高端軸承鋼

軸承，想必接觸過(guò)機(jī)械的人們都熟悉，支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。在一些特殊領(lǐng)域，機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)軸承的精度、性能、壽命和可靠性提出了高要求。那么，要使軸承得到這些要求，其材質(zhì)是決定性因素之一。然而，高端軸承用鋼幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口。目前，世界軸承巨頭美國(guó)鐵姆肯、瑞典SKF幾乎壟斷了全球高端軸承用鋼的研發(fā)、制造與銷(xiāo)售。

高端軸承的作用及難點(diǎn)

作為機(jī)械設(shè)備中不可或缺的核心零部件，軸承支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。無(wú)論飛機(jī)、汽車(chē)、高鐵，還是高精密機(jī)床、儀器儀表，都需要軸承。這就對(duì)其精度、性能、壽命和可靠性提出了高要求。而在發(fā)動(dòng)機(jī)中，軸承一直在“煉獄”中工作，它不僅要以每分鐘上萬(wàn)轉(zhuǎn)的速度長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)，還要承受著各種形式的應(yīng)力擠壓、摩擦與超高溫。這對(duì)軸承的精度、性能、壽命和可靠性提出了高要求，而決定這四點(diǎn)的關(guān)鍵因素，在于其材質(zhì)。

遺憾的是，雖然我國(guó)的制軸工藝已經(jīng)接近世界頂尖水平，但材質(zhì)也就是高端軸承用鋼幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口。

高端軸承用鋼的研發(fā)、制造與銷(xiāo)售基本上被世界軸承巨頭美國(guó)鐵姆肯、瑞典SKF所壟斷。前幾年，他們分別在山東煙臺(tái)、濟(jì)南建立基地，采購(gòu)中國(guó)的低端材質(zhì)，運(yùn)用他們的核心技術(shù)做成高端軸承，以十倍的價(jià)格賣(mài)給中國(guó)市場(chǎng)。煉鋼過(guò)程中加入稀土，就能使原本優(yōu)質(zhì)的鋼變得更加“堅(jiān)強(qiáng)”。但怎么加，這是世界軸承巨頭們的核心秘密。

高端軸承鋼的發(fā)展情況

在滾動(dòng)軸承的四大組成部分中，除保持器外，內(nèi)、外套圈、滾動(dòng)體（滾珠、滾柱或滾針）都是由軸承鋼組成，而軸承鋼素有“鋼中之王”的稱(chēng)號(hào)，是鋼鐵生產(chǎn)中要求最嚴(yán)的鋼種。

軸承鋼也有很多種類(lèi)，根據(jù)使用要求的不同，化學(xué)成分也不相同，其中高碳鉻軸承鋼占很大的比例，是制造軸承和軸承零件最常用鋼種。

軸承鋼的質(zhì)量主要取決于以下四個(gè)因素：一是鋼中的夾雜物含量、形態(tài)、分布和大小；二是鋼中的碳化物含量、形態(tài)、分布和大小；三是鋼中的中心疏松縮孔和中心偏析；四是軸承鋼產(chǎn)品性能的一致性。這四個(gè)因素可以歸納為純凈度和均勻性指標(biāo)。

其中，純凈度要求材料中的夾雜物盡量少，純凈度的好壞對(duì)軸承的疲勞壽命有直接影響；而均勻性則要求材料中的夾雜物和碳化物顆粒細(xì)小、彌散，這會(huì)影響到軸承制造中熱處理后的變形、組織均勻性等。

高端軸承鋼中均勻細(xì)小的碳化物組織和熱處理后均勻分布的細(xì)小碳化物

提高軸承鋼的純凈度，首先要做的就是控制鋼中的氧含量，煉鋼中用ppm（每百萬(wàn)分之一）來(lái)作為氧含量的單位，一般來(lái)說(shuō)8個(gè)ppm的鋼就屬于好鋼，而高端軸承所需要的則是5個(gè)ppm的頂級(jí)鋼。此外，鈦等有害元素等留在鋼中易形成多棱角的夾雜物，會(huì)引起局部的應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋，也都是應(yīng)該要盡力避免的。

