特殊鋼一般是指具有特殊性能或特殊用途的鋼種。其與普通鋼相比具有更高
的強度和韌性、物理性能、化學性能、生物相容性和工藝性能。因其性能特殊，
決定了它在國民經(jīng)濟及軍事工業(yè)中占有極其重要的地位。因此，在生產制造特
殊鋼時，就需要采用特殊的工藝裝備技術來實現(xiàn)特殊的化學成分、特殊的組織
和性能。
特殊鋼的定義在國際上沒有明確規(guī)定，各國特殊鋼的統(tǒng)計分類不完全相同。
我國特殊鋼定義與日本、歐洲相近，包括優(yōu)質碳素鋼、合金鋼、高合金鋼三大類，
通常展開為優(yōu)質碳素結構鋼、合金結構鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具
鋼、軸承鋼、彈簧鋼（碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼）、耐熱鋼和不銹鋼。由于高溫合
金與精密合金在特殊鋼廠生產，也將這兩種合金納入特殊鋼的行列之中統(tǒng)計[1]。在
特殊鋼領域，除優(yōu)質碳素結構鋼、碳素工具鋼和碳素彈簧鋼外，其余均為合金鋼，
合金鋼約占特殊鋼的70％。目前，世界上特殊鋼有近2 000個牌號、約50 000個品種
規(guī)格、數(shù)百個檢驗標準。
隨著科學技術的發(fā)展，對特殊鋼產量及品種的需要日益擴大，對質量的要求也越
來越嚴格、苛刻。近年來，圍繞提高特殊鋼性能、質量、品種、效率，降低特殊鋼成
本、節(jié)能降耗、環(huán)境友好等方面采用了一系列新技術、新工藝、新裝備，使得特殊鋼
的潔凈度、均勻度、組織細化度和尺寸精度等有了很大提高。
特殊鋼生產工藝流程主要有3種[2]：1）電爐流程（即短流程）：電爐—二次精煉
—連鑄—軋制。2）轉爐流程（長流程）：高爐—鐵水預處理—轉爐—二次精煉—連鑄
—軋制。3）特種冶金：特種冶煉（如真空感應熔煉、冷坩堝熔煉、電渣重熔、真空電
弧重熔、電子束熔煉、等離子熔煉等）—鍛造或軋制。
這里要指出的是有些鋼種的生產至今還必須走模鑄—開坯—軋制或鍛造的工藝流程。
因早期特殊鋼主要采用電弧爐工藝冶煉，習慣上形成了特殊鋼一定要用電爐冶煉，特
殊鋼廠就是電爐鋼廠。而客觀事實上也的確存在電爐只有生產特殊鋼才可以有好的經(jīng)濟效
益，特殊鋼只能由電爐冶煉。這主要是由于早期電爐煉鋼的特點和特殊鋼本身的性質所決
定的：1）電爐用廢鋼中有可利用的合金元素；2）電爐煉鋼是靠電弧進行加熱的，其溫度
遠遠超過2 000 ℃，且鋼水溫度可長時間地精確控制，這樣電爐煉鋼在難熔合金冶煉、合
金化成分及工藝柔性等方面較轉爐煉鋼有無比的優(yōu)越性；3）不足是煉鋼周期長，生產效率
低，成本高（廢鋼、電價昂貴），爐容小，易增碳、吸氮等。
恰好特殊鋼產品有合金含量高、多品種、小批量、附加值高等特點，早期用電弧爐煉特
殊鋼達到了揚長避短的目的。同時人們也一直認為轉爐就主要是用來煉普通鋼。但是，1）
轉爐利用純鐵水冶煉特殊鋼更純凈；2）廢鋼中的殘余元素難以去除；3）爐外精煉技術的進
步使轉爐冶煉特殊鋼的能力增強。
隨著社會廢鋼資源的積累，直接還原技術的開發(fā)，電力工業(yè)的發(fā)展，電弧爐煉鋼技術（
大容積電爐、超高功率電爐等）和爐外精煉技術的飛速發(fā)展，特別是電爐出鋼時間的縮短，
能與連鑄時間良好的匹配，使多爐連澆得以實現(xiàn)，電爐鋼廠越來越多地生產普通鋼，而轉爐
