钢铁与有色金属应用领域拓展：国际高品质特殊钢材料发展现状分析

钢铁和常用有色金属（铝、镁、钛、铜）是传统材料，在经济社会发展中有着广泛的用途。随着工程科学技术的发展，钢铁及世界常用有色金属材料的应用领域不断拓展，保持旺盛的生命力，在推动人类文明进程中占据重要地位。

国际发展状况

1优质特殊钢材料，国外特殊钢（不含电工钢）材料年产量约8800万吨，其产量及占钢产量的比重较为稳定，呈现缓慢增长趋势。

工业发达国家特钢产量一般占其钢铁总产量的15%~20%，其中瑞典特钢占比高达45%~50%。日本特钢产量和出口量居发达国家之首。其他发达国家在某些特殊钢品种上也有自己的特色。例如，瑞典是世界上“特殊钢比例”最高的国家，其SKF公司的轴承钢和山特维克公司的工模具钢在国际上非常知名；法国的不锈钢、精密合金，奥地利的工具钢、美国、英国的高温合金等都是世界一流的。国外特钢产品具有尺寸精度高、钢中有害物质少、夹杂物控制水平高、使用寿命长、耐热、耐腐蚀等优良性能。

海洋工程装备制造商第一阵营的企业主要集中在欧洲和美国。这些公司垄断了海洋工程装备的开发、设计、工程总承包和关键配套设备的供应；国外海洋工程装备用钢生产企业主要集中在日本和德国，代表企业有日本JFE公司、日本新日铁公司等。公司和德国迪林根公司。

在国外，由于海洋工程装备用钢的发展时间较长，产品也较为成熟，主要体现在以下特点：

（一）标准专业化。日本JFE公司形成了自己的海洋平台钢板企业标准系列，如JFE-HITEN系列高强度钢板、JFE-HITEN系列焊接性好和大线能量焊接钢板、低温钢板和海水腐蚀钢板- 耐磨钢板；美国针对海洋平台用钢制定了API2W和2Y标准，规定了钢板有特殊要求，如低温、应变时效、表面质量等。

(2)尺寸大、强度高。目前，JFE的海洋平台钢抗拉强度为360至980兆帕，可生产厚度为125至150毫米的特厚板。

（三）专项表演。

2、高温合金材料高温合金材料的研发和生产不断受到用户技术发展和商业模式变化的影响，取得了长足的发展。

航空发动机提高推重比、增加安全性和经济性、航天器速度提高超音速、车辆发动机采用高压技术降低消耗和排放等，都引起了粉末高温合金、单晶高温合金的关注和金属间化合物。随着新材料的发展，研发和工业部门更加重视材料的工程技术。技术攻关，加快新材料进入产业化、稳定生产的进程；竞争压力驱使发动机用户提高燃油效率、降低油耗（趋势是平均每年降低1%），这主要依靠空气动力效率和燃烧室设计的改进以及由于材料的增加而导致的热动力效率的提高使用温度。其中，双性能/双结构涡轮盘将成为大推力航空发动机的必然选择，因为它们更符合涡轮盘的工作条件。工作温度高达1100℃、密度仅为4.0 g/cm3的第三代单晶高温合金高压涡轮叶片，钛铝金属间化合物低压涡轮叶片将成为重要的材料基础。提高涡轮效率。

3、有色金属材料。世界发达国家高度重视有色金属材料（特别是先进轻合金）的研发和产业化技术开发。随着发展中国家制造业的崛起，低端有色金属材料的生产加工逐渐向发展中国家转移。但日本、美国、德国、俄罗斯等发达国家在有色金属新材料领域仍保持技术资本领先优势。在一些与高新技术产业相关的高性能有色金属结构和功能材料领域，始终占据垄断地位。

