西工大破解行業(yè)難題突破高端軸承鋼“卡脖子”技術(shù)

　　制作高鐵軸承的材料就是素有“鋼中之王”稱(chēng)號(hào)的軸承鋼，它是高鐵冶煉中要求最嚴(yán)格的鋼種之一。而如何鍛造出“高純凈度”和“高均勻性”的軸承鋼，將鋼中含氧量控制在最低，一直是我國(guó)鋼鐵企業(yè)面臨的難題。

　　近年，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院劉東教授和其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的強(qiáng)力旋軋技術(shù)（PTR），打破國(guó)外巨頭技術(shù)壟斷，突破我國(guó)軸承鋼“卡脖子”技術(shù)，破解行業(yè)難題。

　　1.小零件的大難題

　　軸承的工作環(huán)境嚴(yán)峻而復(fù)雜，不僅需要高速穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，而且還要承受強(qiáng)力的擠壓、摩擦，甚至超高溫的歷練。因而對(duì)軸承鋼的質(zhì)量和可靠性提出了更為嚴(yán)苛的要求。

　　與傳統(tǒng)技術(shù)相比，PTR技術(shù)可得到更為細(xì)小彌散的碳化物

　　軸承鋼的質(zhì)量如何提升？劉東教授告訴我們，一是內(nèi)部足夠純凈，夾雜物質(zhì)越少越好；二是足夠均勻，材料內(nèi)的顆粒物盡量細(xì)小、彌散。

　　"令人遺憾的是，一直以來(lái)，我國(guó)所生產(chǎn)的軸承鋼質(zhì)量與國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距。以?shī)A雜物為例，國(guó)外產(chǎn)品夾雜物尺寸完全小于等于10μm，而國(guó)內(nèi)最大粒徑達(dá)到50-52μm，大小相差五倍之多?！?/p>

　　很多企業(yè)無(wú)法從國(guó)內(nèi)廠家尋求到符合高使用需求的軸承鋼，不得不花高價(jià)進(jìn)口。高端軸承鋼的研發(fā)、制造與銷(xiāo)售長(zhǎng)期被美國(guó)、瑞典等國(guó)的軸承巨頭所壟斷，核心技術(shù)更是被嚴(yán)密封鎖。

　　這也就意味著，我們每制造一套產(chǎn)品就需要向國(guó)外買(mǎi)一次軸承。

　　2.“十年磨一劍”，難題終攻克

　　秉持著從“鋼鐵大國(guó)”發(fā)展為“鋼鐵強(qiáng)國(guó)”的夢(mèng)想，劉東教授和其團(tuán)隊(duì)一路走來(lái)，攻堅(jiān)克難，他驕傲地告訴記者“經(jīng)過(guò)我們國(guó)家?guī)资甑呐Γ鹾?、夾雜物、偏析等技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)得到有效解決。

　　行業(yè)中最后一個(gè)老大難——‘碳化物’，也終于被我們團(tuán)隊(duì)攻克！”軸承鋼屬于高碳鋼，其含碳量在所有鋼中比較高。如果碳化物分布不均勻且呈大塊狀，就會(huì)嚴(yán)重影響質(zhì)量。

　　劉東教授解釋說(shuō)“就像揉面的時(shí)候撒了一把鹽，要是面沒(méi)有揉碎揉勻，那么面里就都是又咸又硬的疙瘩?！薄白岥}更細(xì)小均勻的分布在面里”就是劉東教授和團(tuán)隊(duì)追求的目標(biāo)。

　　3.PTR技術(shù)或?yàn)槠?chē)制造行業(yè)帶來(lái)新變革

　　據(jù)劉東老師介紹，中國(guó)軸承行業(yè)已形成近2000億元的行業(yè)銷(xiāo)售規(guī)模，而且每年以12%—15%的速度增長(zhǎng)，但生產(chǎn)的軸承還是以中低端軸承和中小型軸承為主。其中汽車(chē)軸承占40%左右，強(qiáng)力旋軋技術(shù)的出現(xiàn)或?qū)⒂辛Ω淖冞@一現(xiàn)狀。

　　實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)用強(qiáng)力旋軋（PTR）技術(shù)，晶粒尺寸由原來(lái)的50μm細(xì)化至10μm，碳化物尺寸僅為原先的1/10。首次將100年來(lái)，一直徘徊在600-700HV的GCr15軸承鋼硬度提高至900HV以上，處于世界頂尖水平。除此以外，采用該技術(shù)后軸承壽命和可靠性得到大幅度提高，平均壽命達(dá)到計(jì)算壽命的26倍，可靠性達(dá)99.9%。

　　目前，通過(guò)PTR技術(shù)改性后的軸承鋼已在多個(gè)項(xiàng)目中得到運(yùn)用，完全能夠滿足高端質(zhì)量要求，將該技術(shù)運(yùn)用到其他材料中，也取得了非常良好的效果，運(yùn)用于鈦合金和高溫合金中屬于世界首創(chuàng)。

