技术探讨 | 我国轴承钢管的发展现状及生产工艺
冯志坚
8月初，海关总署发布数据显示，6月份，我国出口轴承44708万套，出口金额达到195064万元，同比分别增长5.0%和4.2%；上半年累计出口255963万套，出口金额达到110.6亿元，同比分别增长0.9%和2.0%。其中，轴承钢管作为轴承套圈的原材料，在我国轴承工业发展过程中起到了重要作用。
目前，中国已是装备制造大国，但实现“强”还有一定距离，其原因之一，是装备的轴承性能影响了整机的关键性能。轴承钢是用于设备轴承制造的一种重要基础钢种，在众多品种的钢铁产品中被称为“钢中之王”，广泛应用于运输机械（汽车、高速列车等）、工程机械、冶金、石油化工、发电、航空航天、军工、风电和海洋工程等领域。轴承钢的质量优劣，直接决定了重大装备和精密装备轴承的好坏。轴承钢应具有长寿命、高精度、高刚度和高耐磨性等性能。同时，轴承钢也是检验项目多、质量要求严、生产难度大的钢种之一。
作为“钢中之王”家族成员，轴承钢管是轴承钢二火成材产品。作为轴承套圈用钢，其生产有其特殊性和严格要求。由于我国整体冶炼水平限制和生产企业自身存在的问题，以及轴承套圈加工技术的发展现状，我国轴承钢管在质量、生产成本、材料利用率等方面的优势并不明显，其发展空间受到挤压。目前，我国轴承钢管生产存在哪些问题？我国轴承钢管的生产工艺现状如何？轴承钢管今后的发展思路是什么？这些都是需要探讨的问题。
轴承钢管整体现状有待改变
目前，我国国内轴承钢管产量仅占轴承钢总产量的8%，与发达国家占比20%~30%相比，仍有很大差距。在轴承钢管品质方面，国内产品也存在品质稳定性差、疲劳寿命短、洁净度低等问题。我国轴承钢管的应用，一般局限于普通轴承的轴承套圈用料，高端轴承套圈仍依赖进口。
1品种结构不合理，坯料供给矛盾突出
我国很多钢铁企业均存在钢材品种“全而不专”的生产现状。一些企业的产品品种覆盖板、管、型、材和特殊钢材，普通钢材同质化问题严重，低端竞争呈现白热化。
轴承钢作为特钢钢种，在我国偏重棒线材。棒线材占轴承钢总量比重大，达到80%以上；管材比重几乎为零。钢铁企业供坯的冶炼系统承担着不同品种钢的供坯；而轴承钢的冶炼更复杂，要求的技术水平更高，采用普通的冶炼工艺很难生产出合格的轴承钢坯料。
同时，对于钢管企业来说，通常是电炉炼钢+精炼装置，很难采用电炉废钢+铁水生产满足特定要求的轴承钢。对于轴承钢的很多品种来说，电炉炼钢在成分控制上又不如高炉铁水直接经顶吹氧气转炉炼钢。例如，采用高炉+铁水预处理+转炉工艺，铜、镍、钼等残余元素含量低于电炉废钢工艺方法，一些特种品种又要求真空感应熔炼（VIM）、电渣重熔（ESR）。除非大型联合钢铁企业，单一的钢铁企业从生产成本方面很难解决上述坯料供给问题。
2轴承钢管生产技术难、工序多、成本高
轴承钢管对最终微观组织形态、内外表面脱碳层、压缩比、内外径精度均有严格的标准规定和评级。同时，生产环节多、生产流程长、工艺涉及面广，例如，供坯涉及炼铁、炼钢和连铸系统，轧制涉及控轧控冷，精整涉及球化热处理、矫直、无损检测等，影响质量的因素和生产环节多，质量控制难度大。仅常见的轴承钢管轧钢工序就有10多个主要生产环节，热处理周期长，且能耗高，易对环境产生污染。
此外，长流程工序的附加生产成本高。对于热轧钢管企业，通常在常规装备水平之外，还要求增加控温、控轧必要的检测设备、球化退火设备或者配套机组，还要求有良好的供坯才可生产轴承钢管。因此，考虑生产经济性，鲜有企业生产。
对特钢企业，多由于不具备管材生产经验、缺少技术人员或特定的生产机组，即使具有良好的轴承钢供坯条件，也难以生产轴承钢管。轴承钢管多数由工艺和装备落后的小型钢管企业生产，但均因坯料和工艺技术问题，造成质量相对较差且不稳定，轴承企业考虑后续加工成本，主动采用国产轴承钢管的积极性不高。