鋼廠越來越多地煉特殊鋼。電爐煉鋼、轉爐煉鋼兩種方法，無論是煉特殊鋼還是煉普通鋼，
從質量上和經(jīng)濟上越來越接近。
由于宇航、導彈、火箭、原子能、海洋電子等工業(yè)的發(fā)展，對所需要的金屬或合金質量、
性能、可靠性、穩(wěn)定性等的要求越來越高，電弧爐，轉爐冶煉的鋼質量很難滿足這些要求，
所以必須使用特種冶金技術。特種冶金包括：真空感應熔煉、電渣重熔、真空電弧重熔、電
子束熔煉、等離子熔煉等。難熔金屬（鎢、鉬、鈮、鉭）及活潑金屬（鈦及鈦合金，包括鈦、
鋁金屬間化合物等）用真空電弧重熔、電子束熔煉以及冷坩堝感應熔煉等方法來制備；高溫
合金、精密合金以及某些對質量要求很高的合金鋼用真空感應熔煉、電渣重熔、真空電弧重
熔等方法來生產。
真空冶金（Vacuum Metallurgy）區(qū)別于大氣下的冶金過程，廣義包括：真空脫氣、真空
熔煉、真空熔鑄、真空蒸餾、真空分解、真空燒結、真空熱處理、真空焊接和真空鍍膜等。在
此特指兩種類型：一種是將熔煉和成錠的整個過程在真空下進行，如真空感應熔煉（VIM）、真
空電弧熔煉（VAR）、電子束重熔（EBR）等等，即特種冶煉方法之一；一種是把大氣中鋼水進
行真空處理，即爐外精煉（二次精煉），如RH法、VOD法等。真空冶金使在普通熔煉操作中進行
的物理化學反應條件發(fā)生了變化，體現(xiàn)在氣相壓力的降低上。只要冶金反應有氣相參加，當反
應生成物中氣體摩爾數(shù)大于反應物中氣體摩爾數(shù)時，只要減少系統(tǒng)的壓力，則可使平衡反應向
著增加氣態(tài)物質的方向移動，這就是真空冶金物理化學反應的基本特點。
在普通的熔煉操作中，金屬從大氣中吸收氧氣、氮氣和從水分來的氫氣。在真空熔煉中，
就可以避免這些氣體的來源。這些氣體對于鋼和金屬的性能都有相當嚴重的危害。不僅如此，
在真空感應熔煉過程中，原來存在于原料中的或者已經(jīng)進入鋼水中的氣體，還可以被去除，產
生脫氣作用，從而提高合金鋼的加工使用性能。另外，在高真空下熔煉，液態(tài)金屬中某些易揮
發(fā)性元素，也和氣體一樣可以不同程度地被排除。這些元素中有許多是有害的，如鉛（Pb）、
錫（Sn）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）；有些則有時有害，有時卻是有用的成分，如鎂（Mg）、
錳（Mn）、銅（Cu）等。有害元素的揮發(fā)能提高合金的性能，有用元素的揮發(fā)則應采取相應措施
加以防止。其次，在真空條件下，碳具有很強的脫氧能力，其脫氧產物CO不斷被排除至熔煉系統(tǒng)
之外，克服了采用金屬脫氧劑的脫氧產物污染金屬的傾向。
電渣冶金經(jīng)過了60余年的不斷發(fā)展（1940年問世），包括電渣重熔、電渣熔鑄、電渣澆鑄、
電渣轉鑄、電渣熱風頂、電渣自熔模、電渣離心澆鑄、電渣直接還原、電渣焊等。重熔精煉成熟
工藝有4種：電渣重熔、真空電弧重熔、電子束重熔和等離子重熔。就目前生產應用而言，電渣重
熔金屬材料產量居首位，年產量超過其它三種重熔方法產量的總和（2003年世界電渣鋼生產能力
超過120萬t/a）。
等離子弧熔煉是利用等離子弧作為熱源來熔融、精煉和重熔金屬的一種新型冶煉方法。等離子
弧也是一種電弧，不過電離度更高，其特點是能量更集中，溫度高，流速快，弧的電壓和電流又相
