“轴承钢”专题之七｜我国高端轴承钢的研发进展
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'轴承钢全产业链高质量发展'专题之七
我国高端轴承钢的研发进展
本专题由中信泰富特钢集团协办
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高端轴承钢现状
轴承是国家重大技术装备的关键零部件。近30年来，我国通过引进、消化和吸收，实现了大部分高端装备的国产化，但高端装备用高可靠性、长寿命轴承的国产化尚未完全解决。目前，国产关键轴承与日本、欧美等先进国家同类产品相比，在使用寿命、可靠性与承载能力等使用条件方面存在较大差距，特别是高速铁路轴承、高端冶金轧机轴承、风电装备及其他工业领域用的关键轴承，成为制约中国装备制造业发展的一大瓶颈。尤其在高速铁路行业上，目前，高速铁路配套轴承市场仍被国外轴承制造企业垄断，严重制约了国内高速铁路产业的快速发展，亟待实现国产化。
轴承质量除了受轴承结构设计、制造精度的影响外，轴承用钢更是关键，其对轴承产品的质量、使用寿命和可靠性能具有至关重要的作用。就目前国内轴承钢生产企业而言，仅有几家企业的轴承钢质量得到世界知名轴承制造公司的认证，或者允许这些企业向其在中国运营的轴承制造厂供应轴承钢从而制成轴承零件。国内不少轴承钢生产企业的产品附加值较低，结果导致目前国内轴承钢市场的现状是附加值低的产品供大于求，而高端轴承钢又依赖进口。
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兴澄特钢高端轴承钢的研发进展
从手工业联社走出来的江阴兴澄特种钢铁有限公司（以下简称：兴澄特钢），经过几十年艰苦卓绝的发展，目前，该公司的轴承钢产品不仅供给人本、万向、洛轴、瓦轴等国内大型轴承公司，而且主要供给斯凯孚（SKF）、舍弗勒（Schaeffler）、NSK、NTN、JTEKT、SNR等几乎所有的跨国轴承集团，是国内外知名轴承制造公司的主要供应商之一，并获得了SKF、Schaeffler等多家公司授予的“最佳供应商”、“最佳质量奖”称号。除供应国内市场外，轴承钢产品还出口到德国、法国、日本、美国等18个国家和地区，高端轴承钢直接或间接出口量超过总销量的50%。2019年兴澄特钢轴承钢年销售总量超80万吨，连续十年全球第一，提升了中国轴承钢的美誉度。
近年来，针对高端轴承钢产品，特别是应用于使用条件苛刻的重载、高速轴承领域，包括风力发电的主轴轴承和增速器轴承、冶金轧机轴承、轨道交通用轴承、精密仪器轴承、盾构机轴承等，兴澄特钢加大研发投入，从事超纯净和高稳定性轴承钢的冶金质量与接触疲劳寿命关系的基础研究，进行改善轴承钢纯净度和均匀性的多项研究并应用于实际生产实践中，轴承钢产品质量进一步提升，高端轴承钢应用领域不断实现突破。期间共取得专利20余项，其中授权发明专利7项，核心专利5项，起草多项国家及行业的轴承钢标准，获得冶金科学技术一等奖一项，多项研发成果实现了国内第一、国际领先，引领世界高端轴承用钢的发展。下面重点介绍兴澄特钢目前在铁路、风电轴承滚动体用钢方面取得的一些研发进展。
2.1 铁路用轴承钢的研发进展
由于我国幅员辽阔，铁路服役条件远比国外服役环境苛刻、复杂，主要表现为连续运行时间长，运行环境温度变化大，轴承需承受车辆的车体重量及载重，还需承受运行中车辆摇摆产生的各个方向的力，即除了承受静态及动态径向载荷外，还承受非恒定的轴向载荷。因此，制造符合我国货车及高铁轴承服役条件的原材料，必须要求高纯净度、均匀性良好的细晶粒轴承钢，并要求材料的抗疲劳性能好，可以承受强烈的冲击载荷。目前我国铁路货车用轴承钢，按原标准要求全部采用电渣重熔工艺生产，而高速铁路用轴承钢，更是全部采用进口材料，大大增加了生产成本。