Arconic、Novelis、Hydro等世界领先企业在高强高韧铝合金材料的研发和生产方面占据领先地位。是全球航空航天、交通运输等领域轻质高强材料的主要供应商；全球范围内，钛加工企业经过联合兼并，向集团化、国际化迈出了一步，形成了美国、日本、独联体三足鼎立的局面。美国三大钛生产商Timet、RMI和Allegen Teledyne的总产量占美国钛加工总量的90%，也是全球航空级钛材料的主要供应商。日本三菱化学控股、古河和美国奥林等公司主导全球高强高导铜合金市场，并凭借技术领先赢得了高额利润和竞争优势。

国内发展现状 我国金属材料行业，响应国民经济快速增长，工业化、城镇化等对钢铁和有色金属材料的强烈需求，在规模扩张方面创造了世界空前记录，同时，产品质量也得到了很大的提高。 。

目前，除少数大类钢材外，其他钢材自给率均达到100%。重点钢铁产品（如汽车钢、管线钢、硅钢、船舶板等）产量大幅增长。 22大类钢材中，有18类钢材国内市场占有率达到95%以上。此外，部分钢材（板材、管材）已进入美国、日本、西欧、韩国等发达产钢国家和地区市场。这说明我国钢铁工业不仅在品种、质量上已能基本满足各用钢部门的需要，而且部分品种已满足发达国家用户的要求。

我国有色金属品种也基本满足国内经济发展的需要。多种新开发的轻合金材料已批量生产和应用。钛合金大规格棒材用于国际航空制造行业。铜及铜合金复杂管材、大型铝合金型材进入国际市场并占据主导地位。

1、优质特钢材料 近年来，我国特钢产业与整个钢铁工业一样发展迅速，取得了举世瞩目的成就。不锈钢、轴承钢、齿轮钢、模具钢、高速钢等产量居世界第一，为我国国防工业和国民经济建设提供重要原材料保障。但我国特钢行业整体发展水平和产品质量仍落后于先进国家。

（1）先进能源用钢主要包括风电、水电、核电设备用钢。我国已具备风电用宽厚板和Φ80毫米高等级风电轴承钢（GCr15SiMn）的批量生产能力。偏航轴承组件和叶片主轴轴承组件仍在开发中。目前国内生产风电机组轴承钢的企业有江阴兴诚特钢有限公司、湖北新冶钢有限公司、宝钢特钢有限公司等，我国自产600兆帕级压力钢管已能满足使用要求，800MPa级压力钢管正在升级开发。国家基本掌握了水电、核电设备用大型不锈钢铸锻件生产技术，改变了依赖进口的局面。

（2）现代交通用钢 现代交通用钢包括高铁用钢和汽车用钢。高铁用钢主要包括列车转向架、车轮、制动器、轴承、弹簧和钢轨用钢。目前，我国自主研发的微合金化车轮钢已成功应用于时速200公里/小时的列车，时速200公里以上的车轮钢正在开发中；对于高端车轴钢S38C，我国正处于工业试验阶段；车辆轴承高端钢材GCr18Mo可实现国产化；高铁弹簧钢研究取得重大突破，有望实现国产化；我国高铁钢轨生产能力已达到世界顶尖水平，质量也处于世界先进水平。我国钢轨生产企业主要是鞍山钢铁集团有限公司、包头钢铁（集团）有限公司、攀钢集团有限公司等大型国有企业。

汽车用钢方面，强塑性面积20GPa%的第一代汽车用钢和强塑性面积60GPa%的第二代汽车用钢可实现国产化。强塑性面积30～40GPa%的钢材可实现国产化。第三代高性能汽车用高强钢研发达到世界先进水平。我国高强度汽车用钢生产企业主要有中国宝武钢铁集团有限公司、鞍山钢铁集团有限公司、武钢集团有限公司、首钢集团等企业。

