一、研究的背景与问题
高铁动车组因速度快、安全可靠、舒适度高、污染少等优点，在国内外得到飞速发展，带来了显著的经济效益和社会效益。近年来，为完善我国综合交通运输体系、促进交通运输提质增效升级、引领和支撑区域经济发展，自2008年起开始建设第一条高速铁路。此后，中国高铁建设始终保持着高速增长，截至2021年底，高铁运营里程突破4万公里，位居世界第一。根据2022年国务院发布的《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》，到2025年，高铁运营里程将达到5万公里，主要采用250公里及以上时速标准的高速铁路网，对50万人口以上城市覆盖率达到95%以上，网络覆盖进一步扩大，路网结构更加优化，骨干作用更加显著，更好发挥铁路对经济社会发展的保障作用。展望2030年，基本实现内外互联互通、区际多路畅通、省会高铁连通、地市快速通达、县域基本覆盖。
目前国际上已形成以德国ICE、法国GTV、日本新干线和中国CRH为代表的高铁技术。我国正在加大高速铁路和高铁动车组技术的发展力度，在《中国铁路中长期发展规划》中，国家已将高铁动车组技术列为高端装备制造业中五个重点发展方向之一，致力于高铁动车组技术的国产化和中国标准动车组研制。高铁部件逐步实现国产化，将是一个必然趋势，不但可以降低高铁制造成本，也为铁路机车部件制造企业和上游特殊钢生产企业提供新一轮发展机遇。
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。
二、解决问题的思路与技术方案
轨道交通核心部件是高端特钢应用的重要领域，特别是高铁用钢，存在很高的技术和准入壁垒，在成分及组织控制、强韧性配合等方面相比普通特钢要求更高，技术难度更大，产品准入条件十分严苛，需通过运行测试、CRCC评审、铁路总公司供应资格评审等环节才能进入采购名录。而另一方面，我国在高铁用钢的研发与应用方面起步较晚，钢的实物质量稳定性有待提升，有关标准、技术条件缺失或不系统，导致高铁行业采用国产钢铁材料的比例较低。
南钢积极投身到轨道交通核心部件用钢的国产化研究工作中，结合国家及省级课题，建立起高校院所及产业链上下游企业参与的联合研发团队，结合南钢产线装备的特点和技术优势，确立了以高铁弹簧、制动盘、轨道交通用齿轮等核心部件用钢为主攻方向，采用理论研究及数值模拟仿真、实验室物理模拟试验、现场生产试验等多种研究方法及路径，在对产品特殊要求进行技术攻关的同时着力解决一些共性技术问题，从而形成系统的轨道交通用钢技术研发和生产体系。主要技术方案包括：
1、针对高铁冷成形弹簧钢高强度、高韧性、高疲劳、超纯净等性能要求，通过精炼渣碱度优化和专用合金及耐材选型优化，开展纯净钢冶炼及夹杂物塑性化控制，实现夹杂物成分有效控制在1400℃低熔点区域，极大地提高钢中塑性化夹杂物成分控制的准确度，满足了冷成形弹簧的疲劳寿命要求。
2、针对高铁制动盘的高强韧性、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，同时兼顾高铁需在高纬度下运营，制动盘还需有良好的低温韧性，采用多尺度碳化物复合弥散强化、多元微合金化的设计原理，通过理论计算、数值模拟、实验室试制、筛选、现场工业化生产验证，设计开发出高铁制动盘用钢。
3、为了满足高温渗碳条件下控制晶粒度的要求，采用理论模型研究了AlN在钢中的固溶、析出以及粗化的行为，同时根据多组分体系数值积分方法，建立起钢中氮化物溶解和生长动力学模型，掌握了控制AlN细小弥散析出的原理和方法。通过调控Al、N含量、自动加热控温、轧制工艺以及冷却速度，并创新性的提出一种预先热处理新工艺，形成一整套高温奥氏体晶粒长大控制技术。在不添加其它微合金元素的条件下，实现了高温奥氏体化温度下不出现混晶，满足高温快速渗碳工艺要求。