當穩(wěn)定。等離子弧熔煉經(jīng)過40余年的發(fā)展（1962年創(chuàng)始），在爐型結構，冶金特點等方面，大致可
分為四大類：等離子電弧爐（PAF）；等離子感應爐（PIF）；等離子電弧重熔（PAR）；等離子電子
束重熔（PEB）。
總之特種冶金之真空冶金、電渣冶金、等離子熔煉技術，在難熔金屬、活潑金屬、高溫合金、
特殊鋼鍛件生產方面占據(jù)重要的地位。但是，近年來隨著二次冶煉技術的發(fā)展，用二次精煉方法生
產的特殊鋼，在純潔度方面已可達到甚至超過特種冶煉的產品，使得過去要靠特種冶煉方法才能生
產的品種現(xiàn)在改用二次精煉方法來生產，例如，過去用真空電弧重熔或電渣重熔的軸承鋼，現(xiàn)在可
用LF+RH或LF+VD來生產。試驗結果表明，用二次精煉方法獲得的超純軸承鋼與真空電弧重熔的相比，
二者具有相同的壽命。二次精煉技術的發(fā)展，使得特種冶金產品失去一部分市場。
下面重點介紹合金結構鋼、汽車用齒輪鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、軸承鋼、彈簧鋼和不銹
鋼的性能及生產工藝技術。
1 合金結構鋼生產工藝技術
1.1 前言
結構鋼包括碳素結構鋼和合金結構鋼，用于制造金屬結構及機器設備。一般具有高的強度、好的
韌性和良好的加工性。合金結構鋼約含5％以下的合金元素和0.6％以下的碳。近30年來，高強度低合
金鋼（HSLA或微合金化鋼）性能和產量得到了很大的發(fā)展，代替結構鋼用于焊接、鉚接和螺栓結構上，
還用來做調質和非調質機器零件。美國將高強度低合金鋼列入合金結構鋼。
合金結構鋼是合金鋼總產量最高、牌號最多的鋼類，中國標準為GB/T3077—1999。根據(jù)其熱處理工
藝特點和使用性能，將合金結構鋼分成[3]：調質鋼、低溫回火鋼、非調質鋼、滲碳鋼、氮化鋼、易切
鋼、超高強度鋼、彈簧鋼和軸承鋼。由于后兩者具有各自的獨特的性能，通常作為獨立鋼類，而將前7
類鋼稱為合金結構鋼。近年來，用以制造齒輪的結構鋼被特殊冠名為齒輪鋼（特別是合金結構鋼，如
Cr-Mo系列、Mn-Cr系列、Cr-Ni-Mo系列等鋼種），常在鋼種統(tǒng)計中并列出現(xiàn)合金結構鋼、齒輪鋼。按
化學成分特點分類，合金結構鋼包括：錳鋼、鉻鉬鋼、錳鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻錳硅鋼等。
目前世界較認同的分法是按碳含量多少將合金結構鋼分成三大類：1）碳含量＜0.20％的HSLA鋼，
合金元素在2％以下且在熱軋狀態(tài)下使用；2）碳含量0.15％～0.25％，含合金元素在5％以下的表面硬
化－滲碳鋼；3）碳含量＞0.20％經(jīng)淬火回火處理的調質鋼。
1.2 性能
力學性能包括強度、塑性和韌性等。其中強度是第一位的，是工件設計和選材的主要依據(jù)，可以
通過工作應力下的允許殘留塑性變形量而計算確定。而塑性和韌性目前仍處于經(jīng)驗確定階段。
提高強度的主要方法有：位錯強化、固溶強化、沉淀強化、細晶粒強化、馬氏體強化和馬氏體時效
強化。但是隨著強度的提高，一般要影響鋼的脆性破壞傾向。晶界強化和沉淀強化相結合的強化方法對
低碳低合金鋼十分有利，這就是現(xiàn)代控軋微合金化（Nb、V等）相結合的方法。