（3）船用钢 船用钢主要包括海洋平台用钢、海底油气管道用钢、特种船舶用钢等。目前屈服强度355MPa以下海洋平台用钢已基本实现国产化，占海洋平台用钢的90%；海底管线钢X65、X70、国产自主研发的2205双相不锈钢已成功应用于化学品船；液化天然气船用9%Ni钢、液化乙烯储罐用12Ni19钢已批量生产。我国海洋工程用钢主要生产企业有中国宝武钢铁集团有限公司、鞍钢集团有限公司、首钢集团、新余钢铁有限公司、武钢集团和钢集团有限公司、南京钢铁集团有限公司、湘潭钢铁集团有限公司、济南钢铁集团有限公司等，目前这些生产厂均拥有年生产能力超过50万吨。

（4）航空航天用钢 航空航天用钢大部分已实现国产化，但大型客机的轴承、连接螺栓、起落架等部件的结构钢仍需进口。高推比运载火箭系统壳体、动力连接装置、星箭或船箭解锁带等部件用特殊钢以及各类空间环境设施用优质特殊钢有待进一步开发。

2、高温合金材料经过60多年的发展，我国高温合金工业在航天发动机、战略导弹等武器装备方面取得了长足进步。

在变形高温合金方面，仿制Inconel718合金并结合我国国情和生产设备条件形成了国产牌号GH4169及相应的技术条件和标准，基本满足了我国航天航空对GH4169合金的需求场地。

在铸造高温合金方面，主要是仿制单晶合金。第一代、第二代单晶合金已研制成功，并逐步走向工程应用。第三、四代单晶合金正处于研制阶段，基本满足我国先进航空发动机发展的迫切需求。

在粉末高温合金方面，目前国内研究主要集中在前三代粉末高温合金的应用研究，第四代粉末高温合金的开发正处于探索阶段。

国内高温合金行业的代表企业有宝钢特钢有限公司、抚顺特钢有限公司、攀钢集团有限公司、江油长城特钢有限公司、北京港研高纳科技有限公司、沉阳中科三内新材料有限公司、北京航空材料研究院、沉阳黎明航空发动机有限公司、西安航天动力有限公司,有限公司等

3、高性能有色金属结构材料。高性能有色金属材料主要包括高性能铝合金、镁合金、钛合金等轻合金材料、高强高导铜合金以及钨、钼等难熔硬质合金。它们是我国发展的主力飞机。 、信息技术、高速铁路、海洋工程等国家重大工程。

目前，我国已成为世界有色金属材料生产和消费大国，产量连续十多年位居世界第一。通过引进消化与自主制造相结合，我国有色金属工业的装备水平已达到世界一流水平，包括大型冶炼和电解设备、连轧和连铸连轧设备、挤压设备等。 、轧制和锻造设备。数量居世界前列。

在新材料及其制备加工领域，我们获得了多项世界先进的自主知识产权，具备一定的产业和技术优势，取得了一批具有自主知识产权的国际先进成果。例如，我国在新一代高强高韧高淬透性航空铝合金研究和工程制备技术方面取得突破性进展。大型特种铝合金型材及其挤压工模具研发成功；研发我国自主知识产权的铜板带、管材铸造技术和铜铝复合技术等新材料技术；大型钛合金锭及锻件研发生产取得重大进展，产品打入国际市场；新一代高强高导铜合金材料及其电子引线框架铜带产业化关键技术研究取得突破，达到万吨产业规模。

但我国有色金属新材料的核心技术和知识产权还比较落后。长期以来一直处于技术跟踪状态。尚未建立有特色、完整的合金牌号体系。拥有自主知识产权并获得国际注册的新材料和热处理系统也很少。在新材料开发应用上美、俄、欧合金鱼龙混杂的局面下，巨大的市场优势和规模优势还没有转化为技术优势。

