1　前言

鋼鐵界通常把軸承鋼的質(zhì)量水平視為特殊鋼生產(chǎn)技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量水平的重要標(biāo)志。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，中國軸承行業(yè)已形成2000多億元的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，對(duì)軸承鋼的需求量也達(dá)到了約370萬噸/年。我國軸承鋼品種以GCr15、GCr15SiMn鋼為主，占市場(chǎng)銷售量的95%以上，呈現(xiàn)出品種單一的特點(diǎn)；同時(shí)軸承產(chǎn)品也以低端軸承和中小型軸承為主，與國外高端軸承和大型軸承等高附加值軸承相比，存在較大差距。重大裝備用軸承產(chǎn)品一直以來制約著我國高端裝備制造業(yè)的發(fā)展，國務(wù)院提出的16個(gè)重大技術(shù)裝備關(guān)鍵領(lǐng)域，15個(gè)都與軸承相關(guān)，這充分說明了我國在高端軸承制造方面的短板。

2　高端軸承鋼的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

2.1高速鐵路客車軸承鋼的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

時(shí)速160km以上的鐵路軸承均為進(jìn)口軸承，地鐵軸承也均以國外進(jìn)口軸承為主。目前，我國生產(chǎn)時(shí)速160km及以下的鐵路軸承鋼均采用電渣重熔工藝，主要是基于產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性考慮。隨著我國煉鋼技術(shù)水平的提升，純凈度控制和質(zhì)量穩(wěn)定性有了較大改善，鑒于國外真空脫氣軸承鋼在軌道交通領(lǐng)域的成功應(yīng)用，國內(nèi)部分企業(yè)經(jīng)過CRCC批準(zhǔn)，正在進(jìn)行真空脫氣鋼在鐵路貨車軸承上的小批量應(yīng)用試驗(yàn)。

我國高鐵軸承材料的研發(fā)仍停留于臺(tái)架測(cè)試階段，盡管目前部分臺(tái)架測(cè)試已完成，且試驗(yàn)結(jié)果已滿足時(shí)速250km高鐵軸承的指標(biāo)要求，但由于各種原因仍未進(jìn)行裝車路試。

2.2航空航天用高端軸承鋼的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵基礎(chǔ)件的主軸軸承和齒輪，其壽命、可靠性與國外相比，存在較大差距，已成為制約我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要因素之一。

目前，國內(nèi)批量生產(chǎn)用于航空、航天關(guān)鍵部件的軸承鋼產(chǎn)品的特鋼生產(chǎn)企業(yè)不超過4家，其中撫順特鋼生產(chǎn)的航空、航天軸承鋼的品種及規(guī)格Z為齊全，可生產(chǎn)M50Nil、W9Cr4V2Mo等全系列航空軸承鋼產(chǎn)品。另外，X30、CSS-42L等牌號(hào)的產(chǎn)品正處于與相關(guān)科研院所合作研發(fā)中。國內(nèi)高端航空、航天軸承材料已呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的局面，因而國內(nèi)應(yīng)進(jìn)一步加大高端航空、航天軸承鋼材料的生產(chǎn)規(guī)模，也應(yīng)進(jìn)一步推動(dòng)中國高功重比、長壽命、高可靠性、耐高溫的航空軸承鋼品種研發(fā)，以助推我國航空航天領(lǐng)域發(fā)展。

2.3風(fēng)電行業(yè)用高端軸承鋼的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

軸承屬于風(fēng)電機(jī)組的核心零部件。風(fēng)電軸承的范圍涉及從葉片、主軸、偏航變槳、變速箱和發(fā)電機(jī)用的所有軸承。由于風(fēng)電設(shè)備一般安裝在環(huán)境惡劣的區(qū)域，安裝、維修十分困難，且維修成本十分高昂，因而對(duì)軸承零件的質(zhì)量要求更加嚴(yán)格。

