《高品质特殊钢与大型构件制备技术》为“材料先进成型与加工技术丛书”之一。特殊钢代表了钢铁工业的制造水平，高品质特殊钢很大程度上决定了基础零部件的质量，特殊钢与大型构件的高品质制造是亟待解决的问题。《高品质特殊钢与大型构件制备技术》*先简述特殊钢的种类、用途以及制造方法，然后重点介绍作者团队在特殊钢高洁净冶炼与均质化控制方面取得的重要进展。发现钢中氧作用的新机制，高氧含量诱发宏观偏析，同时导致稀土钢的性能剧烈波动，据此提出氧致通道偏析新机制和“双低氧”特殊钢的创新学术思想，开发低氧洁净化与低偏析控制、轴承钢均质化制备、大型构件构筑成形、多尺度模拟仿真等关键技术，在核电大型锻件、水电大型铸件、大型船用*轴、高端轴承等关键构件中成功应用，取得了十分显著的经济效益和社会效益。《高品质特殊钢与大型构件制备技术》共七章，内容涵盖特殊钢的高洁净冶炼、偏析形**机制与控制、稀土在钢中的作用机理与控制技术、特殊钢大型构件的研发与应用、轴承钢制备、特殊钢大型构件制造过程的全流程多尺度模拟计算等。

第1章概论
　　1.1特殊钢基本概念与分类
　　特殊钢强调一个“特”字，“特”在成分、工艺、组织、性能方面显著区别于普通钢。与普通钢相比，特殊钢虽然体量不大，国内年需求量约为7000万吨，但特殊钢位于金字塔**，十分重要，关乎国家高端钢的制造水平，关乎产业链的安全和高端装备的可靠运行，关乎“双碳”目标的实现。特殊钢制造难度大，工艺链条长，其价值不仅体现在母材上，更体现在精深加工产业链上。从钢材冶炼到终端零部件制造，特殊钢制备工艺流程长，技术环节多，因而特殊钢全生命周期的技术链亟须贯通。迄今，部分专用的高端特殊钢仍然依赖进口，主要从美国、日本、德国、瑞典等发达国家进口，亟须解决进口替代问题。这些国家在面向重大需求特殊钢的基础研究深度、技术链的水平和完整性、产品的质量和稳定性、品牌效应等方面具有一定优势，因此占据了国际市场，控制着价格和供货周期。我国要解决特殊钢的全链条问题，就需要从材料的源头上进行技术创新，从材料入手，贯通技术链，打造创新链，对接产业链，才能实现特殊钢的国产化，产品质量将逐步超越国外。这一目标预计在未来十年将逐步实现，其关键是要解决产业链贯通问题。但特殊钢的发展没有止境，可以预见，至少在未来数百年内，特殊钢都是不可替代的关键基础材料。在高洁净、高均质的基础上，基于人工智能和大数据科学，未来将根据性能需求，实现智能化的组织定制和成分设计，建立性能与组织的一一对应关系。在智能设计的基础上，通过组织调控，一方面，逐步减少Cr、Ni、Mo、Nb、W、V、Co等金属加入量，实现特殊钢的微合金化，直至材料素化，将成分设计主导变革为性能需求主导；另一方面，在现有合金体系的基础上，将实现特殊钢应用的超长寿命和超高可靠性，为“双碳”目标实现做出突出贡献，以上将是特殊钢领域的重要发展方向。
　　1.1.1特殊钢基本概念
　　通常情况下，具有特别化学成分，采用特种生产工艺，具备优异的组织和性能并能够满足特定需求，具备以上一种或几种特征的钢即可称为特殊钢。特别化学成分是指添加了大量合金元素，如Ni、Cr、Mo、V、Nb、Co、W等；特种生产工艺是指采用真空感应（vacuum induction melting，VIM）熔炼、钢包精炼、真空处理、电渣重熔（electro slay remelting，ESR）、真空自耗（vacuum arc remelting，VAR）、模锻、自由锻、真空脱气精炼等；特定性能是指制造的钢材及其零部件具有高强、高韧、耐磨、耐热、耐蚀、抗疲劳、抗冲击等性能。在洁净化冶炼方面，需严格控制以下元素总量，如O、N、H等气体元素，S、P等杂质元素，以及As、Sn、Pb、Bi、Sb五害元素等；在钢材均质性方面，需进行材料的低偏析制备与组织均匀性控制。