3标准体系和质量监控体系有待完善和健全
从标准体系看，目前国内轴承钢的标准体系尚未完整建立。大部分企业的轴承钢生产主要是参考国际标准和现有的国家标准。
现有的轴承钢标准主要有十几项，很多国内标准均产生于上世纪，对于钢铁工业飞速发展的今天，特别是轴承钢应用领域的复杂化、多样化、严酷化，其适应性不言而喻。例如，我国新兴的战略产业（风力发电、高速铁路、航空航天、海洋开发等领域）对轴承钢要求苛刻，均要求采用国外ASTM、SKF、JIS等先进标准组织生产。而近年国内新制定、修订的标准，由于与国外标准有差距，或者标准低、要求不严格，导致用户认可度低而不适应市场需求。国内有关轴承钢管适用的标准则更少。
从质量监控体系看，国内从冶炼到轧钢、到产品，应建立一个完整的品种质量监控体系，加强品质的可追溯性。例如，炼铁、炼钢与轧钢脱节，导致品质脱节的情况时有发生。此外，炼铁、炼钢生产出合格的轴承钢原料，经轧钢后却出现不同比例的不合格品，不合格品质问题无法追溯。同时，也由于供坯问题，生产轴承钢或轴承钢管的企业在自身不具备坯料生产条件而外购时，其质量监控难度更大，轴承钢质量难以保证。
4要提高轴承套圈加工技术
轴承套圈是滚动轴承的重要零件，其重量一般占轴承重量的60%~70%，成本约占总成本的50%~70%。因此，套圈毛坯的品质，决定了轴承产品的品质、性能和经济性。一般情况下，国内轴承套圈和钢球均采用高碳铬轴承钢，保持架采用碳素结构钢。
轴承套圈毛坯成形工艺多种多样，目前主要有锻造、挤压和无缝钢管车制3种方式。一般情况下，对于中小尺寸系列、大批量生产，主要采用钢管车制或高速镦锻工艺；尺寸较大、中批量生产，采用平锻→辗扩→整形工艺或压力机锻造→辗扩→整形工艺；大型锻件、批量生产，主要采用压力机、油压机或自由锻锤成形→辗扩工艺。
据文献介绍，3种主要的套圈供坯方式的利用率有所不同。传统锻造→辗扩工艺工作效率低，材料利用率为40%~50%，新发展的粉末锻造成形工艺利用率为75%~80%。无缝钢管的利用率为80%，工作效率高，但生产成本高。传统冷温联合挤压材料利用率为60%以上，新发展的以轴承钢管为原料的精密冷辗扩工艺材料利用率可达到75%~80%。
另据介绍，一种被试生产成功、采用温挤压成形原理开发的螺旋轧制生产工艺，可显著提高材料利用率，简化工艺流程并降低成本。螺旋轧制轴承套圈生产工艺流程为：棒材切断→加热→穿孔→控温→螺旋轧制→喷丸→冷辗。该工艺的材料利用率为90%以上，但未有投产实例，效果需要验证。
通过分析，采用轴承钢管作为轴承套圈用料在材料利用率方面有一定优势。但也应该看到，以棒材等其他方式生产轴承套圈的加工工艺也有显著发展。
轴承钢管长流程附加的生产成本与直接采用棒材生产相比会提高至少1倍以上。因此，若从生产效率、生产成本和产品质量等方面考虑，轴承企业一般认可直径＜100毫米的轴承套圈采用轴承钢管材，以棒材等其他方式生产轴承套圈基本占到了85%以上。
5生产体系格局短期内难改变
国内全流程（冶炼→连铸→轧制→热处理→机加工）轴承钢生产技术水平尚需提高，“一贯制”生产体系并未受到重视，导致轴承钢产品在疲劳寿命、内外表面质量、夹杂物等级、材料均匀性等方面均与国外先进水平存在差距。国内仅有少数钢铁企业，如宝钢、兴澄特钢、东北特钢和江苏苏钢等一批轴承钢企业，具有品质高、产量大的先进水平，并获得SKF（斯凯孚集团）、FAG（舍弗勒集团）、Timken（铁姆肯公司）等国际知名轴承公司的认证。
此外，一些大直径（直径为1000毫米以上）特殊用途的轴承钢管受生产机组影响难以生产，多以锻造、挤压、辗扩等方式生产。我国轴承加工业采用轴承钢管的规格品种组距窄，基本在219毫米以下，多以穿孔+热轧或穿孔+冷轧（拔）形式提供。
