物数量，部分企业的高品质轴承钢全氧含量已经可以控制在5 ppm以下。铝脱氧钢中常见的夹杂物包括尖晶石、钙铝酸盐和氮化钛，其中钙铝酸盐和尖晶石被认为是对轴承钢疲劳寿命影响大的夹杂物，这也是服役过程导致铝脱氧轴承钢失效的重要原因之一。 在铝脱氧方式下，为了提高轴承钢的质量，现在普遍采用的方法是降低钢中全氧含量，以减少钢中夹杂物的数量。一般认为钢中的全氧含量与夹杂物数量有很好的对应关系，全氧含量越少，夹杂物越少。然而这种脱氧方式并不能消除尖晶石和钙铝酸盐。同时采用铝脱氧方式也带了很多问题，（1）是钢中全氧要控制极低，大大增加了炼钢生产的难度和成本；（2）由于采用铝脱氧工艺，恶化了钢液的流动性，钢液的连浇炉数大大减少，影响了连铸坯质量和生产成本；（3）钢液中的高Al含量容易还原渣中的Ti，从而影响钢中氮碳化钛的控制水平，进一步影响轴承钢的疲劳寿命。 为了避免高品质轴承钢采用铝脱氧带来的上述问题，本项目采用非铝组合脱氧方式（硅锰预脱氧+扩散脱氧+真空脱氧）冶炼轴承钢，解决了由于连铸水口堵塞带来的钢质量波动，从源头上减少了轴承钢中的钙铝酸盐和尖晶石类夹杂物，同时降低了生产成本。

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。

汽车用特殊钢品种繁多，生产工艺复杂，冶金过程需分钢种、定制化的精准控制，针对钢种特性进行产品工艺设计。汽车用特殊钢的控制难点可简要归纳为夹杂物塑性化控制、连铸冷却均匀性控制、铸坯中心偏析预测与控制和针对钢种特性的冶金过程综合控制。为此，湘钢与北科大钢铁冶金新技术国家重点实验室合作，组建了高品质汽车用特殊钢生产关键技术研发团队，开展了系统研究。