　　特殊钢广泛应用于国防**、轨道交通、冶金机械、能源电力、石油化工、航空航天、深空深海、工业母机、机器人、人工智能等高端装备制造领域，是国际竞争的焦点。随着人民生活水平的提高，特殊钢也走进了千家万户，与百姓的日常生活密切相关。例如，很多厨用刀具、剪刀、剃须刀等都是由特殊钢制造而成的。未来百姓生活品质的进一步提高更是离不开特殊钢。
　　1.1.2特殊钢分类
　　特殊钢一般按照钢种成分和冶炼工艺分类，传统的特殊钢主要包括轴承钢、工模具钢、齿轮钢、弹簧钢、耐磨钢、耐热钢、低温钢、耐蚀钢、紧固件用钢、电工钢等。在高端装备制造领域，大型铸锻件也属于典型的特殊钢制品，如水轮机转轮大型铸件、核电压力容器和蒸汽发生器大型锻件、大型盾构机轴承套圈大型锻件等。对于成分不特殊但性能要求特别高的低合金钢，甚至普碳钢，由于需采用真空冶炼、模锻成形等特殊工艺制备，有时还采用电渣重熔工艺生产，因此也可称其为特殊钢。例如，大型盾构机主轴承所用套圈，*大直径达8m，使用时承受大载荷，采用铬钼钢制备。但由于洁净度、均质性、硬度均匀性等要求特别高，该套圈用钢需采用微量稀土元素添加、钢包精炼、真空处理以及锻轧相结合成形等调控方法，因此也称其为特殊钢。不锈钢也属于特殊钢，但由于其特殊的属性和广泛的用途，国内消费体量已达到3000万吨，且自成体系，本节不将其列入特殊钢分类中。
　　本节主要以轴承钢、模具钢、齿轮钢、弹簧钢为典型代表对传统特殊钢材料进行简要介绍。
　　1.轴承钢
　　轴承是机械传动轴的支承，是高端装备的关键基础部件，常被誉为“工业关节”，广泛应用于精密机床、高档汽车、高速铁路、冶金设备、矿山机械、航空航天、风力发电、舰船等领域。轴承的服役环境极其严苛，通常在高接触应力、高旋转速度、高旋转周次、高温环境等复杂工况下运行，因此轴承钢需具有高洁净度、高强度和表面硬度，以及良好的抗疲劳性能等[1，2]。由于轴承服役环境的多样性和性能要求的差异性，轴承材料品种丰富，主要包括高碳铬轴承钢、渗碳渗氮轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢等。
　　1）高碳铬轴承钢
　　高碳铬轴承钢是世界上**代轴承钢，因其具有综合力学性能良好、生产工艺简单以及成本低廉等优点，每年的生产量约占轴承钢总产量的80%以上[2]。根据GB/T18254—2016，高碳铬轴承钢的代表牌号及主要化学成分如表1-1所示[3]。GCr15钢（美国牌号52100，欧洲牌号100Cr6，日本牌号SUJ2）是应用*广泛的高碳铬轴承钢，已有百余年历史，其成分特征是含有1wt%C和1.5wt%Cr，淬回火后能够获得58HRC以上的高硬度，具有良好的耐磨性和接触疲劳性能，适用于制造工况温度在150℃以下的各类轴承。在GCr15钢的基础上，适当增加Si和Mn含量能够改善淬透性，提高轴承钢的强度、硬度和耐磨性。GCr15SiMn钢可以制造壁厚大于12mm、外径大于250mm的轴承套圈，直径大于50mm的钢球，以及直径大于22mm的圆锥、圆柱及球面滚子[4]。添加Mo能够进一步提高轴承钢的淬透性，GCr15SiMo钢可以替代GCr15SiMn钢制造壁厚大于35mm，尤其是壁厚大于50mm的特大型轴承套圈和大型滚子[5]。GCr18Mo钢与GCr15钢相比，Cr、Mo含量分别增加约0.3wt%和0.1wt%，具有高淬透性，适用于制造壁厚不超过20mm的轴承套圈[6]。