我国有色金属工业遍布全国，与数千家不同规模、技术水平的国有、私营企业和合资企业形成市场化竞争格局。我国重大工程先进有色金属材料主要由大型国有企业研发生产。其中，中国铝业有限公司与北京有色金属研究院联合研发的新一代高强高韧铝合金、镁合金基本满足我国航空航天事业的需求。针对重大工程对新材料的需求，以宝钛集团有限公司为首的骨干钛合金企业研发并为国家重大工程提供了一批重要的钛合金材料。我国钨钼工业已形成地质勘探-开采-冶炼-加工-科研开发较为完整的产业体系。硬质合金、钨钼加工等工艺技术和装备仪器水平显着提高，部分产品质量达到世界先进水平；钨丝和掺杂钨丝制备加工的主流技术和装备已达到世界先进水平。等级;生产了国防、航空用高性能抗震钨丝、汽车、电子工业用抗震耐热钨丝、微波炉、彩电用钨热阴极元件；电子束熔炼加工的电子级细晶钼已成功开发并应用。

相关研究前沿

基于材料基因组的先进钢铁材料设计与开发技术

从钢铁材料的研发历史和发展趋势来看，高性能先进钢铁材料将向高强度、优强韧性匹配、高均匀性、长寿命方向发展，实现材料的绿色化、智能化、定制化。生产准备。

传统的烹饪或试错设计开发模式已经不能满足上述需求。例如，航空航天、高技术船舶、轨道交通等高端装备制造所用先进钢铁材料的疲劳、耐久性、蠕变、氢脆、腐蚀等服役性能研究需要大量的数据样本和长期数据积累；传统超高强钢研发从原型设计到材料应用至少需要20年时间。

因此，面对先进钢铁材料新的发展需求，基于材料基因组的先进钢铁材料设计和研发技术将成为创新和引领材料设计和研发的重大基础技术。美国、欧盟、俄罗斯、日本等发达国家和地区都出台了相应的发展规划和计划，加快高性能钢结构材料的研发。

该技术将第一性原理、热/动力学、相场、有限元等计算方法与多因素模块化耦合模型相结合，发展先进钢铁材料成分-工艺-结构-性能-使用行为的多尺度集成计算。从电子原子水平探讨先进钢铁材料各“基因”片段对钢铁材料各种性能的影响及相关机制（包括合金元素扩散和迁移过程、固溶和析出相驱动力、亚稳态相和析出相材料物理化学性能等）实现合金设计、制备、加工及服役行为全过程的高通量计算；高通量凝固与锻造基础理论发展；发展合金成分、显微组织、界面偏析等多维、多尺度、多参数高通量表征方法；打造集先进金属材料设计计算方法、高通量实验、高通量计算模拟和智能数据库管理于一体的集成计算创新平台，实现先进金属材料加速研发、综合性能提升和短流程、低成本材料成分高性能。可控高效的制备提供了理论支持。

有色金属材料绿色冶炼技术

在铝冶炼技术方面，目前全球采用的熔盐电解铝工艺，以进一步降低电耗为目标，重点提高电流强度，实现电解槽大型化。目前仍在改进中。预计吨铝交流电耗可降低。低于 13,000 kW·h。减碳等新原理铝生产工艺重点突破所用材料，持续深入研究。一旦取得突破，吨铝电耗可降至8000千瓦·小时。这将显着降低绿色生产成本和能源消耗。

镁冶炼技术方面，常用的筒热法镁冶炼工艺不断改进，以进一步提高能源利用效率和余热利用为主要目标。预计每吨镁的标准煤消耗可降至4吨以下。电解镁市场进程以降低生产成本为重点，持续深入研究。一旦取得突破，金属镁生产的二氧化碳排放和能源消耗将大幅减少。

在钛冶炼技术方面，目前全球采用的克劳尔法海绵钛生产技术，着眼于进一步降低电耗的目标，以镁电解电耗为主要目标。持续改善，预计每吨海绵钛电耗可降低至18000kW·h以下。电解钛金属将继续深入研究，重点关注实际应用。一旦取得突破，将大大降低钛金属的生产成本，促进钛的广泛应用。

高性能轻合金的性能优化

在提高材料的高强度和高韧性方面，为了满足航空等领域日益提高的要求，超高强度铝合金的发展基本上遵循高强度、低韧性→高强度、高韧性的方向韧性→高强度、高韧性、耐腐蚀，热处理状态沿T6→T73→T76→T736（T74）→T77方向发展。