目前，國內(nèi)風(fēng)電主軸等高端風(fēng)電軸承，仍以采用斯凱孚（SKF）、鐵姆肯（TIMKEN）等化大公司的產(chǎn)品為主。我國洛軸、瓦軸等知名軸承企業(yè)也參與批量生產(chǎn)風(fēng)電軸承產(chǎn)品，但應(yīng)用的部位及軸承配套數(shù)量與國外公司仍有一定差距。在軸承鋼產(chǎn)品方面，國內(nèi)生產(chǎn)風(fēng)電軸承鋼僅有撫順特鋼、大冶特鋼等少數(shù)特鋼企業(yè)，每年需從瑞典奧沃科（OVAKO）、美國鐵姆肯（TIMKEN）等公司進(jìn)口一定量的高端軸承鋼產(chǎn)品，以彌補(bǔ)國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量水平和供應(yīng)能力方面的不足。一直以來，國內(nèi)以GCr15SiMn、G20Cr2Ni4A等品種作為風(fēng)電主軸軸承用原材料，但隨著風(fēng)機(jī)容量的不斷增大，已體現(xiàn)出GCr15SiMn材料淬透性能力不足及G20Cr2Ni4A成本較高的問題。而國外企業(yè)已經(jīng)根據(jù)風(fēng)電軸承的應(yīng)用環(huán)境、載荷等使用條件形成了軸承鋼產(chǎn)品的系列化，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下成本也大大降低，這些都凸顯了我國在軸承材料創(chuàng)新方面的不足。

3　特種冶煉軸承鋼研發(fā)進(jìn)展

在某些領(lǐng)域，隨著真空脫氣鋼實(shí)物質(zhì)量的大幅度提升，出于對(duì)制造成本和其他一些方面因素的考慮，部分特種冶煉軸承鋼被真空脫氣鋼所代替，這符合趨勢(shì)性發(fā)展要求。但在某些特殊領(lǐng)域，特種冶煉軸承鋼的質(zhì)量水平和穩(wěn)定性是真空脫氣鋼無法比擬和替代的。特種冶煉鋼所特有的高真空度、高凝固速度、高渣洗效果等，都是真空脫氣鋼所不具備的。目前，電渣爐、真空感應(yīng)爐、真空自耗爐等先進(jìn)特種冶煉設(shè)備絕大部分為國外進(jìn)口，說明國外對(duì)特種冶煉的重視和特種冶煉產(chǎn)品的較大需求。真空脫氣完全替代電渣重熔或雙真空工藝冶煉軸承鋼類產(chǎn)品是不現(xiàn)實(shí)的。因而，國內(nèi)的特鋼企業(yè)也需進(jìn)一步加大特種設(shè)備投入力度，以進(jìn)一步提高我國特種軸承鋼、高端材料的生產(chǎn)能力。下面以撫順特鋼電渣重熔工藝冶煉的ZGCr15鋼為例，對(duì)在特種冶煉軸承鋼方面取得的一些進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

3.1化學(xué)成分控制

化學(xué)成分控制方面，對(duì)于殘余及有害元素等均有明確的內(nèi)控要求。同時(shí)精準(zhǔn)控制鋁、氮含量，保證成品鋁氮比，有助于晶粒細(xì)化；電極高控鋁，減少電渣過程吸氧量；對(duì)于銅、鎳殘余元素，充分挖掘其有益作用，在滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下將其控制在一定范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高鋼材的淬透性、抗大氣腐蝕性和沖擊韌性。另外，設(shè)計(jì)成分時(shí)，充分考慮用戶?訂貨規(guī)格、加工用途等信息，以制定出合理的成分控制方案，防止因成分設(shè)計(jì)導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 電極質(zhì)量控制