4、轨道交通制动盘用钢、轨道交通齿轮钢等钢种合金体系复杂，钢中含有Cu、Cr、Ni、Al、V、N、Nb等多种元素，针对铸坯极易产生裂纹的问题，相继开发出大方坯铸坯表层微观组织控制技术和耐高温连铸夹持辊螺旋冷却技术,通过采用专用高稳定低粘度保护渣，同时改变铸坯角部冷却条件，解决了“奥氏体+晶界铁素体膜”低塑性结构的问题，形成了裂纹敏感性钢铸坯表面质量控制关键技术。
5、针对成分均质化问题，创新性地采用“微区电磁搅拌+末端电磁搅拌+末端轻、重压下+二冷动态配水”组合控制技术，同时，通过大方坯连铸凝固过程的全铸流数值模拟，结合现场工艺试验，研究了多种电磁搅拌参数对传热、凝固与成分过冷的影响，确定了最优的电磁搅拌参数；模拟不同拉速、不同比水量对大方坯凝固终点的影响，确定了最优的拉速及二冷比水量参数。该技术充分发挥末端电磁搅拌、末端轻重压下的组合效果，满足了轨道交通用钢成分均质化的要求。
三、主要创新性成果
通过项目实施，取得如下创新成果：
1、开发出夹杂物低熔点塑性化超纯净钢核心控制技术。实现夹杂物100%控制在熔点1400℃以下，夹杂物直径≤15μm，稳定保障弹簧500万次以上高疲劳寿命。冷成形高铁弹簧用钢国内独家生产。
2、开发了高强韧、抗热疲劳高铁制动盘用钢成分设计及生产工艺技术。国内率先开发出连铸高铁制动盘用钢，路试里程超过60万公里，成为国内唯一具有供货业绩的企业，打破国外垄断，产品实现出口。
3、开发了高温渗碳奥氏体晶粒均匀性长大控制新技术，形成了一套以氮化铝第二相粒子控制高温奥氏体晶粒长大的技术，应用于齿轮钢，在1000℃渗碳条件下不出现混晶，达到国际先进水平。
4、裂纹敏感钢种铸坯质量控制技术取得突破。开发出铸坯表层微观组织控制技术，创新耐高温连铸夹持辊螺旋冷却技术,率先实现轨道交通齿轮钢、高铁制动盘用钢等裂纹敏感钢种连铸材替代国外模铸材,属国内首创。
5、开发出高均质化连铸关键控制技术。通过铸坯凝固终点精确定位技术、“微区电磁搅拌+末端电磁搅拌+末端轻、重压下+二冷动态配水”组合控制技术，实现铸坯全截面碳极差＜0.02%，达到国际先进水平。
四、应用情况与效果
围绕本项目申请发明专利20件，其中发明专利获得授权12件，实用新型专利获得授权2件，发表高水平论文10篇。高铁弹簧用钢、高速列车制动盘用钢、轨道交通齿轮钢、轨道交通用弹簧钢等系列产品先后通过江苏省工业和信息化厅组织的新产品鉴定，达到国际领先或国际先进水平，引领行业发展方向。
南钢通过轨道交通核心部件用钢项目的实施，形成了成熟的轨道交通用钢研发及生产体系，已初步形成轨道交通用特殊钢长材系列化产品，如高铁制动盘、弹簧、齿轮、转向架、隔振簧、钩尾框等用钢。近年来，南钢轨道交通核心部件用钢累计供货38万余吨，创销售总额17亿余元，新增利税2.39亿余元。其中，高铁扣件用钢国内市场占有率第一，应用于京沪线等19条高铁线路；高铁制动盘用钢在沪昆线、大西线完成60万公里路试考核，迄今在沈阳铁路局服役，打破国外垄断，实现出口；轨道交通用齿轮钢通过工艺创新实现连铸材替代模铸材，疲劳寿命比模铸材高10%，应用于国内重点城市轨道交通列车。
本项目的成功开发，实现了高铁零部件关键技术突破，打破德国、法国和日本等高铁技术强国对轨道交通核心部件的技术和市场垄断，对提升我国高铁用钢铁材料自主化保障能力、降低整车成本、推动我国高铁技术的发展和国际竞争力提升具有重要意义。
