轴承钢被誉为“特钢之王”，是航空航天发动机、高速铁路、高速精密机床、冶金轧机、风电、盾构机等各种高端装备的关键基础零部件。 这是高端装备国产化的战略需要。 我国是轴承钢和轴承大国，年产轴承钢约400万吨，轴承200亿套，均占世界产量的1/3以上。 但与作为工业皇冠上的明珠的航空发动机、作为中国名片的高铁、作为工业基础机器的高速精密机床、作为战略新兴产业的机器人的高端轴承相比，还存在较大差距，与国外轴承钢和轴承强国相比，这引发了国产轴承的质疑。 中低端产品过剩、高端产品严重依赖进口，到底是轴承钢的质量和性能问题，还是轴承的制造工艺和技术问题？
为了降低轴承疲劳失效的概率，国内外对夹杂物的疲劳机理和引起轴承疲劳失效的夹杂物控制技术进行了化学冶金研究。 也取得了重大进展，接触疲劳寿命已达到L10≥1.0x107次的水平。 。 但迄今为止，尚未对轴承钢中夹杂物、碳化物和基体组织对疲劳寿命的影响机理和定量关系进行系统研究，无法指导未来超长寿命轴承钢的发展。 长寿命轴承钢和轴承的发展也遇到了瓶颈：即轴承钢的纯净度和夹杂物控制水平接近工业控制能力的极限。 需要新思路引导长寿命轴承钢和轴承的研发，实现高端轴承钢和轴承的国产化。
图1.以高铁转向架轴承为代表的国内高端装备轴承严重依赖进口。
2、解决问题的思路和技术方案
数百年轴承钢的发展经验和疲劳机理研究表明，循环载荷作用下夹杂物/碳化物等硬质颗粒与基体界面处的应力集中是裂纹形核和扩展的主要原因，轴承钢疲劳剥落的原因。 关键因素。 轴承钢的表面剥落可归因于赫兹应力下夹杂物周围应力集中引起的裂纹成核和扩展。 解决GCr15轴承钢疲劳失效问题可归结为两个层面。 一是如何降低轴承钢中夹杂物的含量和尺寸，二是如何减少夹杂物周围的应力集中，以降低裂纹形核能力和裂纹扩展速率。 目前，国内外高性能轴承钢的主流研究仍停留在第一层次，即纯净度和夹杂物的化学冶金理论和技术研究。 目前超纯控制已达到氧含量≤5ppm、钛含量≤10ppm的化学冶金极限水平。 如何调节轴承钢GCr15的组织、减少夹杂物周围的应力集中等物理冶金理论和技术已成为轴承钢夹杂物的继承者。 材料精细化、小型化是化学冶金之外的重要发展方向。
该项目是基于超长寿命轴承钢国产化的需求。 本项目提出了夹杂物、碳化物、基体组织协调控制和合金化精细设计的超长寿命轴承钢的研发思路。 拟在优越的化学冶金基础上发展轴承钢。 物理冶金理论及显微组织和性能控制技术的研究，形成了新一代长寿命轴承钢技术，可将GCr15等材料的室温接触疲劳寿命提高到L10≥1.0x108倍，促进轴承钢的发展。实现国产轴承钢和轴承跨越式发展等研发目标。
图2 基于物理冶金思想的新一代长寿命抗疲劳微观组织与性能控制技术研究方案
三、主要创新成果
针对我国轴承钢及轴承的抗疲劳理论不系统，缺乏显微组织和性能控制技术，强塑性与国外差距较大等问题，本项目开展了影响疲劳因素的理论和实验研究。轴承钢的研究、新型长寿命热处理工艺技术研究、新型宏观原子冶金理论与技术研究以及新一代轴承钢工业化批量试制和推广等系统创新探索，形成了多因素抗疲劳理论轴承钢的研究，开发了新型长寿命热处理技术，创新性地提出了宏观原子冶金思想。 形成了新一代长寿命轴承钢产业集成技术，极大提高了GCr15等传统轴承钢的接触疲劳寿命。 具体创新成果可概括为以下四个部分：
1、对影响抗疲劳性能的因素进行定量研究钢材疲劳性能，发展轴承钢抗疲劳性能理论。
基于界面应力集中模拟和物理冶金基础理论，构建多因素交互结构模型，推导疲劳寿命与赫兹应力、晶粒尺寸、碳化物和夹杂物之间的理论关系。 通过传统的位错积累模型和裂纹扩展速率公式，提出了应力集中的多因素交互结构模型，从理论上推导了轴承钢晶粒尺寸、夹杂物尺寸、沉淀强化、外加应力与疲劳寿命之间的关系。 数量关系。 表明在夹杂物一定尺寸的条件下，通过碳化物细化、基体组织细化和轴承钢强塑化，可以大大提高轴承钢的接触疲劳寿命。 理论研究成果得到了关于夹杂物、碳化物、基体组织和外加应力引起的轴承钢疲劳寿命的系统实验结论的有力支持。