電渣錠的質(zhì)量好壞很大程度上取決于電極質(zhì)量水平，因此母電極的制備過程尤為重要。原材料方面，選用優(yōu)質(zhì)廢鋼、高純合金料等優(yōu)質(zhì)原料。冶煉工藝方面，控制初煉爐出鋼氧含量和殘余元素含量；優(yōu)化精煉渣系組成，保證足夠的白渣時(shí)間；控制VD真空度，降低鋼液氣體含量；控制氬氣軟吹強(qiáng)度和時(shí)間，使鋼液中夾雜物充分上浮，提高鋼液純凈度。澆注工藝方面，執(zhí)行低溫澆注，減少成分偏析；采用模鑄電極，以保證電極內(nèi)部致密性，有助于電渣過程重熔參數(shù)的穩(wěn)定控制。

3.3重熔工藝控制

采用專用預(yù)熔渣代替生渣，控制加渣速度及造渣工藝，使渣料去除夾雜的效果達(dá)到Z佳。對(duì)電渣重熔工藝進(jìn)行優(yōu)化，控制穩(wěn)定的熔速和渣池狀態(tài)，保證鋼滴的渣洗效果；控制結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度，使電渣鋼液快速凝固成錠，減少碳化物偏析；根據(jù)錠型大小，建立個(gè)性化的充填工藝，減少電渣錠縮孔深度。

3.4加熱和軋制控制

工業(yè)大生產(chǎn)情況下，鋼錠或鋼坯不可能沒有樹枝偏析，因而需重點(diǎn)采用高溫?cái)U(kuò)散工藝消除碳化物液析和減輕碳化物條帶。試驗(yàn)表明，隨著擴(kuò)散溫度的升高，碳的擴(kuò)散系數(shù)顯著增大，因此通過控制高溫?cái)U(kuò)散溫度和時(shí)間使碳化物快速擴(kuò)散。碳化物網(wǎng)狀重點(diǎn)通過變形終止溫度、變形后的冷卻速度以及冷卻終止溫度的精準(zhǔn)控制來加以改善。

通過上述措施的實(shí)施，撫順特鋼生產(chǎn)的軍甲-61標(biāo)準(zhǔn)軸承鋼，其純凈度、碳化物、低倍水平等各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。并未因執(zhí)行60年前制定的標(biāo)準(zhǔn)，而使產(chǎn)品的先進(jìn)性和穩(wěn)定性落后，相反該標(biāo)準(zhǔn)和材料被國內(nèi)特殊鋼用戶廣泛認(rèn)可。目前，撫順特鋼軍甲-61標(biāo)準(zhǔn)軸承鋼市場(chǎng)占有率達(dá)80%以上，長期為我國某些重點(diǎn)領(lǐng)域的特殊軸承部件配套。

4　提高軸承疲勞壽命方面的措施

軸承是承受載荷、傳遞運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵機(jī)器零件?，F(xiàn)代設(shè)備制造業(yè)不斷增加功率密度帶來的挑戰(zhàn)，對(duì)軸承的承載能力和可靠性提出了更高的要求。然而，在特定應(yīng)用中的軸承會(huì)過早失效，其使用壽命只占計(jì)算的額定壽命的5%-10%。許多早期失效的軸承都有一個(gè)典型的特征——出現(xiàn)帶“白蝕形貌”的大面積表面下裂紋網(wǎng)絡(luò)，即白蝕裂紋。

產(chǎn)生白蝕裂紋的影響因素較多，包括原材料、軸承設(shè)計(jì)、潤滑、應(yīng)力、表面等多個(gè)方面。其中作為原材料的軸承鋼，其成分設(shè)計(jì)、純凈度、碳化物、內(nèi)部孔隙等控制不當(dāng)都會(huì)引起白蝕裂紋而造成軸承的早期失效。為了獲得高且穩(wěn)定的疲勞壽命，軸承鋼生產(chǎn)過程要做好以下幾方面工作：

1）根據(jù)軸承的應(yīng)用環(huán)境和特點(diǎn)，選擇、設(shè)計(jì)合適的軸承鋼品種，建立化學(xué)成分內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)控制殘余和有害元素含量。