表1所示為淬火和回火合金結構鋼等強度下的塑韌性變化[3]?？梢姡S著強度的增加，鋼的塑、韌
性降低，且表現(xiàn)較大波動性。這種波動性的產生是多因素作用的結果，除了鋼的成分因素外，冶金質量
的變化是重要原因，它反映在鋼的純度、組織結構、晶粒度和內應力等方面的變化上。
強度和塑韌性是一對矛盾。對結構鋼而言，材料科學和工程的主要任務之一就是不斷解決這對矛盾。
結構鋼屬亞共析鋼范疇，其中碳含量大多數(shù)在0.5％以下，而建筑結構用鋼多在0.2％以下，機器設備
等用鋼多在0.2％～0.5％之間。碳是決定強度的最主要而又最經(jīng)濟的元素，只是伴有對鋼塑韌性的不利影
響以及對焊接性等的嚴重不利作用，其用量受到綜合性能要求的制約。合金元素的主要作用有：提高淬
透性，調節(jié)強度—塑性、韌性配合，滿足某些特殊性能要求，改善工藝性能。它們的相應作用是通過鋼
的顯微組織結構的變化來實現(xiàn)的，因此顯微組織結構決定了鋼的性能。熱處理是引起鋼顯微組織變化的
核心，實際上決定了成分、組織和性能三者之間的關系。
1.3 生產工藝
合金結構鋼質量是隨著機械制造業(yè)對材料要求的不斷提高及冶金工藝裝備水平的提高而不斷提高的，
鋼材的質量性能高級化、高純潔度、超細組織、高精度是當前的主要發(fā)展趨勢。
性能高級化是指鋼材的化學成分波動小，通過微調成分，使材料的使用性能均勻，強韌性配合適
宜，保證由其制作的部件使用性能可靠。
對合金結構鋼而言，高純潔度主要是指鋼中的氧、硫、磷、氫、氮等含量≤100×10-6[2]。（[H]
≤1×10-6、[O]≤15×10-6、[S]≤10×10-6、[N]≤（15～30）×10-6、[P]＜10×10-6），從而使一系
列高強和超高強材料的塑韌性問題得到解決。組織的超細化可以提高強度、改善韌性。
目前對于工業(yè)化商業(yè)性生產來說，合金結構鋼的生產水平：[O]≤15×10-6、[S]≤10×10-6、[N]
≤20×10-6、[P]＜20×10-6。日本生產清潔鋼的工藝流程如圖1所示[4]。電爐短流程合金結構鋼長型
材生產工藝流程
汽車齒輪是汽車的重要零部件之一，起著傳遞動力的作用。當下人們對汽車高速、安全、舒適、
節(jié)能、環(huán)保等性能要求的日趨嚴格，傳動系統(tǒng)向小型化、輕量化、高功率化的趨勢發(fā)展，要求提高齒
輪壽命、傳動精度和降低齒輪成本。因此，使得汽車齒輪承受的負荷越來越大，對汽車齒輪鋼質量的
要求也越來越高。
隨著社會汽車保有量及生產量的不斷擴大，汽車齒輪鋼用量也在增加。中國汽車保有量2010年約
達到900～1 000萬輛。按年產汽車600萬輛，其中轎車300萬輛、客車140萬輛、載重車160萬輛，每輛
轎車、載重車、客車用齒輪鋼量為38、100、180 kg估算，年新產汽車用齒輪鋼量約54.2萬t，2010年
約達到90～100萬t。齒輪鋼代表鋼號： 20CrMnTiH、20CrMoH、SCM822H（日本牌號Cr-Mo系列鋼種）、
20Cr、40Cr 、28MnCr5（德國牌號Mn-Cr系列鋼種）、SAE8620H（美國牌號Cr-Ni-Mo系列鋼種）。中國
標準執(zhí)行GB/T3077-1999、GB/T5216-85。
我國車輛齒輪用鋼采購技術標準已出臺。齒輪鋼材貿易與質量監(jiān)控協(xié)作網(wǎng)對齒輪鋼材采購技術標準
