1. 背景
从20世纪下半叶开始，低温技术得到了迅速发展，天然气、氢、氦等气体的液化达到工业化应用规模，大型制冷、低温超导、低温装备、空间低温工程等技术领域进入实用化阶段。为保证低温装备能长期安全运行，所用结构材料需在极低的环境温度下也具有足够优秀的力学性能，在此背景下，低温钢技术得到了长足的发展，9％Ni钢就是其中一个典型代表。
采用液氮制冷的大型空间低温试验工程的低温运行环境下，主要部件在最低至近-200℃的极端低温环境下运行。大型低温轴流压缩机（简称低温压缩机）是大型空间低温试验工程的心脏设备，是保证整个设备安全运行的核心主设备，运行于超低温环境，最高转速超过1000rpm，且启停频率较高。低温压缩机转子由主轴、轮毂、叶轮、中间轴等锻件组成，性能要求极高，例如轮毂不仅要承受低温环境因素的影响，还需要承受高速旋转产生的离心力和激振力，而主轴是低温压缩机的核心部件，不仅要具有高的综合机械性能，还应根据实际服役条件相应具备极端低温状态下的良好的力学特性。锻件的性能是确保低温压缩机其在极端低温环境下长期稳定运行的关键因素。
目前，9％Ni钢主要应用于厚度不超过50mm制造液化天然气（LNG）储罐、液化天然气（LNG）船舶等低温压力容器用钢板，最大截面尺寸不超过125mm锻造或轧制的法兰、管配件、阀门等低温环境用部件，少量应用于低温工况下的较小尺寸的风机主轴等。为满足大型低温设备设计和建造需求，国外企业专门开发了300mm壁厚的改良型9％Ni钢大型锻件。
参考国际同类领先设备的设计，中国建设的低温压缩机主要结构材料选用了具有较高强度水平和极佳低温韧性的9％Ni钢，并根据工况需求提出了一系列极为苛刻的材料技术指标。上海电气上重铸锻有限公司和中国钢研科技集团有限公司合作，成功开发出最大壁厚达到1000mm等级的大型9％Ni钢锻件。
目前，9％Ni钢板材标准较为成熟，中国和欧美后发布了相应的标准。9％Ni钢锻件标准化工作较板材落后一些，中国已发布的低温钢锻件相关材料标准尚未提及9％Ni钢。9％Ni钢锻件标准在国内尚属空白领域，而9％Ni钢大锻件标准，在全球范围也属于空白领域。而随着国内先进装备制造业的发展，高品质9％Ni钢锻件的需求越来越多。由于无成熟的材料规范可用，设计选材、锻件制造等工作往往只能按科研试制方式推进。故亟待编制科学、合理、可贯性强的专项产品行业标准，以指导低温环境下大型9％Ni钢锻件订货、制造和检验，提升制造质量水平。
2. 目的和意义
本标准制定将填补低温环境用9％Ni大锻件制造标准空白，根据大锻件的特点，通过成分范围优化，创新和细化冶炼、锻造和热处理工艺，保证厚截面9％Ni钢大锻件也具有足够优秀的性能，规范力学性能检验取样，确保试样性能的代表性，使9％Ni钢大锻件批量制造质量得到有效控制，为低温环境下的技术装备选材、订货、制造和检验提供关键材料支撑，助力我国高端装备制造事业的发展，也有利于提升相关装备产品和锻件材料的国际竞争力。
3. 本标准是大型铸锻件标准体系中的重点项目
急迫性
《装备制造业标准化和质量提升规划》提出以航空航天装备、海洋工程装备、大型成套技术装备等对关键原材料和核心基础零部件的需求为重点，推进新工艺、新材料、新技术的应用，提高装备质量水平。《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2019版）》提到“9、民用航空、航天装备-9.12民用航空航天装备试验检测装置”。本标准属于规划提出的关键基础材料标准，本标准制定将为航空航天科技所需战略性重大科研装备研制提供有力保障。
创新性
本标准涉及的9％Ni材料为自主研发，通过制订本标准有利于推广近年相关材料的科研创新成果，推动低温环境用大型9％Ni钢锻件质量提升和大型铸锻件行业技术进步。
本标准的核心创新内容如下：
1）集合全部热工艺过程的融合技术。针对9％Ni钢大锻件的运行使用环境条件和大规格锻件特点，对冶炼、铸锭、锻造、热处理等锻件制造全部热工过程进行集合，通过融合的技术手段来提升最终的技术指标，确保9％Ni钢大锻件材料可靠性。
2）优化设计化学成分。优化合金元素配方，显著提高9％Ni钢大锻件淬透性；控制杂质及有害元素含量，提高材料纯净度，确保低温环境下锻件优良的强韧性配比。
3）增加金相检验控制。极端低温下大锻件力学性能对非金属夹杂物更为敏感，故对于高品质的低温环境用大锻件需严格控制其非金属夹杂物含量。在极端低温环境下承受高速旋转产生的离心力和激振力的大锻件，需通过晶粒度调控来实现大锻件的无损检测可探性，确保锻件内部质量。
4）明确关键工艺控制。锻件用钢应采用真空感应或电渣重熔工艺冶炼，确保钢水的纯净度及均匀性。优化锻造、热处理工艺参数，规范热工艺执行过程，确保锻件获得优良的力学性能。
5）提升综合性能。通过化学成分优化设计、增加金相检验项目、明确关键制造工艺过程控制，确保9％Ni钢大锻件综合力学性能。规定在9％Ni钢锻件心部位置取样，确保取试的代表性。
国际性：
本标准达到国内领先水平，主要技术指标优于ASTM A522《低温工作用锻制或轧制含镍8%和9%的合金钢法兰、配件、阀门和零件的标准规格》同类标准的相关材料的技术指标，有利于提升低温环境用9％Ni钢大锻件产品的国际竞争力。