西工大破解行业难题突破高端轴承钢“卡脖子”技术

　　制作高铁轴承的材料就是素有“钢中之王”称号的轴承钢，它是高铁冶炼中要求最严格的钢种之一。而如何锻造出“高纯净度”和“高均匀性”的轴承钢，将钢中含氧量控制在最低，一直是我国钢铁企业面临的难题。

　　近年，西北工业大学材料学院刘东教授和其团队研发的强力旋轧技术（PTR），打破国外巨头技术垄断，突破我国轴承钢“卡脖子”技术，破解行业难题。

　　1.小零件的大难题

　　轴承的工作环境严峻而复杂，不仅需要高速稳定的旋转，而且还要承受强力的挤压、摩擦，甚至超高温的历练。因而对轴承钢的质量和可靠性提出了更为严苛的要求。

　　与传统技术相比，PTR技术可得到更为细小弥散的碳化物

　　轴承钢的质量如何提升？刘东教授告诉我们，一是内部足够纯净，夹杂物质越少越好；二是足够均匀，材料内的颗粒物尽量细小、弥散。

　　"令人遗憾的是，一直以来，我国所生产的轴承钢质量与国际先进水平有较大差距。以夹杂物为例，国外产品夹杂物尺寸完全小于等于10μm，而国内最大粒径达到50-52μm，大小相差五倍之多。”

　　很多企业无法从国内厂家寻求到符合高使用需求的轴承钢，不得不花高价进口。高端轴承钢的研发、制造与销售长期被美国、瑞典等国的轴承巨头所垄断，核心技术更是被严密封锁。

　　这也就意味着，我们每制造一套产品就需要向国外买一次轴承。

　　2.“十年磨一剑”，难题终攻克

　　秉持着从“钢铁大国”发展为“钢铁强国”的梦想，刘东教授和其团队一路走来，攻坚克难，他骄傲地告诉记者“经过我们国家几十年的努力，氧含量、夹杂物、偏析等技术问题已经得到有效解决。

　　行业中最后一个老大难——‘碳化物’，也终于被我们团队攻克！”轴承钢属于高碳钢，其含碳量在所有钢中比较高。如果碳化物分布不均匀且呈大块状，就会严重影响质量。

　　刘东教授解释说“就像揉面的时候撒了一把盐，要是面没有揉碎揉匀，那么面里就都是又咸又硬的疙瘩。”“让盐更细小均匀的分布在面里”就是刘东教授和团队追求的目标。

　　3.PTR技术或为汽车制造行业带来新变革

　　据刘东老师介绍，中国轴承行业已形成近2000亿元的行业销售规模，而且每年以12%—15%的速度增长，但生产的轴承还是以中低端轴承和中小型轴承为主。其中汽车轴承占40%左右，强力旋轧技术的出现或将有力改变这一现状。

　　实验室数据显示，运用强力旋轧（PTR）技术，晶粒尺寸由原来的50μm细化至10μm，碳化物尺寸仅为原先的1/10。首次将100年来，一直徘徊在600-700HV的GCr15轴承钢硬度提高至900HV以上，处于世界顶尖水平。除此以外，采用该技术后轴承寿命和可靠性得到大幅度提高，平均寿命达到计算寿命的26倍，可靠性达99.9%。

　　目前，通过PTR技术改性后的轴承钢已在多个项目中得到运用，完全能够满足高端质量要求，将该技术运用到其他材料中，也取得了非常良好的效果，运用于钛合金和高温合金中属于世界首创。

　　“用我们的技术生产出得轴承钢表现非常亮眼，今年，已有多家企业联系了我们，希望我们的技术可以为汽车制造行业带来革新。”谈及未来，刘东教授充满信心，一个崭新而广阔的市场正在等待挖掘。

　　我国轴承在非常艰难的环境中杀出了一个未来，可能现在我国从工业精度来说确实比不上西方，可是随着时间的推移我国的工业会越来越出色，从前几年制定2025工业制造的时候我就知道，中国工业的崛起绝对不是说说而已，而是国家的大力支持。

　　工业并不是比一个轴承的精度，也不是比一个成功的案例，而是一整套工序下来完成的东西和配套的设备与技术，如果我国能做到像日本一样配套流程可以完全自主，那么在未来也没有什么顾虑了。

　　或许有人非常不服气，既然我们自己也能生产，为什么不用国产轴承呢？数据表明，由国外进口的轴承实际寿命为计算寿命的8倍以上，甚至可以达到30倍，可靠性大于98%，而国产轴承寿命却为计算寿命的3倍，最高不过5倍，可靠性为96%左右。

　　这样的轴承或许可以用在一些低端机械，但对于航空、高铁等高要求的零件上，我们不得不选择进口轴承。目前世界前十的轴承厂商中，有五家日本企业和两家德国企业、一家美国企业，这三个国家的高端轴承也属于世界顶尖，中国每年都需要花费十几倍的价钱从德美日大量进口高级轴承。

　　但是也很无奈，别人的高端轴承振幅小、磨损率低、发热少、质量极佳，我国巨大的工业生产需要，每年这样的交易也让许多资金从国人的口袋流向了外国。而外国企业的野心远远不及于此，美国企业甚至到山东建厂，从中国采购低端材质，运用技术做成高端轴承后以十倍价钱转手卖给中国。

