1　前言

鋼鐵界通常把軸承鋼的質量水平視為特殊鋼生產技術水平和產品質量水平的重要標志。隨著我國經濟發展，中國軸承行業已形成2000多億元的經濟規模，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，呈現出品種單一的特點；同時軸承產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。重大裝備用軸承產品一直以來制約著我國高端裝備制造業的發展，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狀與趨勢

2.1高速鐵路客車軸承鋼的研究現狀與趨勢

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，主要是基于產品質量穩定性考慮。隨著我國煉鋼技術水平的提升，純凈度控制和質量穩定性有了較大改善，鑒于國外真空脫氣軸承鋼在軌道交通領域的成功應用，國內部分企業經過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狀及趨勢

作為航空發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動機發展的主要因素之一。

目前，國內批量生產用于航空、航天關鍵部件的軸承鋼產品的特鋼生產企業不超過4家，其中撫順特鋼生產的航空、航天軸承鋼的品種及規格Z為齊全，可生產M50Nil、W9Cr4V2Mo等全系列航空軸承鋼產品。另外，X30、CSS-42L等牌號的產品正處于與相關科研院所合作研發中。國內高端航空、航天軸承材料已呈現出供不應求的局面，因而國內應進一步加大高端航空、航天軸承鋼材料的生產規模，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，以助推我國航空航天領域發展。

2.3風電行業用高端軸承鋼的研究現狀及發展趨勢

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、變速箱和發電機用的所有軸承。由于風電設備一般安裝在環境惡劣的區域，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量要求更加嚴格。

目前，國內風電主軸等高端風電軸承，仍以采用斯凱孚（SKF）、鐵姆肯（TIMKEN）等化大公司的產品為主。我國洛軸、瓦軸等知名軸承企業也參與批量生產風電軸承產品，但應用的部位及軸承配套數量與國外公司仍有一定差距。在軸承鋼產品方面，國內生產風電軸承鋼僅有撫順特鋼、大冶特鋼等少數特鋼企業，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品，以彌補國內產品質量水平和供應能力方面的不足。一直以來，國內以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。而國外企業已經根據風電軸承的應用環境、載荷等使用條件形成了軸承鋼產品的系列化，在保證產品質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新方面的不足。

3　特種冶煉軸承鋼研發進展

在某些領域，隨著真空脫氣鋼實物質量的大幅度提升，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，這符合趨勢性發展要求。但在某些特殊領域，特種冶煉軸承鋼的質量水平和穩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品是不現實的。因而，國內的特鋼企業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，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品質量風險。

3.2 電極質量控制

電渣錠的質量好壞很大程度上取決于電極質量水平，因此母電極的制備過程尤為重要。原材料方面，選用優質廢鋼、高純合金料等優質原料。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，執行低溫澆注，減少成分偏析；采用模鑄電極，以保證電極內部致密性，有助于電渣過程重熔參數的穩定控制。

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化，控制穩定的熔速和渣池狀態，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

工業大生產情況下，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領先水平。并未因執行60年前制定的標準，而使產品的先進性和穩定性落后，相反該標準和材料被國內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。現代設備制造業不斷增加功率密度帶來的挑戰，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——出現帶“白蝕形貌”的大面積表面下裂紋網絡，即白蝕裂紋。

產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。為了獲得高且穩定的疲勞壽命，軸承鋼生產過程要做好以下幾方面工作：

1）根據軸承的應用環境和特點，選擇、設計合適的軸承鋼品種，建立化學成分內控標準，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）根據不同的碳化物質量要求，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，軸承鋼材內部顯微孔隙的控制更顯得尤為重要。在生產過程中，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，充分利用現場表面和內部自動化探傷設備，杜絕缺陷鋼材的流出。通過上述措施的實施，提升產品質量水平和質量穩定性，從而減少由于原材料原因導致的軸承白蝕裂紋缺陷。

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推進，經過近60余年發展，及通過企業內部創新、工藝優化、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，同時我國部分企業生產的高溫軸承鋼、高碳鉻軸承鋼等產品達到了先進水平。但是我國在軸承鋼成分設計、產品系列化、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品體系。

軸承的生產制造是一?系統工程，每一個環節和步驟都至關重要。因此，我國在軸承鋼成分設計、生產，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新平臺，進行軸承的試驗研發和原創性工作，來打造具有自主知識產權的國產軸承鋼、軸承系列產品，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）