上述生产体系的格局短期内尚无法完全改变。
轴承钢管生产现状与发展趋势
1管坯冶炼装备技术逐步发展
国内轴承钢冶炼方式在20世纪30~40年代为传统的酸性平炉、碱性平炉、碱性电弧炉单炼，20世纪60年代为钢包滴流脱气法和真空循环脱气法（RH）精炼。国内对LF精炼炉的研究是从20世纪80年代开始的。1981年，上钢五厂的40吨LF炉是我国第一台国产设备。20世纪90年代，一些特钢企业也都相继建成了LF炉，用于轴承钢生产。
目前，我国轴承钢冶炼工艺发展到了综合炉外精炼工艺阶段，生产工艺复杂，设备较多，但归纳起来只有3种：一是电炉流程，即电炉→二次精炼→连铸或模铸→轧制；二是转炉流程，即高炉→铁水预处理→转炉→二次精炼→连铸→轧制；三是特种冶金，即真空感应熔炼（VIM）、电渣重熔（ESR）→轧制或锻造。
其中，电炉或转炉流程的典型特征是增加了炉外精炼系统，目的是为了获得高洁净度的轴承钢，使影响轴承寿命的氧、磷、硫、钛、氮等元素含量大幅降低。
2技术特点突出
我国除生产少数难变形、高压缩比的高合金钢采用模铸坯外，多采用连铸坯。目前，连铸坯生产主要有两大特征。
一是采用精炼系统，引入了很多新的控制技术，如电弧加热、真空脱气、吹氩搅拌和还原渣精炼等功能，可以强化冶炼技术、降低钢中的氧含量和有害杂质。对于高性能轴承钢则要求高纯净度，须采用钢包精炼+真空循环脱气。
二是连铸坯装备技术得到发展。在连铸过程中，采用中间包加热、电磁搅拌、结晶器液位控制、强化二次冷却和液相穴压下技术，采用浸入式水口+保护渣的保护浇铸技术；采用大断面方坯连铸技术；为解决高碳钢中心偏析的问题，采用轻压下、大直径辊强压下和连续锻压等大压缩比轧制先进技术。
同时，有关研究表明，连铸坯在夹杂物均匀性上优于模铸坯。
3轴承钢冶炼工艺要求严格化
国际上主要有5类轴承钢：高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢和中碳轴承钢，其服役条件不同，成分要求也不相同。
目前，国内众多的轴承钢品种中，以GGr15和GGr15A为主，占轴承钢总量的80%。以GGr15为例，标准中规定了氧含量，模铸钢≤15ppm，连铸钢≤12ppm，而国际先进水平的要求基本为≤10ppm；规定了钢种残余元素和有害元素（P、S、Ti、N等元素）的含量；规定了非金属夹杂物的大小、数量和形态；规定了材料的均匀性；对中心疏松缩孔、裂纹等均做了规定和评级。对于以上性能和冶炼方面的要求，轴承钢比其他特殊钢更为严格。
过去，国内钢管企业管坯冶炼多采用电炉→铸锭→初轧（锻造）开坯→轧制（锻造）圆管坯的生产流程，缺少炉外精炼，且多采用铸锭，坯料的中心偏析、非金属（气体）夹杂物夹渣、Ti等微量金属均不能有效控制，且能源消耗高，生产成本高。
目前，我国多采用电炉流程加炉外精炼和真空脱气生产轴承钢管。国内轴承钢管坯料目前较先进的炼钢、连铸工艺是：电炉→钢包精炼+真空脱气→铸锭→初轧（锻造）开坯→轧制（锻造）圆管坯→连铸方坯→连轧圆管坯。
此外，某些钢种也采用高炉铁水直接经顶吹氧气碱性转炉+RH真空脱气+连铸的工艺进行生产，或者采用真空感应熔炼（VIM）、电渣重熔（ESR）的工艺进行生产，如生产具有耐高温、耐腐蚀等性能要求的航空级轴承钢等。
4轴承钢管生产工艺特点显著
生产环节多、要求严格是轴承钢管生产的显著特点。
20世纪50年代，我国已经在鞍钢无缝自动轧管机上热轧试制轴承钢管，但目前国内轴承钢管的生产工艺未发生实质性的变化。
国内常见的轴承钢管生产方法主要有3种：一是穿孔+冷轧（拔）工艺；二是穿孔+三辊轧管（或二辊轧管）+定径（张减径）或冷轧（拔）工艺；三是穿孔（冲孔）+挤压+冷轧工艺。在这3种工艺中，坯料采用轧制坯或连铸坯，钢管（从坯料到成品）的压缩比应大于15。