目前，隨著鋼的高純凈度冶煉平臺(tái)系統(tǒng)的完善，軸承鋼純凈度有了很大的提高，夾雜物水平得到有效控制，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的鋼中氧含量已經(jīng)控制在5ppm以下，所以鋼中碳化物的含量、分布、大小等逐漸變成了當(dāng)下制約軸承鋼質(zhì)量的主要因素。

如今，中國(guó)不僅能造出高端軸承鋼，而且在國(guó)際市場(chǎng)闖出了名堂，中國(guó)的軸承鋼已經(jīng)供應(yīng)給瑞典、德國(guó)、日本等國(guó)，同時(shí)高端軸承鋼的疲勞壽命也達(dá)到甚至超過(guò)日本和歐洲的同期水平。有了好鋼，下一步要解決的就是軸承的問(wèn)題，高端軸承研發(fā)涉及材料、設(shè)計(jì)、軸承制造裝備、高精度機(jī)械加工、檢測(cè)與試驗(yàn)等一系列技術(shù)難題，還需要接觸力學(xué)、潤(rùn)滑理論、摩擦學(xué)、疲勞與破壞、熱處理與材料組織等基礎(chǔ)研究和交叉學(xué)科的支持，高端軸承技術(shù)具有極端的復(fù)雜性，掌握難度非常之大。

目前國(guó)產(chǎn)軸承，相比于進(jìn)口高端軸承，在精度、軸承振動(dòng)、噪聲與異音、可靠性、高速性能方面還有一定差距。

航空鋼材

超高強(qiáng)度鋼是用于制造承受較高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件的一類(lèi)合金鋼。一般屈服強(qiáng)度大于1180MPa，抗拉強(qiáng)度大于1380MPa，這類(lèi)鋼一般具有足夠的韌性及較高的比強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，還有良好的焊接性和成形性。主要應(yīng)用航空制造產(chǎn)業(yè)，而飛機(jī)起落架的制作材料，基本上都是300M超高強(qiáng)度鋼！

飛機(jī)起落架是支撐飛機(jī)的唯一部件，尤其是在飛機(jī)降落階段，其承載的載荷不僅僅來(lái)自機(jī)身重量，還有飛機(jī)垂直方向的巨大沖力。因此，起落架的材料強(qiáng)度必須十分優(yōu)異，只能依靠特種鋼材才行。目前使用范圍最廣的是美國(guó)的300M鋼，該材料采用真空熱處理技術(shù)，避免了滲氫，零件表面光亮，無(wú)氧化脫碳、增碳和晶界氧化等缺陷，提高了表面質(zhì)量。而國(guó)內(nèi)用于制作起落架的國(guó)產(chǎn)超強(qiáng)度鋼材有時(shí)會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)狀缺陷、硫化物夾雜、粗晶、內(nèi)部裂紋、熱處理滲氫等問(wèn)題，這些問(wèn)題都與冶煉過(guò)程中純凈度不夠有關(guān)系。所以我國(guó)在高純度熔煉技術(shù)方面與美國(guó)還有較大差距，存在很大提升空間。

2018年中國(guó)寶鋼特鋼有限公司在此前的上海航展上，展出了一款該司研制生產(chǎn)的300M超高強(qiáng)度鋼，這對(duì)于C919以及后續(xù)機(jī)型而言，是個(gè)至關(guān)重要的好消息。這一信息的出現(xiàn)，并不僅僅意味著300M超高強(qiáng)度鋼在國(guó)內(nèi)需求應(yīng)用上的成本降低，也標(biāo)志著我們國(guó)家真正打破了300M超高強(qiáng)度鋼的西方壟斷局面，更是表明了我們的國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)擁有了屬于我們自己的“雙腳”，更讓我們的國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)距離真實(shí)意義上的國(guó)產(chǎn)又近了一步！

不過(guò)今年2月16日?qǐng)?bào)道稱(chēng)：美國(guó)政府考慮禁止LEAP-1C大涵道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)出口，報(bào)道內(nèi)容指出此舉意在封殺C919客機(jī)，讓C919客機(jī)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)可用。這極有可能意味著C919客機(jī)被卡脖子，甚至C919大飛機(jī)的生命將走向終結(jié)，更有甚者稱(chēng)：C919客機(jī)將重蹈運(yùn)10的覆轍。

