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深度解析:"中国制造2025" 中不锈钢的机遇、作用和发展趋势(五)
 
深度解析:"中国制造2025" 中不锈钢的机遇、作用和发展趋势(五)
来源: | 作者:qizhishiye | 发布时间: 2017-12-15 | 833 次浏览 | 分享到:
"中国制造2025"给不锈钢材料提供了怎样的应用机遇?不锈钢在 “中国制造2025” 将发挥哪些重要的作用?有着怎样的发展潜力和发展趋势?请看权威专家所做的详细分析。全文较长,将分为几个部分发表,敬请关注!

深度解析:"中国制造2025" 中不锈钢的机遇、作用和发展趋势(五)

2017-06-01 15:33设计/医疗器械/技术

"中国制造2025"给不锈钢材料提供了怎样的应用机遇?不锈钢在 “中国制造2025” 将发挥哪些重要的作用?有着怎样的发展潜力和发展趋势?请看权威专家所做的详细分析。全文较长,将分为几个部分发表,敬请关注!

(续接前文)

3.8 新材料

《中国制造2025》需要多种新材料,包括有机材料、无机材料,特别是金属材料中的钢铁材料,这里主要关注不锈钢新材料。

(1)以不锈钢数据库、多尺度高性能计算模拟和先进实验技术为基础,把成分-结构-性能和生产工艺间关系数据库与计算材料设计结合起来的不锈钢材料设计研究。

(2)不锈钢生产工艺技术的生态化、自动化、智能化与个性化相结合的高品质制造产品体系。

(3)不锈钢结构材料的功能化。

(4)不锈钢均质材料的复合化。

(5)资源节约型环境友好型不锈钢的开发。

(6)良好加工制造性的超级不锈钢实用化。

(7)不锈钢耐局部与耐磨损腐蚀机理研究。

(8)高强不锈钢强韧化机理研究。

(9)功能不锈钢的功能化机理研究。

(10)不锈钢选材及其零部件失效分析专家系统。

(11)关注注射成形、3D打印等新技术直接生产不锈钢产品的开发等。

(12)要特别关注以下新型不锈钢产品的研发:

1)核聚变堆用高性能高品质不锈钢。

2)宇航用超高强、高韧、易加工,损伤容限设计用(要求KIC、KISCC、σ-1等)超高强度不锈钢。

3)海洋工程用高强、高韧、耐蚀、可大线能量焊接的特厚超级不锈钢板。

4)高速运转精密偶合件用耐高温、耐腐蚀、耐磨损、高硬度(500℃下HRC≥50)不锈钢。

5)海洋漂流核电站用不锈钢系列。

6)海洋环境监测和采集系统、海洋水下声波监测系统和传感器网络系统用高性能高品质不锈钢(包括功能不锈钢)系列。

7)不锈钢的单晶和纳米晶(特别是表面纳米晶化)的制备技术及其应用。

由太钢牵头,钢铁研究总院、北京科技大学、东大、科学院金属所等产、学、研、用户14个单位参加的“高强耐腐蚀不锈钢及应用”项目通过科技部评审并立项被纳入《国家重点研发计划重点基础材料技术提升与产业化重点专项实施方案》中高品质特殊钢的研究内容。

研究方向包括:

高强高耐蚀不锈钢多相组织强韧化机理、

超级奥氏体不锈钢凝固偏析和析出行为及热处理加工机理、

耐高温耐腐蚀等服役环境适用性材料的设计开发、

耐点腐和应力腐蚀组织控制以及柔性轧制等生产及应用技术评价

旨在实现高性能不锈钢产品开发及应用示范。

项目研究以品种为主线,以“品种全流程,一体化设计”为原则,兼顾项目的共性、个性技术及最终产品应用示范,重点选取危险品运输及处理等特种行业用高品质双相不锈钢、环保领域用超级奥氏体不锈钢、高强不锈钢、汽轮机转子用耐热不锈钢、油气开发用马氏体不锈钢及抗菌不锈钢为研究对象;开展材料基础研究(合金设计优化、多项组织控制、强韧化和耐腐蚀机理、多因素协同作用及对关键性能影响等),材料应用研究(与用户需求和服役环境相关的应力腐蚀、焊接等)、制备技术研究(高洁净度冶炼、无偏析凝固控制和无开裂热加工等),最终实现高强高耐蚀不锈钢工业化技术提升及全流程稳定生产。

