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)技術水平和產(chǎn)品質(zhì)量水平的重要標志。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，中國軸承行業(yè)已形成2000多億元的經(jīng)濟規(guī)模，對軸承鋼的需求量也達到了約370萬噸/年。我國軸承鋼品種以GCr15、GCr15SiMn鋼為主，占市場銷售量的95%以上，呈現(xiàn)出品種單一的特點；同時軸承產(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，國務院提出的16個重大技術裝備關鍵領域，15個都與軸承相關，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

2.1高速鐵路客車軸承鋼的研究現(xiàn)狀與趨勢

時速160km以上的鐵路軸承均為進口軸承，地鐵軸承也均以國外進口軸承為主。目前，我國生產(chǎn)時速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域的成功應用，國內(nèi)部分企業(yè)經(jīng)過CRCC批準，正在進行真空脫氣鋼在鐵路貨車軸承上的小批量應用試驗。

我國高鐵軸承材料的研發(fā)仍停留于臺架測試階段，盡管目前部分臺架測試已完成，且試驗結果已滿足時速250km高鐵軸承的指標要求，但由于各種原因仍未進行裝車路試。

2.2航空航天用高端軸承鋼的研究現(xiàn)狀及趨勢

作為航空發(fā)動機關鍵基礎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)動機發(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等牌號的產(chǎn)品正處于與相關科研院所合作研發(fā)中。國內(nèi)高端航空、航天軸承材料已呈現(xiàn)出供不應求的局面，因而國內(nèi)應進一步加大高端航空、航天軸承鋼材料的生產(chǎn)規(guī)模，也應進一步推動中國高功重比、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域發(fā)展。

2.3風電行業(yè)用高端軸承鋼的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

軸承屬于風電機組的核心零部件。風電軸承的范圍涉及從葉片、主軸、偏航變槳、變速箱和發(fā)電機用的所有軸承。由于風電設備一般安裝在環(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，因而對軸承零件的質(zhì)量要求更加嚴格。

目前，國內(nèi)風電主軸等高端風電軸承，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)風電軸承產(chǎn)品，但應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）等公司進口一定量的高端軸承鋼產(chǎn)品，以彌補國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量水平和供應能力方面的不足。一直以來，國內(nèi)以GCr15SiMn、G20Cr2Ni4A等品種作為風電主軸軸承用原材料，但隨著風機容量的不斷增大，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)風電軸承的應用環(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)進展

在某些領域，隨著真空脫氣鋼實物質(zhì)量的大幅度提升，出于對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，這符合趨勢性發(fā)展要求。但在某些特殊領域，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、真空感應爐、真空自耗爐等先進特種冶煉設備絕大部分為國外進口，說明國外對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)實的。因而，國內(nèi)的特鋼企業(yè)也需進一步加大特種設備投入力度，以進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，對在特種冶煉軸承鋼方面取得的一些進展進行簡要論述。

3.1化學成分控制

化學成分控制方面，對于殘余及有害元素等均有明確的內(nèi)控要求。同時精準控制鋁、氮含量，保證成品鋁氮比，有助于晶粒細化；電極高控鋁，減少電渣過程吸氧量；對于銅、鎳殘余元素，充分挖掘其有益作用，在滿足標準的前提下將其控制在一定范圍內(nèi)，進一步提高鋼材的淬透性、抗大氣腐蝕性和沖擊韌性。另外，設計成分時，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，防止因成分設計導致的產(chǎn)品質(zhì)量風險。

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，保證足夠的白渣時間；控制VD真空度，降低鋼液氣體含量；控制氬氣軟吹強度和時間，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到Z佳。對電渣重熔工藝進行優(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；控制結晶器冷卻強度，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，因而需重點采用高溫擴散工藝消除碳化物液析和減輕碳化物條帶。試驗表明，隨著擴散溫度的升高，碳的擴散系數(shù)顯著增大，因此通過控制高溫擴散溫度和時間使碳化物快速擴散。碳化物網(wǎng)狀重點通過變形終止溫度、變形后的冷卻速度以及冷卻終止溫度的精準控制來加以改善。

通過上述措施的實施，撫順特鋼生產(chǎn)的軍甲-61標準軸承鋼，其純凈度、碳化物、低倍水平等各項指標都達到了國內(nèi)領先水平。并未因執(zhí)行60年前制定的標準，而使產(chǎn)品的先進性和穩(wěn)定性落后，相反該標準和材料被國內(nèi)特殊鋼用戶廣泛認可。目前，撫順特鋼軍甲-61標準軸承鋼市場占有率達80%以上，長期為我國某些重點領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、傳遞運動的關鍵機器零件。現(xiàn)代設備制造業(yè)不斷增加功率密度帶來的挑戰(zhàn)，對軸承的承載能力和可靠性提出了更高的要求。然而，在特定應用中的軸承會過早失效，其使用壽命只占計算的額定壽命的5%-10%。許多早期失效的軸承都有一個典型的特征——出現(xiàn)帶“白蝕形貌”的大面積表面下裂紋網(wǎng)絡，即白蝕裂紋。

產(chǎn)生白蝕裂紋的影響因素較多，包括原材料、軸承設計、潤滑、應力、表面等多個方面。其中作為原材料的軸承鋼，其成分設計、純凈度、碳化物、內(nèi)部孔隙等控制不當都會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)軸承的應用環(huán)境和特點，選擇、設計合適的軸承鋼品種，建立化學成分內(nèi)控標準，重點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。

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，獲得相應等級的碳化物水平。同時做好注溫注速控制、高溫擴散等多方面工藝優(yōu)化工作，進一步改善碳化物顆粒的大小及分布，減少微觀結構變化帶來的殘余應力造成軸承疲勞壽命降低的風險。

4）對滾動體而言，由于后續(xù)在軸承制造過程中不再進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，需重點關注加工方式、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體系，一方面，要制定詳細的實驗室取制樣檢驗方案，充分利用實驗室檢測能力，客觀評價每個爐次的實物質(zhì)量水平，同時做好高頻水浸探傷檢測、Z大極值法檢測等新方法的推廣應用；另一方面，充分利用現(xiàn)場表面和內(nèi)部自動化探傷設備，杜絕缺陷鋼材的流出。通過上述措施的實施，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

隨著我國軸承鋼標準化工作的持續(xù)推進，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步，同時我國部分企業(yè)生產(chǎn)的高溫軸承鋼、高碳鉻軸承鋼等產(chǎn)品達到了先進水平。但是我國在軸承鋼成分設計、產(chǎn)品系列化、標準化等方面與國外還存在較大差距，如品種、牌號單一，針對不同應用領域沒有對產(chǎn)品進行系列化細分等。另外，由于從原材料設計到軸承制造再到應用，整個過程周期長、費用高、風險大，導致試驗性和開創(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，每一個環(huán)節(jié)和步驟都至關重要。因此，我國在軸承鋼成分設計、生產(chǎn)，軸承制造、熱處理、加工裝配等各方面，要建立從原材料設計到軸承試驗應用的全流程創(chuàng)新平臺，進行軸承的試驗研發(fā)和原創(chuàng)性工作，來打造具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)軸承鋼、軸承系列產(chǎn)品，不斷提升我國軸承制造水平，進一步打破國外對高端軸承的壟斷。（東北特殊鋼集團副總工程師 李濤/軸承鋼室主任 馬永強）

（來源：世界金屬導報）