合金设计发展的特点是合金化程度越来越高，铁、硅等杂质含量越来越低，微量元素添加越来越合理，最终实现全面提高合金强度，同时保持优异的合金质量。绩效目标。

在提高材料的耐高温性能方面，钛合金是先进航空发动机的关键支撑材料。高性能航空发动机的发展对钛合金的耐高温性能提出了越来越高的要求。未来发展的主要方向是利用合理的微量元素添加和热处理技术，突破高温强度和热稳定性障碍，不断提高高温钛合金的使用温度，满足高温钛合金发展的需要。 -高性能航空发动机。

在提高材料的耐腐蚀性能方面，腐蚀问题制约着镁合金的推广应用。提高镁合金的耐腐蚀性能已成为镁材料工程技术的重点。发展方向一是使相间电位差趋于零，二是使镁合金表面氧化膜由疏松变为致密，采用不同元素形成不同的氧化产物，采用多元氧化物填补了空白，提高了镁合金的电阻率。腐蚀性能。

金属近净加工技术

粉末冶金技术是一种高效、低成本的金属近净成形技术。随着现代信息技术的发展，在金属材料领域，基于粉末冶金技术的3D打印技术取得了重要突破，形成了材料领域新的生产方式、产业形态和商业模式。在粉末冶金金属近净加工技术领域，智能制造技术主要包括注射成型（PIM）、注射成型、近净成型（混合元素和预合金）、激光快速成型等。

从技术进步来看，未来10到20年，粉末冶金金属近净加工技术可广泛应用于人体器官、机械设备零部件等领域。在金属近净挤压技术方面，与传统金属铸造、锻造、轧制、普通挤压等技术相比，依托智能制造的金属近净挤压技术可以省略热轧铸锭制造工序，缩短生产流程。 、材料消耗低、能耗低，这将大大降低金属材料的制造成本。

我国积极探索发展铜及铜合金近净挤压技术，并在产业化方面取得重要进展，位居世界第一。在此基础上，深入开发各种金属的近净挤压技术，用于改造和改进传统金属加工技术，对金属加工技术具有重要意义。金属近净挤压技术主要集中于等静压和凝固成形。

重点金属材料行业

长期发展战略

1、发展思路围绕信息、能源、节能环保、生物、航天、产业创新等战略需求，突破海洋工程用钢、交通运输用钢、基础件用钢、超超临界动力用合金站、铝镁、钛等轻合金材料核心技术着力提升材料行业自主创新能力。通过优化组织实施方式，支持体量大、范围广、国家重大工程急需的结构材料产业化，努力推动实现一批结构材料。产业化和规模化应用。

大力发展结构材料和新材料产业，建立产业链上下游优势互补、密切合作的机制，有效缩短新材料研发、产业化和规模化应用周期，促进新材料发展企业加强技术创新，形成持续创新能力，进一步提升我国关键结构材料行业的技术创新能力和产业化技术水平，实现了我国从材料大国向材料强国的战略转型，充分满足了我国国民经济、主要国家关键结构材料项目和社会可持续发展。

2、战略目标

到2025年，钢铁及轻合金材料产业整体达到世界先进水平，全面实现钢铁及轻合金材料绿色循环制造，基本建立新材料产业创新体系。用于能源和石化的钢，海洋工程钢，用于运输的钢，基本零件的钢，用于超高危的钢，钢铁，航空的铝合金，钛合金合金和其他关键材料基本上可以满足民族经济的需求，国家安全和社会可持续性。对可持续发展的需求支持“制造能力”的战略，并最初完成了从大型物质生产国到强大的物质制造国的战略转变。

2035目标

专注于经济和社会发展对智能，绿色和个性化材料的需求，依靠材料基因组技术并专注于新合金的开发，我们将建立一个用于金属材料的连续创新系统，实现金属材料的智能制造，并支持整个行业达到世界高级。