3.9 生物医学与高性能医疗器械用不锈钢

3.9.1 概述

作为生物医学设备用不锈钢,除了良好的力学性能、理化特性和加工制造性之外,还应具有优异的生物相容性与抗生理腐蚀性能。

生物相容性是指用于生物的材料在特定的用途中,引起适当的宿主反应有产生有效作用的能力。表征材料的生物学性能,决定材料与活体宿主系统的相互作用。这种相互作用包括宿主反应和材料反应。为保证生物材料临床应用的安全性必须通过一系列体内、外的评价实验。

不锈钢是一种和生物体组织接触并无不利影响且自身性能和机能也不受生物体组织影响的生物相容性金属材料,与钛及钛合金、钴基合金相比,是价格便宜、用途广泛的生物医学金属材料。

对人体植入不锈钢还要求:(1)在生物学上不发生排异反应;(2)无毒性及变态反应;(3)抗血栓;(4)耐磨损与耐磨蚀;(5)高的腐蚀疲劳性。

高性能医疗器械用不锈钢为要求具有良好强韧性、耐蚀性、功能性的高表面质量、高尺寸精度的钢材。

在生物医学与高性能医疗器械选材时,必须全面了解合金元素的作用,联合国粮农组织和世界卫生组织把微量元素对人体的作用分为3类:

(1)人体必须的元素有I、Fe、Zn、Se、Cu、Mo、Cr、Co共8种;

(2)人体可能必须的有Mn、Si、Ni、B、V 5种;

(3)具有潜在毒性、但低剂量对人体可能具有必须功能的微量元素,例如F、Pb、Cd、Hg、As、Al、Li、Sn等。

不锈钢中的主要元素是Fe、Cr、Ni、Mo、Cu以及Si、Mn、Co等均属无害元素,这也是不锈钢在该领域中广泛应用的原因。至于含Al的高强度不锈钢(如17-7PH、PH15-7 Mo、PH14-8Mo、PH13-8Mo等)尽量不用或少用而采用含Cu强化的不锈钢(如17-4PH、15-5PH等)。对含Pb的易切削不锈钢也应尽量少用,而选用含Se的易切削不锈钢。

3.9.2 生物医学与高性能医疗器械用不锈钢

3.9.2.1 生物医学用不锈钢

(1)通常使用的AISI 316L和317L 已列入ISO5832及7153标准,它们具有良好的生物相容性和综合性能。

(2)有些人群,特别是女性中的极少数人对Ni过敏从而研发了无Ni奥氏体不锈钢Cr18Mn14Mo3 Nl及Cr21Mn22 Mo1 Nl。中国也开发了Cr17 Mn14 Mo2 N0.6及03Cr17 Mn12.5 Mo2.5 Cu1.5 N0.4等代替316L及317L。