　　剑桥大学SKF研究中心Szost等[7]通过向GCr15钢中添加0.5wt%的V开发了一种抗氢脆型高硬度轴承钢，采用优化后的热处理工艺在轴承钢中析出了大量细小V4C3相，利用纳米级V4C3相较强的氢陷阱作用，显著提升了轴承钢的抗氢脆能力，并将硬度提高了20HV。东北大学Yi等[8]设计了1.2wt%C-1.5wt%Cr-5wt%Al超高碳低密度轴承钢，其密度比GCr15钢低8%，加入5wt%Al能够提高马氏体相变开始温度点（Ms），淬火后硬度可达（860±3）HV，较GCr15钢提高10%。Yang等[9]采用高纯稀土金属对GCr15钢进行处理后，夹杂物的尺寸和体积分数均显著减小，形成的稀土氧硫化物细小、弥散，硬度与钢的基体相匹配，远小于氧化铝的硬度，小尺寸稀土夹杂物能够产生较大的细晶区，稀土轴承钢在109周次下的疲劳极限提高约9.4%，超高周疲劳寿命提高10倍以上。
　　2）渗碳轴承钢
　　高碳铬轴承钢由于碳含量高，冲击韧性较低，无法满足更高冲击韧性和更长弯*疲劳寿命的要求，因此渗碳轴承钢应运而生。渗碳轴承钢的碳含量为0.1wt%～0.3wt%%，属于低碳合金结构钢，通过固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳或离子渗碳等方式使碳原子渗入工件表面，获得一定深度的硬化层，达到强韧化目的[10]。经渗碳、淬回火等热处理后，渗碳轴承钢表面具有高硬度且心部韧性良好。目前，渗碳轴承钢主要包含Cr-Mo系、Cr-Ni-Mo系和Cr-Mn-Mo系，根据GB/T3203—2016，渗碳轴承钢的代表牌号及主要化学成分如表1-2所示[11]。
　　G20CrNi2Mo钢主要用于铁路货车轴承，具有耐磨、耐冲击、接触疲劳寿命长等优点。与一次淬火相比，G20CrNi2Mo轴承钢采用二次淬火热处理能够获得尺寸更细小的板条状马氏体组织，从而进一步提高其耐磨性[12]。G20Cr2Ni4渗碳钢表面具有较高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，且心部韧性良好，能耐强烈的冲击负荷，接触疲劳寿命是GCr15SiMn钢的3.75倍，常用于制造轧机、矿山机械、重型车辆、风电主轴的轴承[13-15]。G20Cr2Mn2Mo钢的渗碳速度快，强度、塑性、韧性等性能与G20Cr2Ni4钢相似，能够用于制造耐冲击的特大型和大中型轴承零件[16]。G23Cr2Ni2Si1Mo钢是燕山大学张福成团队研发的新型纳米贝氏体渗碳轴承钢，通过渗碳淬火、高温回火和低温等温淬火处理后获得纳米贝氏体的表层组织，耐磨性能和滚动接触疲劳寿命均优于常规渗碳的马氏体钢G20Cr2Ni4，适合制造重载轴承[17]。
　　3）高碳铬不锈轴承钢
　　不锈轴承钢主要用于制造在石油、化工等腐蚀环境工作的轴承零件，为满足轴承的硬度要求，多采用高碳铬马氏体不锈轴承钢。根据GB/T3086—2019，高碳铬不锈轴承钢的代表牌号及主要化学成分如表1-3所示[18]。
　　9Cr18（国标G95Cr18）和9Cr18Mo（国标G102Cr18Mo）是典型的高碳铬不锈轴承钢，C含量在0.9wt%以上，Cr含量约为18wt%，具有较高的硬度和耐磨性，且耐蚀性良好[19]。9Cr18Mo钢是在9Cr18钢的基础上添加适量Mo元素，具有更高的硬度和抗回火稳定性[20]。由于含有高质量分数的C和Cr元素，9Cr18和9Cr18Mo钢在凝固过程中会析出粗大的共晶碳化物，在后续热处理过程中难以消除，易造成应力集中而降低轴承的疲劳寿命。洛阳轴承研究所有限公司和钢铁研究总院通过降低C和Cr含量研发出6Cr14Mo（国标G65Cr14Mo），共晶碳化物含量明显减少，冲击韧性、耐磨性、接触疲劳寿命均优于9Cr18钢，在人工海水中的耐腐蚀能力与9Cr18钢相当，但耐稀硝酸腐蚀的能力不如9Cr18钢[21，22]。
