“轴承钢”专题之五｜国内高端轴承钢研发及与国外材料的对比
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'轴承钢全产业链高质量发展'专题之无
国内高端轴承钢研发及与国外材料的对比
本专题由中信泰富特钢集团协办
本文以瓦房店轴承集团有限责任公司（以下简称：瓦轴）作为典型的国内轴承制造企业代表，详细阐述了轴承制造对高端轴承钢组织和性能方面的要求，以及瓦轴与国内轴承钢生产企业携手研发与应用高端轴承钢的进展情况。此外，本文发现应用于常规用途的国产材料与进口轴承钢处于同一质量水平，但用于特殊用途的国产轴承钢质量还需要提升。最后，本文从瓦轴多年轴承制造经验出发，为国产轴承钢的研究指明了方向。
1 用料情况
瓦轴是我国轴承工业发源地，具有唯一经科技部批准认可的国家大型轴承研究中心，肩负着国家轴承制造技术研发重任，综合技术实力一直处于国内领先水平。产品涵盖航空航天、风电、轨道交通、汽车、冶金及几乎所有重要工业装备领域。瓦轴所使用的轴承钢，无论钢种成分、尺寸规格还是冶炼方式，在国内轴承制造企业中最为广泛。
◆用料直径尺寸：?10-?800mm；
◆用料钢种：GCr15 、GCr 15Si Mn、G20CrNi 2Mo、G2 0Cr 2Ni 4、GCr 18Mo、ZWZ11-16；
◆冶炼方式：连铸、模铸、电渣重熔、双真空等；
◆国内主要供应商：大冶特钢、兴澄特钢、抚顺特钢、西宁特钢、建龙北满特钢；
◆国外供应商：美国铁姆肯钢铁公司；
◆年用量：12万吨，其中国外进口0.1万吨，占总用量的0.8%。
2 瓦轴高端轴承钢的开发和应用情况
轴承的结构特点和工作条件要求轴承材料必须具备高的硬度、高的耐磨性、高的接触疲劳强度、高的弹性极限、良好的冲击韧度、良好的断裂韧度、良好的尺寸稳定性、良好的防锈性能和良好的冷热加工性能等。为保证这些性能要求，轴承用钢的冶金质量必须保证精确的化学成分控制，特别高的纯净度，极低的氧含量和残余元素含量以及内部疏松、偏析、显微孔隙等要求。轴承钢是所有合金钢中质量要求最严格、检验项目最多的钢种。
瓦轴多年来一直致力于高端轴承钢的研究与开发工作。
2.1 高纯净轴承钢的研发
近年来，我国轴承钢冶炼的装备水平和过程控制有很大提高，瓦轴与大冶特钢等供应商合作进行瓦轴专用高端轴承钢开发，建立了一整套高端轴承钢开发和管控体系，从原料开始，对工艺流程、加工装备、质量控制进行全流程验证，对工艺路线和加工过程进行规范和固化，瓦轴专用轴承钢总体质量指标与国外知名公司处于同等水平（见表1-表5）。比如，瓦轴专用轴承钢对有害元素的控制更严格：氧含量实物水平不超过6ppm，钛含量不超过15ppm；纯净度水平更高：对于氮化钛、碳氮化钛按形貌分别并入B类、D类、DS类评级，DS类夹杂物一般在0.5级以下；宏观夹杂物全部采用
SEP1927标准进行评价，夹杂物不得超过5mm/dm3，单个夹杂物长度不得超过1.0mm。
2.2 瓦轴ZWZ系列高淬透性轴承钢的开发
与世界先进国家的轴承钢相比，我国国标中轴承钢仅有十余种，品种不全，没有形成完整的高碳铬轴承钢系列和渗碳轴承钢系列，缺乏适用于加工大尺寸轴承的高级高碳铬轴承钢和高级渗碳轴承钢及相应的热加工和热处理技术。
瓦轴在国内率先开发高淬透性系列轴承钢并完成相应的热处理工艺研究，开发出具有自主知识产权的ZWZ11、ZWZ12、ZWZ13、ZWZ14、ZWZ15、ZWZ16系列钢种，可以满足滚子直径260mm、套圈有效壁厚210mm的各种尺寸重大装备轴承的要求，解决了我国轴承行业大厚度零件心部硬度偏低和屈氏体超标问题，成熟应用于风电主轴等轴承制造，填补了我国轴承行业空白。
3 瓦轴高端轴承钢实物质量与SKF等
国外材料技术指标对比
近年来，瓦轴通过与瑞典奥沃科（OVAKO）、美国铁姆肯（TIMLKEN）及日本山阳（SANYO）等主要的国外轴承钢生产企业开展技术交流，对其生产过程、质量要求有较详细的了解，也对其实物水平进行了检测评价。
表1-表5列举了瓦轴与国外某知名轴承制造企业主要技术指标的对比，从标准上看，瓦轴所用轴承钢与国外知名公司产品相比，技术指标要求并没有太大差异，甚至对一些指标，如有害元素及夹杂物的要求更高。可以这样理解，实际上，国外企业对轴承钢冶炼制造过程更为关注，钢材冶炼加工是一个大而全的生产过程，诸多工艺过程每一个细小的制造环节都会对质量产生致命影响，而这些通过有限的几个试样检测无法真实全面体现。所以，针对专有产品进行装备、产线和工艺的固化，始终如一的过程控制是质量的根本保证，因此，国外轴承钢的实物水平远高于其标准要求。
表 1 化学成分及有害元素对比
表 2 低倍检验对比
表 3 按 ISO4967 检测非金属夹杂物对比
从瓦轴高端轴承钢的质量统计分析看，应用于常规用途的产品与进口轴承钢处于同一质量水平。表5是瓦轴与国外某知名企业轴承钢的ASPEX夹杂物分析对比，各项指标差异不大。
4 国产轴承钢的研究方向
4.1 减少钢材成分波动，提高质量一致性
我国轴承钢制造企业今后应该把提高不同炉次轴承钢的成分一致性作为重要研究课题，提高过程控制能力和工艺稳定性，从而减少钢材成分波动，提高质量一致性，为后续加工和提高我国轴承的质量奠定良好的材料基础。
4.2 夹杂物形态及评定科学性
按现有的ISO4967评价方法，瓦轴所用轴承钢夹杂物的控制水平貌似与国外轴承钢没有差别，但这并不能真实反映每一炉钢的总体质量状态。大部分国外优质轴承钢材，其夹杂物主要以塑性硫化物为主，瓦轴所用轴承钢与其相比虽然总量差别不大，但对轴承疲劳寿命影响有很大不同，所以，对比国外优质轴承钢夹杂物分布情况，一方面要研究如何改进冶炼脱氧方式，另一方面也要考虑夹杂物评价标准的科学性。
4.3 高性能专用轴承钢的研发
1）当前，市场对于高速、重载、长寿命等各项轴承性能指标的要求越来越高，同时也意味着对轴承钢的纯净度和均匀性要求更加严格。在轴承失效案例分析中，经常发现疲劳起源于10μm尺寸级别的脆性夹杂物。10μm以下尺寸级别夹杂物控制水平的高纯净度钢的稳定批量生产是轴承行业的实际需求。
2）提高钢材冶炼水平的同时，通过成分设计研发长寿命、高可靠性专用轴承钢新钢种，可以得到事半功倍的效果。（瓦房店轴承集团有限责任公司副总工程师 庄权）