2）通過初煉爐出鋼氧含量控制、下渣量控制、渣系成分控制、精煉和澆注過程控制等措施，提升軸承鋼的氧含量、非金屬夾雜物等純凈度指標(biāo)。

3）根據(jù)不同的碳化物質(zhì)量要求，選擇真空脫氣、電渣、自耗等不同的冶煉工藝，獲得相應(yīng)等級(jí)的碳化物水平。同時(shí)做好注溫注速控制、高溫?cái)U(kuò)散等多方面工藝優(yōu)化工作，進(jìn)一步改善碳化物顆粒的大小及分布，減少微觀結(jié)構(gòu)變化帶來的殘余應(yīng)力造成軸承疲勞壽命降低的風(fēng)險(xiǎn)。

4）對(duì)滾動(dòng)體而言，由于后續(xù)在軸承制造過程中不再進(jìn)行任何的熱加工變形處理，軸承鋼材內(nèi)部顯微孔隙的控制更顯得尤為重要。在生產(chǎn)過程中，需重點(diǎn)關(guān)注加工方式、加工比、加熱制度等方面的控制。

5）建立完善的軸承鋼材檢驗(yàn)體系，一方面，要制定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)室取制樣檢驗(yàn)方案，充分利用實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)能力，客觀評(píng)價(jià)每個(gè)爐次的實(shí)物質(zhì)量水平，同時(shí)做好高頻水浸探傷檢測(cè)、Z大極值法檢測(cè)等新方法的推廣應(yīng)用；另一方面，充分利用現(xiàn)場(chǎng)表面和內(nèi)部自動(dòng)化探傷設(shè)備，杜絕缺陷鋼材的流出。通過上述措施的實(shí)施，提升產(chǎn)品質(zhì)量水平和質(zhì)量穩(wěn)定性，從而減少由于原材料原因?qū)е碌妮S承白蝕裂紋缺陷。

5　提升我國軸承和軸承鋼制造水平的建議

隨著我國軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)化工作的持續(xù)推進(jìn)，經(jīng)過近60余年發(fā)展，及通過企業(yè)內(nèi)部創(chuàng)新、工藝優(yōu)化、裝備革新，我國軸承鋼氧含量、純凈度、碳化物等控制水平均取得了顯著進(jìn)步，同時(shí)我國部分企業(yè)生產(chǎn)的高溫軸承鋼、高碳鉻軸承鋼等產(chǎn)品達(dá)到了先進(jìn)水平。但是我國在軸承鋼成分設(shè)計(jì)、產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化等方面與國外還存在較大差距，如品種、牌號(hào)單一，針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域沒有對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行系列化細(xì)分等。另外，由于從原材料設(shè)計(jì)到軸承制造再到應(yīng)用，整個(gè)過程周期長、費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)大，導(dǎo)致試驗(yàn)性和開創(chuàng)性的工作不多，無法打造適合自己的具有中國特色的軸承鋼和軸承產(chǎn)品體系。

軸承的生產(chǎn)制造是一?系統(tǒng)工程，每一個(gè)環(huán)節(jié)和步驟都至關(guān)重要。因此，我國在軸承鋼成分設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，軸承制造、熱處理、加工裝配等各方面，要建立從原材料設(shè)計(jì)到軸承試驗(yàn)應(yīng)用的全流程創(chuàng)新平臺(tái)，進(jìn)行軸承的試驗(yàn)研發(fā)和原創(chuàng)性工作，來打造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)軸承鋼、軸承系列產(chǎn)品，不斷提升我國軸承制造水平，進(jìn)一步打破國外對(duì)高端軸承的壟斷。（東北特殊鋼集團(tuán)副總工程師 李濤/軸承鋼室主任 馬永強(qiáng)）

（來源：世界金屬導(dǎo)報(bào)）