　　4）高温轴承钢
　　高温轴承钢的服役温度一般在200℃以上，以满足航空发动机、燃气轮机等轴承设备在高温环境下的应用需求。美国先后开发出以M50和M50NiL为代表的第二代轴承钢，国内对应牌号分别为GCr4Mo4V和G13Cr4Mo4Ni4V。高温轴承钢的代表牌号及主要化学成分如表1-4所示[23-27]。
　　M50钢的成分组成是0.8wt%C+4wt%Cr+4wt%Mo+1wt%V，通过添加Cr、Mo、V等强碳化物形成元素，在高温回火后析出了大量的Cr23C6、Mo2C、VC等合金碳化物，从而保障M50钢具有良好的高温硬度、耐磨性及疲劳性能，能够达到316℃的服役温度。M50NiL是在M50基础上进一步开发出来的一种高温渗碳轴承钢，钢中C含量大幅度降低并添加了Ni元素，渗碳性能优良，在保障表面硬度的同时，心部具有良好的韧性。与M50相比，M50NiL轴承的DN值（轴承内径D和转速N的乘积）由不足2.4×106mm r/min提高至3×106mm r/min[28]。G115Cr14Mo4V是在M50的基础上提高Cr含量至14.0wt%～15.0wt%而开发出的一种高温不锈轴承钢，能够满足轴承在400℃以下高温腐蚀环境中的使用要求[29]。
　　为了适应更加复杂的工作环境，美国拉特罗布特殊钢公司（Latrobe Specialty SteelCompany）研制了新型高温不锈渗碳轴承钢CSS-42L。CSS-42L属于第三代轴承钢，经渗碳淬火热处理后的表面硬度*高可达67～72HRC，在480～500℃的高温下硬度高达58HRC，使用寿命和可靠性高于M50和M50NiL等第二代轴承钢[30，31]。Cronidur30（X30CrMoN15）是德国采用加压电渣重熔工艺开发制备的一种耐350℃的高氮马氏体不锈轴承钢，N含量约为0.4wt%，通过氮固溶强化和碳氮化物析出强化等途径

目录
总序
前言
第1章 概论 1
1.1 特殊钢基本概念与分类 1
1.1.1 特殊钢基本概念 2
1.1.2 特殊钢分类 2
1.2 特殊钢的现状与发展趋势 14
1.2.1 国内外特殊钢现状 14
1.2.2 特殊钢发展趋势 16
1.3 特殊钢制备方法 21
1.3.1 特殊钢冶炼方法 21
1.3.2 特殊钢成形方法 23
1.3.3 特殊钢热处理 23
1.3.4 特殊钢测试评价 23
1.4 大型构件制备 24
1.4.1 大型构件分类 24
1.4.2 大型构件制备方法 30
1.4.3 大型构件缺陷演化与控制技术 31
1.5 特殊钢全生命周期研发测试 32
1.5.1 解决特殊钢与高端基础零部件制造难题 32
1.5.2 提出组织定制学术思想 33
1.5.3 持久支撑基础零部件自主可控制造 34
参考文献 37
第2章 低氧稀土钢制备 43
2.1 氧在钢中的作用 43
2.1.1 氧在钢中的作用机制 43
2.1.2 氧对夹杂物的影响 44
2.1.3 氧对疲劳性能的影响 45
2.2 低氧洁净钢的制备 45
2.2.1 低氧洁净钢的冶炼 45
2.2.2 全流程控氧工艺 49
2.3 低氧稀土钢的制备 51
2.3.1 稀土在钢中的作用机制 52
2.3.2 稀土对高碳铬轴承钢中夹杂物的影响 59
2.3.3 氧对稀土钢的影响机制 69
2.3.4 “双低氧”稀土钢的制备 71
2.4 低氧稀土钢的夹杂物表征 74
2.4.1 低氧稀土钢中夹杂物三维表征方法 74
2.4.2 钢中非金属夹杂物全自动提取设备 76
2.4.3 国内外轴承钢的夹杂物对比分析 78
参考文献 79
第3章 低偏析钢制备 83
3.1 钢中偏析的类型与形成机制 83
3.1.1 钢中偏析类型 83