　　“用我們的技術(shù)生產(chǎn)出得軸承鋼表現(xiàn)非常亮眼，今年，已有多家企業(yè)聯(lián)系了我們，希望我們的技術(shù)可以為汽車(chē)制造行業(yè)帶來(lái)革新?！闭劶拔磥?lái)，劉東教授充滿信心，一個(gè)嶄新而廣闊的市場(chǎng)正在等待挖掘。

　　我國(guó)軸承在非常艱難的環(huán)境中殺出了一個(gè)未來(lái)，可能現(xiàn)在我國(guó)從工業(yè)精度來(lái)說(shuō)確實(shí)比不上西方，可是隨著時(shí)間的推移我國(guó)的工業(yè)會(huì)越來(lái)越出色，從前幾年制定2025工業(yè)制造的時(shí)候我就知道，中國(guó)工業(yè)的崛起絕對(duì)不是說(shuō)說(shuō)而已，而是國(guó)家的大力支持。

　　工業(yè)并不是比一個(gè)軸承的精度，也不是比一個(gè)成功的案例，而是一整套工序下來(lái)完成的東西和配套的設(shè)備與技術(shù)，如果我國(guó)能做到像日本一樣配套流程可以完全自主，那么在未來(lái)也沒(méi)有什么顧慮了。

　　或許有人非常不服氣，既然我們自己也能生產(chǎn)，為什么不用國(guó)產(chǎn)軸承呢？數(shù)據(jù)表明，由國(guó)外進(jìn)口的軸承實(shí)際壽命為計(jì)算壽命的8倍以上，甚至可以達(dá)到30倍，可靠性大于98%，而國(guó)產(chǎn)軸承壽命卻為計(jì)算壽命的3倍，最高不過(guò)5倍，可靠性為96%左右。

　　這樣的軸承或許可以用在一些低端機(jī)械，但對(duì)于航空、高鐵等高要求的零件上，我們不得不選擇進(jìn)口軸承。目前世界前十的軸承廠商中，有五家日本企業(yè)和兩家德國(guó)企業(yè)、一家美國(guó)企業(yè)，這三個(gè)國(guó)家的高端軸承也屬于世界頂尖，中國(guó)每年都需要花費(fèi)十幾倍的價(jià)錢(qián)從德美日大量進(jìn)口高級(jí)軸承。

　　但是也很無(wú)奈，別人的高端軸承振幅小、磨損率低、發(fā)熱少、質(zhì)量極佳，我國(guó)巨大的工業(yè)生產(chǎn)需要，每年這樣的交易也讓許多資金從國(guó)人的口袋流向了外國(guó)。而外國(guó)企業(yè)的野心遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及于此，美國(guó)企業(yè)甚至到山東建廠，從中國(guó)采購(gòu)低端材質(zhì)，運(yùn)用技術(shù)做成高端軸承后以十倍價(jià)錢(qián)轉(zhuǎn)手賣(mài)給中國(guó)。

　　高端軸承的作用及難點(diǎn)

　　作為機(jī)械設(shè)備中不可或缺的核心零部件，軸承支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。無(wú)論飛機(jī)、汽車(chē)、高鐵，還是高精密機(jī)床、儀器儀表，都需要軸承。這就對(duì)其精度、性能、壽命和可靠性提出了高要求。而在發(fā)動(dòng)機(jī)中，軸承一直在“煉獄”中工作，它不僅要以每分鐘上萬(wàn)轉(zhuǎn)的速度長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)，還要承受著各種形式的應(yīng)力擠壓、摩擦與超高溫。這對(duì)軸承的精度、性能、壽命和可靠性提出了高要求，而決定這四點(diǎn)的關(guān)鍵因素，在于其材質(zhì)。

　　遺憾的是，雖然我國(guó)的制軸工藝已經(jīng)接近世界頂尖水平，但材質(zhì)也就是高端軸承用鋼幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口。

　　高端軸承鋼的發(fā)展情況

　　在滾動(dòng)軸承的四大組成部分中，除保持器外，內(nèi)、外套圈、滾動(dòng)體（滾珠、滾柱或滾針）都是由軸承鋼組成，而軸承鋼素有“鋼中之王”的稱(chēng)號(hào)，是鋼鐵生產(chǎn)中要求最嚴(yán)的鋼種。

　　軸承鋼也有很多種類(lèi)，根據(jù)使用要求的不同，化學(xué)成分也不相同，其中高碳鉻軸承鋼占很大的比例，是制造軸承和軸承零件最常用鋼種。

　　軸承鋼的質(zhì)量主要取決于以下四個(gè)因素：一是鋼中的夾雜物含量、形態(tài)、分布和大??；二是鋼中的碳化物含量、形態(tài)、分布和大?。蝗卿撝械闹行氖杷煽s孔和中心偏析；四是軸承鋼產(chǎn)品性能的一致性。這四個(gè)因素可以歸納為純凈度和均勻性指標(biāo)。