（協(xié)議）提出下列必須滿足的6項條件：1）末端淬透性：淬透性帶寬（上限減下限）不能超過7HRC。2）
氧含量≤0.003 0％。3）非金屬夾雜物：A類細系、粗系≤2.5級；B類細系、粗系≤2.5級；C類細系、
粗系≤2.0級；D類細系、粗系≤2.5級。4）奧氏體晶粒度細于或等于5級。5）表面質量符合GB/T3077-1999
《合金結構鋼》的規(guī)定。6）尺寸符合GB/T702-1986《熱軋圓鋼和方鋼尺寸、外型、重量及允許偏差》
的規(guī)定。
2.2 齒輪鋼質量水平主要指標
汽車齒輪鋼屬結構鋼，其中以合金結構鋼為主，滲碳齒輪鋼比例在不斷擴大，盡管開發(fā)和引進了各
種類型的齒輪鋼，但20CrMnTiH仍被廣泛應用。
有些機器零件如汽車齒輪，工作時受到周期性變載荷（扭轉或彎曲力）及沖擊載荷的作用，且零件
與零件表面之間還有相對的摩擦，并有高的接觸應力。這些零件對材料的機械性能要求：1）材料具有高
的屈服強度和高的彎曲疲勞性能；2）材料表面具有高的接觸疲勞強度和高的耐磨性。
含碳量為0.4％及以上的結構鋼不能滿足要求，因其經(jīng)熱處理后盡管硬度很高，但韌性太低，達不到
內韌外硬的要求，故用低碳結構鋼進行滲碳，使零件從表面到中心具有從高碳（0.8％～1.1％）到低碳（
0.10％～0.25％）連續(xù)過渡的化學成分。使零件表面層具有高強度、高耐磨性，零件心部具有適當?shù)膹姸?br />和較好的韌性，使零件滿足其在機械性能上的要求。對于一般零件，滲碳層的含碳量限制為0.8％～1.1％；
滲碳層的深度控制在0.6～2.0 mm之內。
齒輪傳動裝置按密封形式可分為開式、半開式及閉式3種；按使用工況可分為低速、高速及輕載、中
載、重載；按齒輪齒面硬度的不同，又分為硬齒面齒輪（齒面硬度HRC＞55，如經(jīng)整體或滲碳淬火、表面
淬火或氮化處理）、中硬齒面齒輪（齒面硬度55＞HRC＞38，HB＞350，如齒輪經(jīng)過整體淬火或表面淬火）、
軟齒面齒輪（齒面硬度HB＜350，如經(jīng)調質、常化的齒輪）。
齒輪傳動的失效形式主要為齒面的疲勞點蝕、膠合、磨損、塑性變形和輪齒的疲勞斷裂以及沖擊折斷
等。特別是隨著汽車高功率化和輕量化的進展，提高齒輪鋼強度的要求越來越迫切。由于齒輪齒根承受循
環(huán)彎曲應力、齒面承受接觸應力、同時齒輪還承受沖擊載荷。因此，要求齒輪鋼具有高的彎曲疲勞強度、
接觸疲勞強度、良好的耐磨性，而且還必須具有充分的韌性。目前，汽車齒輪大都進行滲碳淬火處理。齒
輪在進行滲碳淬火熱處理時，其熱應力和組織應力使齒輪產生變形。齒輪的滲碳淬火變形可以從變形的分
散度和變形量兩方面來考慮。為了減小熱處理變形－降低齒輪變形的分散度和減小變形量，要求不同批次
熱處理的齒輪都具有同等程度的淬透性，并在熱處理過程中保證各部位得到同等程度的淬火。為此，鋼材
冶煉時必須抑制淬透性的變化，滲碳淬火時必須控制奧氏體晶粒度。
國際上通常認為：衡量齒輪鋼質量水平的主要指標有3項[6]，即窄的淬透性帶；高的純潔度；細小的
晶粒度。這三項主要指標按質量水平分了兩個層次，即高水平和次高水平：高質量水平：淬透性帶≤4 HRC；
純潔度[O]≤15×10-6；晶粒度≥6級。次高質量水平：淬透性帶≤6 HRC；純潔度[O]≤20×10-6；晶粒度
≥5級。