3.1.2 自然对流作用下的偏析形成机制 85
3.1.3 钢锭负偏析形成机制 100
3.2 氧致偏析的机制与控制 105
3.2.1 氧对偏析形成的影响机制 105
3.2.2 氧致通道偏析的大型钢锭实物解剖 120
3.3 全域低偏析钢的制造方法 128
3.3.1 低氧钢的浇注与凝固控制 128
3.3.2 凝固自补缩与铸锻一体化 130
3.3.3 大型锻坯构筑成形技术 132
参考文献 146
第4章 不锈钢大型铸件制备 150
4.1 马氏体不锈钢的成分设计 151
4.1.1 马氏体不锈钢的化学成分 151
4.1.2 镍铬当量比设计与高温铁素体相控制 152
4.1.3 不锈钢中氧含量的控制与点状锈蚀 153
4.2 三峡水轮机转轮大型铸件的制备工艺 159
4.2.1 百吨级上冠铸件的铸造工艺设计与缺陷控制 159
4.2.2 百吨级下环铸件的浇注系统设计 161
4.2.3 大型叶片的变形模拟与反变形控制 162
4.3 马氏体不锈钢中的逆变奥氏体相控制 165
4.3.1 回火过程中逆变奥氏体相的演化 165
4.3.2 逆变奥氏体热稳定性分析 172
4.3.3 逆变奥氏体的机械稳定性与TRIP效应 178
4.3.4 不锈钢铸件的热处理工艺 190
4.4 高强韧马氏体不锈钢的扩展应用 190
4.4.1 关键合金元素控制 191
4.4.2 热处理工艺的影响 192
参考文献 193
第5章 大型锻件制备 196
5.1 大型船用*轴的制备 197
5.1.1 大型船用*轴所需钢锭制备 199
5.1.2 大型*拐锻件的弯锻成形 204
5.1.3 大型*拐锻件的热处理 222
5.2 核电大型锻件的制备 232
5.2.1 核电大钢锭的制备 232
5.2.2 核电大型锻件的一体化成形 236
5.2.3 核电大型锻件的热处理 242
5.3 低温工程用大型锻件研制 249
5.3.1 均质化大型锻件近净成形制备 250
5.3.2 新型热处理工艺原理及应用 251
参考文献 254
第6章 高品质轴承钢制备 258
6.1 超低氧轴承钢冶炼 258
6.1.1 氧对轴承钢影响 258
6.1.2 低氧轴承钢精炼 259
6.1.3 稀土轴承钢冶炼 264
6.2 高均质轴承钢制备 265
6.2.1 GCr15轴承钢均质化制备 265
6.2.2 航空发动机用M50轴承钢均质化制备 266
6.2.3 盾构机用CrMo轴承钢均质化制备 270
6.3 轴承钢热处理 275
6.3.1 M50钢全流程热处理 275
6.3.2 GCr15钢全流程热处理 280
6.3.3 高淬透性高碳铬轴承钢的全流程热处理 290
6.3.4 42CrMo4M钢热处理 293
6.3.5 白蚀组织形成机制的新认识 301
6.4 轴承钢的应力解析与控制 305
6.4.1 残余应力的检测 305
6.4.2 表面压应力的形成 311
6.4.3 残余应力的控制 312
6.5 轴承钢在高端轴承中的应用与评价 312
6.5.1 轴承钢全生命周期研发与评价 313
6.5.2 高端轴承的研发与应用 313
参考文献 323
第7章 多尺度模拟计算 326
7.1 **性原理计算 326
7.1.1 氧致偏析的**性原理计算 327
7.1.2 固溶稀土作用机制的**性原理计算 331
7.1.3 稀土与碳交互作用的**性原理计算 336
7.2 介观尺度组织演化模拟计算 338
7.2.1 凝固组织演化的介观尺度模拟计算 339
7.2.2 氧致偏析的介观尺度模拟计算 345
7.2.3 固态相变介观尺度模拟计算 354
参考文献 373
关键词索引 376