高強(qiáng)度不銹鋼及奧氏體不銹鋼

高強(qiáng)度不銹鋼

用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的鋼材需具備多種特性，其中高強(qiáng)度是必須滿足的重要指標(biāo)。然而，不銹鋼的強(qiáng)度和防銹性能，卻是魚(yú)和熊掌般難以兼得的矛盾體?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)材料如果如果嚴(yán)重生銹，將帶來(lái)很大影響。完全依靠材料自身實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和防銹性能兼?zhèn)?，這是世界性難題?，F(xiàn)在，我國(guó)航天材料大多用的是國(guó)外上世紀(jì)六七十年代用的材料，發(fā)達(dá)國(guó)家在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，如果純度不達(dá)標(biāo)，便重新回爐，但國(guó)內(nèi)廠家往往缺乏這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

奧氏體不銹鋼

316H奧氏體不銹鋼已不折不扣地成為核電裝備“卡脖子”材料。2019年1月1日，鞍鋼集團(tuán)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)組織召開(kāi)316H奧氏體不銹鋼生產(chǎn)動(dòng)員會(huì)，并將316H奧氏體不銹鋼開(kāi)發(fā)確定為鞍鋼“一號(hào)工程”。面對(duì)國(guó)家需求，鞍鋼核電用鋼項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)結(jié)合合同全面承擔(dān)了項(xiàng)目研發(fā)、生產(chǎn)及供貨任務(wù)。在克服不銹鋼研發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)少，產(chǎn)品涉及單位眾多、工序繁雜及技術(shù)指標(biāo)要求嚴(yán)格等諸多不利因素情況下，充分發(fā)揮集團(tuán)公司優(yōu)勢(shì)，依靠鞍鋼聯(lián)眾、鞍鋼鑄鋼公司、鞍鋼股份，建立了該鋼種適宜的生產(chǎn)工藝路線并成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和首批合同供貨。

日前，鞍鋼成功實(shí)現(xiàn)四代核電600MW示范快堆項(xiàng)目316H奧氏體不銹鋼產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，并完成首批合同供貨，解決了該產(chǎn)品從無(wú)到有的“卡脖子”難題。鞍鋼因此成為全球唯一一家全部依靠自身裝備生產(chǎn)該產(chǎn)品的企業(yè)。

隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境惡化壓力，建造核電、利用核能已成為未來(lái)10至20年的重點(diǎn)。我國(guó)在核電開(kāi)發(fā)、建設(shè)方面已取得了重大進(jìn)展，三代核電技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平，四代核電技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。其中，四代核電600MW示范快堆項(xiàng)目更是引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，代表核能發(fā)展方向，具有極其重要的戰(zhàn)略意義。

銑刀

隨著我國(guó)近年來(lái)高鐵的迅猛建設(shè)，鋼軌養(yǎng)護(hù)問(wèn)題也愈加讓業(yè)內(nèi)專(zhuān)家憂心。若養(yǎng)護(hù)不到位，不僅折損生命周期，還存在高風(fēng)險(xiǎn)隱患。我國(guó)自主創(chuàng)新研發(fā)的雙動(dòng)力電驅(qū)銑磨維護(hù)機(jī)器人裝備——被稱(chēng)為鋼軌‘急救車(chē)’的銑磨車(chē)可為鋼軌“保駕護(hù)航”。但銑磨車(chē)最核心部件銑刀仍需從國(guó)外進(jìn)口。銑刀的材料是一種超硬合金材料。對(duì)其中金屬成分我們已然了解，但就是不知曉是怎么配比、合成的。

由于建造鋼軌的材料強(qiáng)度極高，這就決定了鋼軌的強(qiáng)度，所以在制造時(shí)只能用銑刀對(duì)其打磨，而當(dāng)它出現(xiàn)變形時(shí)也只能用銑刀對(duì)其進(jìn)行矯正。目前為止，德國(guó)和奧地利是世界上唯一擁有銑刀制作技術(shù)的國(guó)家，整個(gè)歐洲的鋼軌維護(hù)也是被他們壟斷，而我國(guó)雖然在不停地研究銑刀的制作技術(shù)。但是至今仍未有任何突破，每次提高鋼軌的保養(yǎng)，必定少不了銑刀，而每次提到銑刀都讓國(guó)內(nèi)的專(zhuān)家們無(wú)可奈何。最近今年內(nèi)，我國(guó)已經(jīng)在加緊對(duì)這一項(xiàng)目的攻關(guān)，成都工具所目前已經(jīng)探索出了可行性方案，理論上能夠有效提高銑刀的強(qiáng)度，有望在今年年底形成中國(guó)的銑刀技術(shù)。