(3)人工关节用Cr20Ni20 Co20 Mo4P 合金。

(4)有利于骨植入体接合、不易发生感染的纳米银涂层不锈钢。

3.9.2.2 高性能医疗器械用不锈钢

(1)大部分适用马氏体不锈钢、铁素体不锈钢,例如:2Cr13、3Cr13、7Cr17、8Cr17、9Cr18 Mo及9Cr18 Mo V等。

(2)高强度不锈钢17-4PH、15-5PH。

(3)不同类型含Cu、含Ag抗菌不锈钢。

(4)功能不锈钢(如无磁、软磁、阻尼等)。

(5)304Cu 2 Wo.6抗菌不锈钢。

3.9.2.3 不锈钢的具体用途

(1)人工关节,骨折内固定器械。

(2)镶牙、矫形、牙根种植及辅助器械。

(3)心血管系统;植入电极、传感器外壳及导线、人工心脏瓣膜、血管内支架等。

(4)人工耳、人工眼导线等。

(5)高性能医疗器械结构件及功能件。

3.9.3 用新工艺、新技术直接生产生物医学与高性能医疗器械用不锈钢零部件

因为在该领域所要求的不锈钢制品,特别是关键零部件形状非常复杂,尺寸精度、表面质量要求又非常高,采用传统生产工艺往往达不到技术要求,而成品率低、成本高而不得不采用新工艺、新技术,如注射成形技术就是首选,而3D打印技术也逐步进入该领域。

表16 是美国近年来在生物医学与高性能医疗器械注射成形的获奖不锈钢产品。

表16 生物医学与高性能医疗器械美国近年来获奖的注射成形不锈钢产品

总之,高端制造业中,形状特别复杂、精度要求特别高、产量非常大(以100万件计)、其他工艺难以生产或者虽能生产但成品率非常低材料消耗量大、重量较轻的零部件,注射成形工艺是最佳的选择。

3.10 农机装备

3.10.1 概述

农业是国民经济的基础,解决好农业、农村、农民问题是工作重中之重。我国人口的约15%从事农业生产而美国约占2%,除了农作物品种优良、水利到位、科学合理使用复合肥料以外,在大片农田上实现高度的农业机械化、自动化,肯定也是重要的技术措施。

农机设备涉及面很广,诸如农机动力拖拉机、深耕机与耙平机、不同类型播种机(包括插秧机)、不同类型收割机与脱粒机、粮食烘干机等。

拖拉机生产所需要的钢铁材料与载重汽车大致相似,但农机生产所需要的工程机械用钢、低合金耐候钢、沿海地区耐海洋大气腐蚀钢、关键部件用不锈钢也是不可或缺的钢类。

为了建设现代化农业,为了减少、降低农业工人的劳动强度,为了提高农产品生产效力,降低农产品价格,必须大力发展农业机械化、自动化所需大量的农机装备和其使用的钢铁材料。

3.10.2 农机装备用钢

3.10.2.1 拖拉机用不锈耐热钢

(1)内燃机进气阀用4Cr10Si2Mo、9Cr18Mo2 V钢。

(2)内燃机排气阀用4Cr 9Si2 、4Cr10Si2 Mo、2Cr18 Ni9、Cr13Ni9Si2钢。

(3)阀门弹簧用不锈耐热钢。

3.10.2.2 农业机械用不锈钢

(1)耐土壤磨蚀机械用2Cr13、3Cr13、4Cr13马氏体不锈钢。

(2)喷洒农药机械用经济不锈钢。

经常使用的不锈钢有0Cr13、0Cr17Ti、0Cr18 Ni9及00Cr18Ni12 MoTi等。

3.10.2.3 粮食烘烤设备用不锈钢

经常使用的不锈耐热钢有05Cr18 Ni9 Si2.5及00Cr18 Ni13Si3等。

4 结束语

中国是名副其实的制造大国,因为几十种产品不论是数量或是产值均占世界第一位,但是这些产品多数为中、低档产品,为数量效益型产品,为没有自己独立知识产权的产品。

中国工程院发布了《2015年度中国制造强国发展指数》,分析了9国2012~2014年制造强国指数,前三名是美国、日本、德国,中国排名第四,与韩国、法国、英国共列第二梯队。成为制造强国的主要标志,是质量效益指数在综合指数中的比重占绝对优势,而中国质量效益、结构优化及持续发展三项指数的占比仅在15%左右。

为了使中国制造强国指数中的质量效益指数在综合指数中的比重占绝对优势,就要大力研究、发展和推广智能制造核心技术,把中国制造由产量效益型变为质量效益型,其中采用包括不锈钢在内的先进钢铁材料势在必行,因为材料是社会发展的物质基础和先导,是国民经济、国防军工发展的支撑,是中国制造由制造大国变为制造强国的不可或缺的重要支撑技术。

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