　　高端轴承的作用及难点

　　作为机械设备中不可或缺的核心零部件，轴承支撑机械旋转体，降低其摩擦系数，并保证其回转精度。无论飞机、汽车、高铁，还是高精密机床、仪器仪表，都需要轴承。这就对其精度、性能、寿命和可靠性提出了高要求。而在发动机中，轴承一直在“炼狱”中工作，它不仅要以每分钟上万转的速度长时间高速运转，还要承受着各种形式的应力挤压、摩擦与超高温。这对轴承的精度、性能、寿命和可靠性提出了高要求，而决定这四点的关键因素，在于其材质。

　　遗憾的是，虽然我国的制轴工艺已经接近世界顶尖水平，但材质也就是高端轴承用钢几乎全部依赖进口。

　　高端轴承钢的发展情况

　　在滚动轴承的四大组成部分中，除保持器外，内、外套圈、滚动体（滚珠、滚柱或滚针）都是由轴承钢组成，而轴承钢素有“钢中之王”的称号，是钢铁生产中要求最严的钢种。

　　轴承钢也有很多种类，根据使用要求的不同，化学成分也不相同，其中高碳铬轴承钢占很大的比例，是制造轴承和轴承零件最常用钢种。

　　轴承钢的质量主要取决于以下四个因素：一是钢中的夹杂物含量、形态、分布和大小；二是钢中的碳化物含量、形态、分布和大小；三是钢中的中心疏松缩孔和中心偏析；四是轴承钢产品性能的一致性。这四个因素可以归纳为纯净度和均匀性指标。

　　其中，纯净度要求材料中的夹杂物尽量少，纯净度的好坏对轴承的疲劳寿命有直接影响；而均匀性则要求材料中的夹杂物和碳化物颗粒细小、弥散，这会影响到轴承制造中热处理后的变形、组织均匀性等。

　　高端轴承钢中均匀细小的碳化物组织和热处理后均匀分布的细小碳化物

　　提高轴承钢的纯净度，首先要做的就是控制钢中的氧含量，炼钢中用ppm（每百万分之一）来作为氧含量的单位，一般来说8个ppm的钢就属于好钢，而高端轴承所需要的则是5个ppm的顶级钢。

　　目前国产轴承，相比于进口高端轴承，在精度、轴承振动、噪声与异音、可靠性、高速性能方面还有一定差距。

　　超高强度钢是用于制造承受较高应力结构件的一类合金钢。一般屈服强度大于1180MPa，抗拉强度大于1380MPa，这类钢一般具有足够的韧性及较高的比强度和屈强比，还有良好的焊接性和成形性。主要应用航空制造产业，而飞机起落架的制作材料，基本上都是300M超高强度钢！

　　不过今年2月16日报道称：美国政府考虑禁止LEAP-1C大涵道涡扇发动机出口，报道内容指出此举意在封杀C919客机，让C919客机没有发动机可用。这极有可能意味着C919客机被卡脖子，甚至C919大飞机的生命将走向终结，更有甚者称：C919客机将重蹈运10的覆辙。

　　高强度不锈钢及奥氏体不锈钢

　　1高强度不锈钢

　　用于火箭发动机的钢材需具备多种特性，其中高强度是必须满足的重要指标。完全依靠材料自身实现高强度和防锈性能兼备，这是世界性难题。现在，我国航天材料大多用的是国外上世纪六七十年代用的材料，发达国家在生产过程中会严格控制杂质含量，如果纯度不达标，便重新回炉，但国内厂家往往缺乏这种严谨的态度。

　　2奥氏体不锈钢

　　316H奥氏体不锈钢已不折不扣地成为核电装备“卡脖子”材料。

　　日前，鞍钢成功实现四代核电600MW示范快堆项目316H奥氏体不锈钢产品开发，并完成首批合同供货，解决了该产品从无到有的“卡脖子”难题。鞍钢因此成为全球唯一一家全部依靠自身装备生产该产品的企业。

　　目前为止，德国和奥地利是世界上唯一拥有铣刀制作技术的国家，整个欧洲的钢轨维护也是被他们垄断，而我国虽然在不停地研究铣刀的制作技术。但是至今仍未有任何突破，每次提高钢轨的保养，必定少不了铣刀，而每次提到铣刀都让国内的专家们无可奈何。

　　最近今年内，我国已经在加紧对这一项目的攻关，理论上能够有效提高铣刀的强度，有望在今年年底形成中国的铣刀技术。

　　我国合金粉末产品品种依然不足，中低端产品产能过剩和高端、高品位金属粉末依赖进口的矛盾日渐突出。尤其是粉末高温合金和粉末高速钢，目前应用于现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰船和工业燃气轮机的关键热端部件材料（如涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘、燃烧室等）基本依赖进口，“卡脖子”问题日益突出。

　　中国的钢铁产量超过了世界所有国家的总产量之和，占比超过51%。但是我国铁矿资源并不多，主要还是依赖进口。

　　其中最优质的铁矿石来自两个国家，一个是澳大利亚，一个是巴西，其中澳大利亚每年的铁矿石产量占全球的80%。但自从我国进入钢铁市场之后，铁矿价格一路飙升，我国钢铁行业的成本一路飙升。