　　其中，純凈度要求材料中的夾雜物盡量少，純凈度的好壞對(duì)軸承的疲勞壽命有直接影響；而均勻性則要求材料中的夾雜物和碳化物顆粒細(xì)小、彌散，這會(huì)影響到軸承制造中熱處理后的變形、組織均勻性等。

　　高端軸承鋼中均勻細(xì)小的碳化物組織和熱處理后均勻分布的細(xì)小碳化物

　　提高軸承鋼的純凈度，首先要做的就是控制鋼中的氧含量，煉鋼中用ppm（每百萬(wàn)分之一）來(lái)作為氧含量的單位，一般來(lái)說(shuō)8個(gè)ppm的鋼就屬于好鋼，而高端軸承所需要的則是5個(gè)ppm的頂級(jí)鋼。

　　目前國(guó)產(chǎn)軸承，相比于進(jìn)口高端軸承，在精度、軸承振動(dòng)、噪聲與異音、可靠性、高速性能方面還有一定差距。

　　超高強(qiáng)度鋼是用于制造承受較高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件的一類(lèi)合金鋼。一般屈服強(qiáng)度大于1180MPa，抗拉強(qiáng)度大于1380MPa，這類(lèi)鋼一般具有足夠的韌性及較高的比強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，還有良好的焊接性和成形性。主要應(yīng)用航空制造產(chǎn)業(yè)，而飛機(jī)起落架的制作材料，基本上都是300M超高強(qiáng)度鋼！

　　不過(guò)今年2月16日?qǐng)?bào)道稱(chēng)：美國(guó)政府考慮禁止LEAP-1C大涵道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)出口，報(bào)道內(nèi)容指出此舉意在封殺C919客機(jī)，讓C919客機(jī)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)可用。這極有可能意味著C919客機(jī)被卡脖子，甚至C919大飛機(jī)的生命將走向終結(jié)，更有甚者稱(chēng)：C919客機(jī)將重蹈運(yùn)10的覆轍。

　　高強(qiáng)度不銹鋼及奧氏體不銹鋼

　　1高強(qiáng)度不銹鋼

　　用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的鋼材需具備多種特性，其中高強(qiáng)度是必須滿足的重要指標(biāo)。完全依靠材料自身實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和防銹性能兼?zhèn)洌@是世界性難題?，F(xiàn)在，我國(guó)航天材料大多用的是國(guó)外上世紀(jì)六七十年代用的材料，發(fā)達(dá)國(guó)家在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，如果純度不達(dá)標(biāo)，便重新回爐，但國(guó)內(nèi)廠家往往缺乏這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

　　2奧氏體不銹鋼

　　316H奧氏體不銹鋼已不折不扣地成為核電裝備“卡脖子”材料。

　　日前，鞍鋼成功實(shí)現(xiàn)四代核電600MW示范快堆項(xiàng)目316H奧氏體不銹鋼產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，并完成首批合同供貨，解決了該產(chǎn)品從無(wú)到有的“卡脖子”難題。鞍鋼因此成為全球唯一一家全部依靠自身裝備生產(chǎn)該產(chǎn)品的企業(yè)。

　　目前為止，德國(guó)和奧地利是世界上唯一擁有銑刀制作技術(shù)的國(guó)家，整個(gè)歐洲的鋼軌維護(hù)也是被他們壟斷，而我國(guó)雖然在不停地研究銑刀的制作技術(shù)。但是至今仍未有任何突破，每次提高鋼軌的保養(yǎng)，必定少不了銑刀，而每次提到銑刀都讓國(guó)內(nèi)的專(zhuān)家們無(wú)可奈何。

　　最近今年內(nèi)，我國(guó)已經(jīng)在加緊對(duì)這一項(xiàng)目的攻關(guān)，理論上能夠有效提高銑刀的強(qiáng)度，有望在今年年底形成中國(guó)的銑刀技術(shù)。

　　我國(guó)合金粉末產(chǎn)品品種依然不足，中低端產(chǎn)品產(chǎn)能過(guò)剩和高端、高品位金屬粉末依賴(lài)進(jìn)口的矛盾日漸突出。尤其是粉末高溫合金和粉末高速鋼，目前應(yīng)用于現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵熱端部件材料（如渦輪葉片、導(dǎo)向器葉片、渦輪盤(pán)、燃燒室等）基本依賴(lài)進(jìn)口，“卡脖子”問(wèn)題日益突出。

　　中國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量超過(guò)了世界所有國(guó)家的總產(chǎn)量之和，占比超過(guò)51%。但是我國(guó)鐵礦資源并不多，主要還是依賴(lài)進(jìn)口。

　　其中最優(yōu)質(zhì)的鐵礦石來(lái)自?xún)蓚€(gè)國(guó)家，一個(gè)是澳大利亞，一個(gè)是巴西，其中澳大利亞每年的鐵礦石產(chǎn)量占全球的80%。但自從我國(guó)進(jìn)入鋼鐵市場(chǎng)之后，鐵礦價(jià)格一路飆升，我國(guó)鋼鐵行業(yè)的成本一路飆升。