其中，以穿孔+冷轧（拔）工艺生产的轴承钢管，多为中小直径精密的轴承管，生产规格为（14毫米~120毫米）×（2毫米~15毫米），钢管材质为GCr15或GCr9SiMn。该生产工艺相对简单，装备少，流程短，投资少，但产量低。
以穿孔+三辊轧管（或二辊轧管）+定径（张减径）或冷轧（拔）工艺生产的钢管，是目前主流的生产轴承钢管的热轧方法，可实现控温控轧。其生产规格为（48毫米~200毫米）×（5毫米~30毫米），多为规格范围较宽泛的轴承钢管，钢管材质为具备不同淬透性的高碳铬轴承钢。该生产工艺复杂，装备多，流程长，投资大，但产量高。目前，三辊轧管机在国内被公认为最适宜的轴承钢管和精密中厚壁钢管生产机组。
以穿孔（冲孔）+挤压+冷轧方法生产的钢管，多为小批量、特殊要求、难变形的不锈轴承钢或高合金钢，生产规格为（48毫米~200毫米）×（5毫米~30毫米）。生产工艺相对复杂，装备多，投资大，产量低。
此外，这3种轴承钢管生产方法均要求进行球化热处理。
5轴承钢管生产技术各有优势
在技术发展格局方面，目前这3种方法并存，且各有优势。其中，采用穿孔+冷轧（拔）工艺方法，采用的是最接近成品尺寸的原料（壁厚公差＜5%），用较少的冷加工变形道次生产轴承钢管，成材率高，比较经济。同时，采用目前先进的热轧轧制，可实现控冷、控轧获得轴承钢所需的组织形态和均匀的夹杂物弥散分布。经冷轧轧制生产轴承的材料利用率至少提高到60%，使用寿命提高20%，轴承钢管质量较好。以穿孔（冲孔）+挤压+冷轧方法可生产热轧不能生产的规格和特殊要求的钢种。
在生产装备选用方面，目前普遍采用锥形辊穿孔机，或少数采用桶形辊穿孔机和水压穿孔。冷轧（拔）管机多为国产，较为成熟。三辊轧管为国产型现代限动芯棒Assel轧管机或现代二辊式轧管机（周期轧管、自动轧管等类型）。定径（张减径）采用多机架连续纵轧轧制，保证了产品尺寸的精度。
在工艺技术方面，生产中采用了控温控轧，穿孔后采用快速冷却和定减径后采用控冷工艺，可控制钢管在奥氏体区轧制。钢的组织为均匀分布的点状碳化物和索氏体状的珠光体，可以为球化退火提供非常有利的预组织。
在热处理方面，目前国内采用的球化退火工艺有辊底式球化退火和车底式球化退火两种。从炉型上分析，辊底式连续球化退火炉具有加热、保温、急速冷却、缓慢冷却等功能。根据不同的需要，炉用保护气氛可选择还原性气氛、氮基气氛、脱碳性气氛和渗碳性气氛。因此，轴承钢管生产多采用辊底式连续球化退火炉。
怎样走出轴承钢管产业困局？
轴承钢管生产是一个全流程的生产体系，每一个环节对产品质量均至关重要。要解决目前轴承钢管生产的困局，笔者认为，应从以下几方面入手:
一是要解决轴承钢管供坯来源的可靠性和稳定性问题。
二是要解决轴承钢管生产的经济性问题。要加强与特钢企业合作、提高专业分工水平、降低生产成本，才能更好地满足市场需求。
三是要进一步开发新的轴承钢管生产工艺和装备技术。例如，在保证压缩比条件下，减少轧坯和锻坯的采用，多采用连铸坯和离心浇注坯；采用少机架、少工序、大压缩比的热轧轧制，通过控温控轧获得均匀微观组织形态的轴承钢管，减少球化热处理的时间；采用穿孔+冷轧（拔）形式生产；要解决能耗高的问题，并对固体、气体、液体等废弃物进行循环处理。
四是加快修订或建立更严谨的标准体系，指导企业生产，加强企业自身质量监控体系，重视“一贯制”生产体系。
五是要提高专业化、差异化的意识和能力，解决格局散乱的问题，以优质且专业化的供货赢得轴承行业市场，选择有相对优势的机组、规格和品种大批量生产，实现降本增效。
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