项目获奖情况：2022年冶金科学技术奖一等奖

完成单位：钢铁研究总院有限公司、江阴兴澄特种钢铁有限公司、大冶特殊钢有限公司、北京交通大学、石家庄钢铁有限责任公司、抚顺特殊钢股份有限公司、宝武特种冶金有限公司、东北特殊钢集团股份有限公司、北京科技大学、清华大学

完成人：苏杰、钱刚、惠卫军、王毛球、许晓红、周立新、白云、郝彦英、刘振宝、徐乐、冯桂萍、纪玉忠、张永健、郑文超、何肖飞

1　研究的背景与问题

特殊钢是钢铁强国的重要标志，也是体现一个国家工业化程度的重要标志之一。轴承、齿轮、紧固件、弹簧、轴类等基础件作为*制造业的核心部件，量大面广，对制造业具有重要支撑作用，其发展趋势是更高可靠性、更长寿命以及更好的环境适应性。目前，我国基础件及其用特殊钢整体上与水平存在较大差距，导致制造业大而不强，汽车、机械、航空、新型能源等行业的*装备目前尚未实现国产化，成为“中国制造2025”制造业转型升级的重要瓶颈。与日本、德国等装备制造业发达国家相比，我国基础件用特殊钢产量大，但其质量稳定性、加工和使用性能与水平存在明显差距，导致基础件可靠性低、寿命波动大、服役环境适应性差，无法满足装备制造业的需求，急需在相关基础理论、关键共性技术以及应用等方面开展追赶工作，以满足制造业转型升级的发展需求。

针对以上问题，钢铁研究总院联合兴澄特钢等单位，在国家重点研发计划“*制造业基础件用特殊钢及应用”等项目支持下，选取轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、非调质钢、紧固件用钢、轴类用钢等量大面广的典型基础件用特殊钢，开展了长寿命机理研究及质量稳定性控制等系列关键技术、高效测试表征技术与产品开发攻关，以满足汽车、航空、机床、新能源等*装备的需求，为*装备的国产化和制造业升级奠定基础，从而带动我国特殊钢行业的升级换代，提升基础材料产业的整体竞争力。

2　解决问题的思路与方案

本项目围绕*制造业基础件技术提升目标，选取轴承钢、齿轮钢、非调质钢、紧固件用钢、弹簧钢等量大面广的典型基础件用特殊钢，围绕质量稳定性提升和长寿命化等突出问题，开展长寿命化机理基础研究，突破质量稳定性与性能提升、高效检测评价等系列关键共性技术。在上述工作基础上开发基础件用特殊钢系列品种，实现高性能和高附加值、绿色高效低碳生产，助力提升我国基础件用特殊钢产业的整体竞争力，满足我国制造业急需。项目的总体技术路线见图1。

图1 项目的总体技术路线

首先，高强度螺栓、弹簧等基础件在生产加工过程及复杂环境中服役时存在氢致延迟断裂风险，是限制基础件用特殊钢进一步高强度化和应用的关键瓶颈之一。如何通过合金成分与微观结构设计来提高材料的抗氢脆能力，是钢铁领域的一个关键科学问题。对此，本项目将性原理计算与三维原子探针层析技术等*试验表征手段相结合，试图阐明不同种类碳化物相界面氢捕获的电子-原子机制，为氢陷阱设计和抗氢脆材料开发提供理论基础，并在此基础上开展抗延迟断裂技术研究。

其次，*制造业基础件不但要求具有高强度，还要求具有高安全性和可靠性。鉴于疲劳破坏是轴承、弹簧、齿轮等运动部件早期失效的主要原因，对此深入研究夹杂物、组织演变及表面处理对轴承钢、齿轮钢、弹簧钢和非调钢等疲劳性能的影响规律，形成基础件用钢的长疲劳寿命化技术及疲劳性能的高效评估技术。

针对基础件用特殊钢产品同质化和低值化等问题，在上述研究工作基础上，开发高洁净冶炼、大颗粒脆性夹杂物及硫化物控制、高均匀度凝固均质化控制、热处理及表面改性等产品质量稳定控制及低成本制造等系列关键共性技术，实现基础件用特殊钢品种的稳定化生产与应用示范，并开发*制造业急需的一系列品种，以满足机床、海上风电、新能源汽车、工程机械、航空等行业的升级换代需求。

3　主要创新性成果

1）开发出精炼渣CaO活度预测及控制模型和硫化物变性与氧化物冶金耦合的硫化物长宽比控制技术，解决了大尺寸脆性夹杂物和硫化物长径比的控制难题。

建立了“炉渣分子-离子体系自由CaO活度预测及控制模型”，结合在线CaO活度控制和中间包流场控制，轴承钢Ds夹杂物可稳定控制≤0.5级，近三年约3万炉合格率达到99%，接触疲劳寿命提高了4倍；通过控制氧化物析出温度获得均匀细小氧化物作为硫化物形核核心，结合硫化物变性处理，解决了硫化物长宽比控制难题，非调?钢硫化物长宽比≤5，平均值为2.6。

2）开发了动态感应补热、水口返流调节等中间包温度控制和基于位移控制的连铸轻压下等铸坯均质化技术，解决了基础件用钢的碳偏析稳定性等难题。

开发了包含中间包冲击区内钢液冲击深度、返流分速度等参数的流场-温度场耦合模型，采用在线检测和