图3构建了轴承钢的多因素交互结构模型，揭示了晶粒尺寸对疲劳寿命的影响。
2、开展轴承钢显微组织和性能控制研究，制定轴承钢长寿命热处理技术
在上述理论指导下，项目组开展了轴承钢双精化热处理和表面超硬热处理技术研究，实现了轴承钢接触疲劳寿命的显着提高。 (1)研究发现，经过二次细化热处理后，GCr15轴承钢的原始奥氏体晶粒尺寸从16μm左右细化到5μm左右，轴承钢中碳化物的平均尺寸也从0.6μm细化到0.3μm，而4.5GPa下轴承钢的室温接触疲劳寿命由L10≥1.1x107倍提高到L10≥5.9x107倍，使轴承钢的接触疲劳寿命大幅提高5倍以上。 (2)通过对高碳轴承钢进行表面真空渗碳处理及后续组织控制，使轴承钢表面碳化物含量提高至30%，残余奥氏体含量提高20%，实现细化表面轴承钢的结构。 并增韧，轴承钢的接触疲劳寿命由L10≥1.1x107倍提高到L10≥倍，使轴承钢的接触疲劳寿命大大提高10倍以上。
图4 新型热处理技术显着提高轴承钢的接触疲劳寿命（a）双重细化和（b）表面超硬化
3、提出大原子冶金思想，形成长寿命钢雏形。
基于超净化、细化、均匀化、增韧稳定控制轴承钢组织和性能的思想，提出了Nb、Mo、Zr、W大原子冶金合金化的设计思路。 计划通过凝固过程中大原子的拖曳效应来细化铸态组织； 通过轧制过程中的动态析出细化基体组织和碳化物； 通过热处理过程中碳化物的强烈析出，细化基体组织，促进碳化物。 纳米沉淀。 上述Nb、Mo、Zr、W合金化设计思想经过计算和实验验证，实现了凝固、轧制、热处理三阶段碳化物和基体组织细化。 通过宏观原子冶金理论和中试研究，成功开发出接触疲劳寿命超过电渣和双真空GCr15的产品。 新开发的轴承钢接触疲劳寿命L10比传统GCr15提高了5-10倍，形成了长寿命轴承钢的原型钢。
图5 Nb、Mo、Zr、W大原子冶金思路及新一代轴承钢合金设计及计算验证
4、整合轴承钢全工艺技术，实现新一代钢材的生产和应用
通过将优越的化学冶金的纯度和夹杂物控制技术与该项目的宏观原子冶金、铸态组织细化、不均匀温轧制、双重细化热处理和表面超硬热处理相结合，实现了轴承钢全工艺一体化技术。 通过与大冶特钢、兴澄特钢合作，实现了新一代长寿命轴承钢的量产。 结果表明，新一代轴承钢的基体组织和碳化物大幅细化，抗拉强度提高至Rm≥，4.5GPa下的室温接触疲劳寿命达到L10≥1.0x108倍，提高了10倍以上。是普通轴承钢的几倍。 轴承台架评估表明，新一代钢制轴承疲劳寿命领先国外同类产品10倍以上。 通过与国内外轴承制造企业合作，高铁轴箱轴承、铁路货车轴承、高速保密机床轴承、冷轧机轴承等高端轴承已批量试制钢材疲劳性能，实现了高速精密机床轴承、冶金轧机轴承的推广应用。
图6 6大技术融合形成的新一代长寿命轴承钢全流程集成技术及疲劳寿命评价
四、应用及效果
该项目开发的新一代长寿命轴承钢技术已在国内外轴承钢及轴承企业推广应用。 热处理新技术已应用于洛州车轴、轴研所、慈星集团等轴承企业，实现国产轴承寿命的大幅提升； 新一代长寿命轴承钢也已在大冶特钢、兴城特钢使用，成功生产L10≥1.0x108二级轴承钢近千吨； 采用新一代轴承钢产品，完成了高铁、铁路货车、高速精密机床、冶金冷轧机的批量制造、考核、验证和推广应用，实现了10倍提高国产轴承的寿命。 优异的成绩。
该项目的研发成果取得了显着的经济效益和社会效益：（1）在主流技术和成本不增加的前提下，取得了突破性的研究成果，使轴承钢的寿命提高了10倍； （2）制定国家标准和行业标准8项，批准美国、日本等国内外发明专利20项，发表高水平论文60余篇； （3）项目经济效益显着，三年内新增利润4.3亿元。 （4）中国金属学会组织了成果鉴定，评价结论为研究成果总体达到国际领先水平。
图7 新一代轴承钢高铁轴箱轴承批量制造及国产标准轴承与Nachi轴承台架试验对比
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