专注于开发适合3D打印和其他技术的钢，铝，镁，钛和其他金属材料；突破一批金属近网处理技术；应用一批创新的金属冶炼和制造工艺来完成金属材料行业工程技术的转换，从“遵循从“跑步”和“平行”到“领先”到“领先”的飞跃，已经成为领导世界金属材料技术革命的重要力量。

高性能轻型合金材料

重大项目

1。需求和必要性合金材料包括铝合金，镁合金和钛合金，占非有产金属总使用的60％以上，并在国民经济中占据重要地位。

重点是“三种主要的陆地运输工具”的轻量级制造 - 包括铁路运输高速火车，货运和煤炭卡车，公路运输货车和半拖车，以及高速公路运输乘用车，以减少能源消耗量为了减少对排放污染的需求，以及以近海石油钻探，海水脱盐和特殊船只代表的“主要海洋工程设备”的制造需求，对一系列新的轻合金材料及其他们的创新研究进行了创新的研究准备和处理完整的技术集和应用技术。它支持我国家的运输行业每年将燃油消耗量减少100万吨和相应的空气污染排放。同时，它推动了行业的产品结构，以高科技内容和高额价值的方向发展，创造了巨大的经济和社会利益，并使我国家的民用合金材料和加工技术已经完全进入了世界大国的行列。

2。工程任务是建立一个制造业，年产量为300,000至40万吨高精度，快速响应铝合金板和1500万至2000万件乘用车，覆盖零件和框架零件，以满足需求100万至150万辆乘用车。车辆轻巧的车身生产需求；组建一个制造业，年产量为10,000至20,000吨高度耐腐蚀的铝合金板和100,000块铝合金精密管道，以满足我国家海上行业的需求，这对外国油钻井设备的开发和特殊钻探设备的开发需求船；形成每年的产量为200,000至30万吨大型且复杂的横截面铝合金配置文件，500,000至600,000吨铝合金卷板和预脱毛的厚板盘子及其深层加工产品及其生产和制造业满足了制造需求对于100,000至150,000辆货车和半拖车的轻质车身， 10,000至15,000台高速火车和货车，以及轻巧的煤车。

创建一个制造业，用于高性能和高质量的镁合金模拟零件和高性能变形镁合金加工材料，以满足人体零件的制造需求，每年产量为100万至150万行乘用车。

钛条和焊接管的生产和制造业具有较大的线圈重量，高精度和低剩余压力，可满足海水脱盐设备行业和工程开发的需求；高性能大直径钛合金管和概况的生产和制造业满足了我国海上石油钻井设备和特殊船舶开发需求的需求。

3。项目目标和效果

2025年，一项完整的生产工艺技术，具有高精度和快速响应铝合金板，用于制造汽车面板和框架零件；高性能铝合金精确尺度和高质量的铸件的生产过程技术，用于制造汽车动力系统和底盘；用于汽车零件高性能和高质量的镁合金模具铸造和变形的加工材料生产技术；高性能的大直径钛合金管和配置文件，铝合金精密管道以及高腐蚀的海上石油工程和特殊船舶的高腐蚀板和高级钛焊接管的生产技术，用于水脱水项目以及完整的生产技术集合大量，高精度，低含量压力的钛;铁路运输和货运/煤炭运输车辆，公路货车和乘用车，特殊的形成，制造和剩余压力减少技术，用于铝合金/钛合金/镁合金的大型，复杂精确的结构零件金属和关节腐蚀控制技术，表面加强和抗腐蚀处理技术。

在2035年，“合金元素原子与增强相设计之间的相互作用机制”的理论； “多尺度范围的第二阶段 - 界面耦合加强”理论； “在整个制备和处理过程中，微观结构的演变规则和控制”将形成理论；材料计算设计，制备和处理过程仿真基于“高通量计算量数据库，快速实验检测和评估”的组合。

资料来源：“中国工程科学技术2035开发策略·化学工业，冶金和材料现场报告”，今天的新材料