一、研究的背景与问题

长期以来，国际头部工程机械企业凭借先发技术优势，构建起融合高技术门槛、高性能指标与绿色制造技术的产品体系，形成对高端装备市场的垄断。“十四五”时期是我国制造业向高质量发展转型的关键阶段，高端装备制造、绿色制造、节能减排成为国家战略重点。在新材料产业方面，“十四五”规划纲要明确提出“推动先进基础材料高端化、关键战略材料自主化、前沿新材料工程化”，并将其纳入国家科技重大专项和产业基础再造工程。

我国高端机械装备用钢研发起步较晚，存在基础研究薄弱、产品质量偏低、绿色制造能力不足等问题，核心部件用钢及制造技术长期被日韩、欧美品牌垄断，国外品牌市场占有率曾高达80%以上。典型如高端装备中保障动力传递的高强度液压油缸、实现承载及行走功能的大节距链轨节，以及连接整机结构的高强焊丝等。

二、解决问题的思路与技术方案

南钢主动扛起高端机械装备核心部件用钢国产化重任，联合北京科技大学、南京汽车锻造有限公司组建了联合研发团队，结合南钢自身生产线的特点与优势，以客户需求与实际反馈为导向，辅以系统的市场调研，明确将油缸用钢、链轨节用钢、高强焊丝钢列为核心研发方向，采用理论研究、数值模拟仿真与现场生产试验相结合的多元研究方法与技术路径，针对产品特殊技术要求开展系统性攻关，图1为项目总体思路与技术路线。

图1 项目总体思路与技术路线

三、主要创新性成果

 1、开发了无碳贝氏体和纳米级弥散强化的高强韧非调质油缸杆用钢。

本项目创新性地将无碳贝氏体组织调控技术与非调质钢短流程生产工艺相结合，通过Nb、Ti复合微合金化设计与控轧控冷技术协同优化，研发出行业首创的Nb-Ti-Mo-B多元合金成分体系的新型油缸杆用无碳贝氏体高强高韧非调质钢。同时，开发出低温大变形终轧+控轧控冷一体化组织增强增韧调控工艺，无需额外等温或回火处理，大幅简化生产工序，显著提升产品的绿色低碳属性与生产效率，为高端工程机械油缸杆用钢的升级换代提供了全新技术路径。

图2 不同终轧条件下钢的EBSD分析

    2、率先研制出新一代超纯净度、高均匀性、高强韧性免酸洗型高强焊丝钢。

（1）高强焊丝超低P、S控制技术。基于高强焊丝熔敷金属低温韧性与脆性转变温度的影响，P为晶界偏聚型杂质，使熔敷金属的低温冲击吸收功急剧下降，同时大幅度提升脆性转变温度，S虽无直接冷脆效应，但其产生的夹杂物割裂基体连续性，破坏组织均匀性，间接降低熔敷金属韧性储备。

（2）高强焊丝焊缝组织控制技术。通过Ni、Mo、Ti等合金元素精准设计，使其在焊缝中发挥细晶强化和韧化双重作用，获得高强焊丝焊缝组织中针状铁素体+粒状贝氏体复合相，使焊缝具有良好的强韧性匹配。

    图3 焊道中心200倍； 图4 焊道中心500倍；图5 焊道重合区500倍

（3）高强焊丝氧化层定量控制技术。工程机械设备一般采用气保焊接，高强气保焊丝采用高Si-Cr-Ni-Mo强化，高Si成分有助于熔池金属脱氧，改善强韧性，但高硅的成分设计对于盘条氧化皮剥落性产生负面影响，化学酸洗法对环境污染大、效率低，机械法的剥离效果有待完善，目前主要应用于氧化层结构简单且易去除的中高碳钢，在含较高Si和Ni的钢材上使用仍不理想。

本项目通过对高强度合金焊丝钢盘条氧化铁层机理性研究，推进免酸洗工艺去除氧化铁皮，助力产业链环保升级。焊材通过行业头部企业焊接评定，产品应用于大型起重设备主吊臂、旋转平台支架等重要结构部位焊接，打破国际垄断。

图6 热轧盘条氧化层分析

3、建立了高形位精度油缸管用钢高纯净冶炼及均质化组织工艺集成控制技术。

（1）钢种与精炼渣系高度匹配，建立精炼渣微调制度，达到夹杂物最佳吸附效果。根据目标渣系，精炼渣碱度R目标，建立大壁厚高精度油缸管用钢精炼渣微调制度，使非金属夹杂物吸附效果达到最佳，非金属夹杂物B、D类≤0.5级，使油缸管不良品率由1000ppm降低到40ppm，产品合格率实现大幅跃迁，达到国际领先水平。

（2）建立复式复合电磁搅拌+轻重压下集成控制工艺大模型，通过调控铸坯拉速匹配轻压下工艺抑制柱状晶生长；采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌复合式交替搅拌，打碎已生长的柱状晶，增加等轴晶宽度，实现铸坯低偏析、均匀化控制，大幅提升产品质量稳定性。实现油缸管用圆钢产品锭型偏析≤0.5级，油缸管尺寸畸变控制在0.5丝以内，达到行业先进水平。

4、自主设计高承载、大节距链轨节用钢，通过窄淬透带控制，及链轨节低裂纹、高强度性能调控技术，解决了大节距链轨节锻造余热+水淬工艺开裂难题

大节距链轨节由于尺寸大、形状复杂，在热处理过程中容易产生变形，变形不仅影响外观质量，还可能影响后续的装配和使用。提出了以中碳含量设计，配合Cr、Mn、Si、Ti、B复合强化的超高强大节距链轨节用钢合金体系，实现钢种保淬透性设计，钢种满足淬透性J1.5≥52，J13≥44HRC，J19≥38HRC。协同窄成分设计、钢包精准称重、现场成分快速分析、原辅料成分精准控制、高位料仓精准称重等组合成分高精准控制技术，配合结晶器微区电磁搅拌+动态轻压下组合技术，全面提升材料均匀性及多炉次间成分稳定性，实现窄淬透带控制。

项目突破锻造余热+水淬低裂纹、高强度生产工艺，通过对不同锻造余热温度及水基PAG淬火液浓度试验，结合回火工艺试验进行强韧性调控，优化调质工艺，建立了大节距链轨节低裂纹、高强度性能调控工艺技术。解决了大节距链轨节锻造余热+水淬工艺开裂难题，实现淬火开裂比例≤0.03%，链轨节服役寿命突破达到国际领先水平。

四、应用情况与效果

依托项目研发的技术体系化，南钢打造出链轨节、活塞杆、油缸管、高强焊丝钢、涨紧弹簧、斗齿、销轴销套等全系列高端工程机械专用钢，构建起覆盖多场景、适配性高的高端机械装备用钢产品矩阵，不仅精准匹配复杂工程机械零件的个性化、高性能需求，更以关键材料自主可控破解行业困境，为我国工程机械行业向高端化、智能化、国际化转型注入核心动力，为国家重大战略落地筑牢坚实的材料保障屏障。

信息来源：南京钢铁股份有限公司