兴澄特钢是国内第一家采用连铸工艺生产铁路轴承钢的特钢企业。为满足铁路轴承钢高纯净度和高均匀性的要求，兴澄特钢技术人员在产品设计开发过程中敢于创新，与国内外知名科研院所积极合作，形成了超高纯净度轴承钢与夹杂物控制工艺、高均匀性轴承钢大断面铸坯及其非均温轧制工艺、高端轴承钢应用技术等，成功开发出了轨道交通用表面渗碳硬化轴承钢（套圈用）和超高纯高稳定性的全淬透轴承钢（滚子用）。
2.1.1 兴澄特钢铁路轴承用钢实物水平
1）有害元素含量水平。
兴澄特钢铁路轴承用钢有害元素平均含量见表1。
表1 有害元素平均含量水平
2）低倍检验结果。
兴澄特钢铁路轴承用钢低倍质量100%符合检验标准要求。
3）大颗粒非金属夹杂物。
兴澄特钢铁路轴承用钢非金属夹杂物最新统计检测数据显示，100%符合检验标准的要求，见图1。
图1 大颗粒非金属夹杂物控制水平
4）对非金属夹杂物扫描统计。
从图2可以看出，兴澄特钢铁路轴承用钢具有夹杂物总数量少、颗粒小的特点，大部分非金属夹杂物的尺寸在5μm以下。
图2 非金属夹杂物尺寸分布及统计
2.1.2 与进口轴承材料质量比较
兴澄特钢高速动车组用轴承材料的有害元素（P、S、O）和欧洲、日本轴承材料相比都处于较好水平，见表2。
表2 有害元素含量水平对比
“时钟的庄严，来自齿轮的精准”，兴澄特钢技术人员将这种一丝不苟、精益求精的精神融入产品的生产设计中，从而确保了产品质量。目前，兴澄特钢生产的铁路用货车轴承钢已通过中国铁路认证中心认证，产品已应用在重载列车货车轴承上，高速动车轴承已通过疲劳测试，寿命远高于目前采用电渣重熔工艺生产的国外同类产品。
2.2 大尺寸风电轴承滚动体用钢的研发
国内大尺寸风电轴承滚动体用钢的生产工艺一直以模铸或电渣重熔工艺为主，且产品市场占有率很低，主要依靠进口，被国外轴承钢生产企业垄断，已成为我国风力发电事业发展的软肋。而采用连铸工艺生产大尺寸风电轴承滚动体用钢，尽管在成本、交付等方面占据优势，且具有很强的市场竞争力，但市场对此认可度不高，尚无特钢企业敢轻易跨出这一步。这一次，兴澄特钢率先应用这一工艺。
为保证连铸工艺生产的钢材产品质量达到模铸及电渣重熔钢的质量水平，并替代进口钢材，兴澄特钢在钢材纯净度、内部组织及碳化物改善等方面进行了一系列的技术攻关。在钢材纯净度控制方面，利用优质铁矿生产纯净铁水，并使用优质废钢，为高纯净钢的生产提供条件；在钢材内部组织及碳化物控制方面，采用特殊浇注及特殊轧制工艺，确保钢材偏析及碳化物100%满足标准要求。
兴澄特钢对连铸工艺生产的成品钢材进行检测显示，钢材组织非常均匀，内部未发现任何缺陷。结果表明，连铸钢的质量完全符合客户的标准要求。目前，连铸工艺生产的钢材已批量使用在风电轴承滚动体上，并获得国外知名轴承制造企业的认可，客户反馈产品质量稳定、可靠，并逐步替代进口钢材，国内市场占有率稳步提升。
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未来展望
宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。兴澄特钢十年如一日专注研发，打破常规，不断探索，以创新为驱动，持续进行高端轴承钢关键技术研究，目前，在高端冶金轧机轴承用钢、高端汽车变速箱轴承用钢、大型盾构机轴承用钢、大规格风电主轴用钢、增速器轴承用钢等方面都取得了重大进展。
作为特钢行业的龙头企业，兴澄特钢对于轴承钢行业的兴盛和发展责无旁贷。未来，兴澄特钢将利用自身优势继续突破高端轴承钢生产瓶颈，与客户紧密合作，实现高效率、低成本、快交付、优服务的绿色制造产业链，为推动我国高端轴承钢制造行业的发展作出更大贡献。（陈敏 李锋 尹青 许晓红）