通過大量工作，特別是經(jīng)過近15 a來的努力，國產齒輪鋼質量水平有了較大提高，已經(jīng)超過了“次高
質量水平”，接近了“高質量水平”，但淬透性指標尚需進一步穩(wěn)定提高。我國某著名特殊鋼廠齒輪鋼實
物質量水平達到：晶粒度≥6級、淬透性帶≤6 HRC（淬透性帶≤5 HRC產品比例較高）、純潔度[O]≤20×
10-6（均值[O]≤15.6×10-6）。
2.2.1 淬透性 是指鋼在一定奧氏體化條件下淬成全部或部分馬氏體的能力。淬透性對鋼的組織性能
影響很大，淬透性高的鋼其力學性能沿截面均勻分布，即表面與心部力學性能差距小或一致。鋼材淬透性
穩(wěn)定與否對齒輪熱處理后變形影響很大，淬透性帶寬度越窄、離散度越小，則越有利于齒輪加工、提高齒
輪壽命及嚙合精度。影響淬透性的主要因素是鋼的化學成分[7]，如果將化學成分穩(wěn)定控制在一個水平，則
得到的淬透性帶也相對穩(wěn)定在一個水平。可通過鋼的化學成分對淬透性影響的回歸分析，制定化學成分控
制目標值，進而實現(xiàn)淬透性窄帶控制。
2.2.2 純潔度 齒輪鋼高純潔度主要是指鋼中的氧、硫、磷、氫而言，但更重視鋼中的氧含量，因為
鋼中氧含量的降低，氧化物夾雜也隨之減少。有人做過滲碳鉻－鉬鋼氧含量對齒輪疲勞壽命影響的試驗，
當氧含量從25×10-6降低到11×10-6時，其接觸疲勞強度可提高4倍。目前齒輪鋼中的氧含量一般控制在20
×10-6以下，大部分在15×10-6以下，這樣可有效地減少夾雜物含量，提高鋼的韌性、耐磨性。今后滲碳
鋼對氧含量的限制并不遜于軸承鋼，齒輪鋼脫氣精煉將成為必然。
2.2.3 晶粒度 細小均勻的奧氏體晶粒度對穩(wěn)定鋼材的淬透性、減少齒輪熱處理后變形量、提高滲碳
鋼的脆斷抗力十分有利。有人研究，當晶粒度＜5級時，滲碳鋼的脆斷抗力顯著降低并使齒輪剝落的脆化因
素增加。例如模數(shù)為4的滲碳齒輪模擬試樣的試驗結果，20Cr2Ni4A鋼的晶粒度由8級變?yōu)?級時，抗彎強度
從3 000 MPa降到2 330 MPa，破斷功從580 J降到460 J。晶粒細化可提高對裂紋傳播的抗力，增加滲碳層
的強韌性。
2.3 生產工藝
汽車齒輪鋼質量是隨著汽車制造業(yè)對材料要求的不斷提高及冶金工藝裝備水平的提高而不斷提高的，
鋼材的質量性能高級化、高純潔度、超細組織、高精度是當前的主要發(fā)展趨勢[6]。性能高級化是指：鋼材
的化學成分波動小，通過微調成分，使材料的使用性能均勻，強韌性配合適宜，保證由其制作的部件使用
性能可靠。齒輪鋼窄淬透性帶的控制是提高齒輪精度和壽命的手段之一。對齒輪鋼而言，高純潔度主要是
指鋼中的氧含量[O]≤15×10-6，從而使一系列齒輪鋼材料的塑韌性問題得到解決。組織的超細化也可以提
高強度、改善韌性。齒輪鋼的生產工藝就是圍繞著上述內容展開的。目前主導的齒輪鋼電弧爐生產工藝路線
我國某著名特殊鋼廠Mn-Cr5系列齒輪鋼電弧爐生產工藝：50 t/UHP—60 t/LF—60 t/VD—大方坯連鑄或
3 t錠/模鑄（接Φ850 mm初軋機）—成品軋機或鍛機—精正、熱處理—成品Φ12～130 mm （熱軋或緩冷或
退火狀態(tài)交貨）。
由于齒輪鋼品種較多，質量要求差別也較大，因此目前工業(yè)生產中的各種冶煉方法幾乎都在應用。
今后齒輪鋼要做的工作仍然是窄的淬透性帶、高的純潔度、細小的晶粒、良好的加工性能（如易切屑、
冷擠壓、鍛造等）。