合金粉末產(chǎn)品

我國(guó)合金粉末產(chǎn)品品種依然不足，中低端產(chǎn)品產(chǎn)能過(guò)剩和高端、高品位金屬粉末依賴(lài)進(jìn)口的矛盾日漸突出。尤其是粉末高溫合金和粉末高速鋼，目前應(yīng)用于現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵熱端部件材料（如渦輪葉片、導(dǎo)向器葉片、渦輪盤(pán)、燃燒室等）基本依賴(lài)進(jìn)口，“卡脖子”問(wèn)題日益突出。

粉末高溫合金，是現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)等關(guān)鍵部件的必選材料。與美歐、俄羅斯等航空強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)的民用航發(fā)剛起步，軍用航發(fā)勉強(qiáng)交付。國(guó)內(nèi)制備渦輪盤(pán)壽命在400小時(shí)（國(guó)際上壽命最高達(dá)20000小時(shí)），中外技術(shù)差距甚遠(yuǎn)。

對(duì)于粉末高速鋼，其良好的組織均勻性和碳化物無(wú)偏析特點(diǎn)，彌補(bǔ)了普通高速鋼的先天缺陷，使鋼材質(zhì)量和性能得以全面提升。然而目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有大批量供規(guī)模化生產(chǎn)的企業(yè)和研發(fā)人員，每年進(jìn)口量約2萬(wàn)噸。

鋼鐵礦石

中國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量超過(guò)了世界所有國(guó)家的總產(chǎn)量之和，占比超過(guò)51%。但是我國(guó)鐵礦資源并不多，主要還是依賴(lài)進(jìn)口。其中最優(yōu)質(zhì)的鐵礦石來(lái)自兩個(gè)國(guó)家，一個(gè)是澳大利亞，一個(gè)是巴西，其中澳大利亞每年的鐵礦石產(chǎn)量占全球的80%。但自從我國(guó)進(jìn)入鋼鐵市場(chǎng)之后，鐵礦價(jià)格一路飆升，我國(guó)鋼鐵行業(yè)的成本一路飆升。

據(jù)了解，三井物產(chǎn)是日本財(cái)團(tuán)三井的核心企業(yè)，三井的成員包括了新日鐵這樣的大型鋼鐵企業(yè)，也包括了豐田汽車(chē)這樣的鋼鐵產(chǎn)品使用大戶。中國(guó)的寶山鋼鐵甚至也和三井有密切的關(guān)系。力拓、必和必拓、淡水河谷世界三大鐵礦石巨頭，而三井物產(chǎn)與它們都建立了聯(lián)合經(jīng)營(yíng)的關(guān)系，對(duì)于這些企業(yè)的經(jīng)營(yíng)決心有很大的影響力。所以說(shuō)日本對(duì)“三大礦山”進(jìn)行控股，鐵礦價(jià)格提高，“三大礦山”盈利，日本也能從中分一杯羹，所以對(duì)于日本來(lái)說(shuō)不論鐵礦價(jià)格高低都是穩(wěn)賺不賠的，而我國(guó)的鋼鐵企業(yè)就會(huì)受到損失。

好在我國(guó)的鋼鐵企業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在鐵礦上的定價(jià)權(quán)也有舉足輕重的程度。研究認(rèn)為，我國(guó)海外建設(shè)優(yōu)質(zhì)鐵礦項(xiàng)目不僅可以提升中國(guó)鋼鐵工業(yè)在成本、環(huán)保等方面的競(jìng)爭(zhēng)力，而且將給項(xiàng)目所在國(guó)帶來(lái)稅收、就業(yè)、人才培養(yǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面的切實(shí)收益，實(shí)現(xiàn)雙方的互利共贏。

本文舉例的幾種鋼鐵產(chǎn)品與芯片一樣，都是我國(guó)必須要掌握的核心技術(shù)。雖然仍有不小的距離需要追趕，但是以經(jīng)濟(jì)內(nèi)循環(huán)為主的大環(huán)境下，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，相信中國(guó)完全有能力趕上世界先進(jìn)水平。