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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
本文选取（以下简称：瓦轴）作为国内典型的轴承制造企业代表。详细说明了轴承制造对高端轴承钢在组织和性能上的要求。同时阐述了瓦轴与国内轴承钢生产企业携手进行高端轴承钢研发与应用的进展情况。此外，本文发现用于常规用途的国产材料和进口轴承钢质量处于同一水平，然而用于特殊用途的国产轴承钢质量有待提升。它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的起源地。它拥有经科技部批准认可的唯一国家大型轴承研究中心。肩负着国家轴承制造技术的研发重任。其综合技术实力在国内一直处于领先水平。产品覆盖了航空航天、风电、轨道交通、汽车、冶金以及几乎所有重要工业装备领域。在国内轴承制造企业中，瓦轴所使用的轴承钢，无论是钢种成分、尺寸规格还是冶炼方式，都最为广泛。
用料直径尺寸：?10-?800mm；
所用的钢种有：GCr15、、2Mo、、、ZWZ11-16。
冶炼方式：连铸、模铸、电渣重熔、双真空等；
国内主要的供应商有大冶特钢；还有兴澄特钢；以及抚顺特钢；再有西宁特钢；另外还有建龙北满特钢。
国外供应商：；
年用量为 12 万吨，其中国外进口的量是 0.1 万吨，这部分进口量占总用量的 0.8%。
2 瓦轴高端轴承钢的开发和应用情况
轴承的结构特点决定了其工作条件，这就要求轴承材料具备多方面的性能。它需要有高的硬度，以确保在工作中能承受较大的压力；需要有高的耐磨性，以减少磨损，延长使用寿命；需要有高的接触疲劳强度，防止在接触面上出现疲劳裂纹；需要有高的弹性极限，保证在受力变形后能恢复原状；需要有良好的冲击韧度，应对工作中的冲击载荷；需要有良好的断裂韧度，避免在受力时突然断裂；需要有良好的尺寸稳定性，保持尺寸的精度；需要有良好的防锈性能，防止在潮湿环境中生锈；需要有良好的冷热加工性能，便于加工制造和适应不同的工作环境。为确保这些性能要求，对于轴承用钢，其冶金质量需做到精确控制化学成分，具备特别高的纯净度，氧含量和残余元素含量要极低，同时要满足内部无疏松、无偏析、无显微孔隙等要求。轴承钢在所有合金钢中，是质量要求最为严格且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，我国在轴承钢冶炼方面，装备水平有了很大提升，过程控制也有显著进步。瓦轴与大冶特钢等供应商展开合作，共同进行瓦轴专用高端轴承钢的开发工作。并且建立了一套完整的高端轴承钢开发和管控体系。从原料环节开始，对工艺流程、加工装备以及质量控制等方面进行全流程的验证。同时，对工艺路线和加工过程进行规范和固化。目前，瓦轴专用轴承钢的总体质量指标与国外知名公司处于相同水平（见表 1-表 5）。瓦轴专用轴承钢在有害元素控制方面更为严格，其氧含量实物水平低于 6ppm，钛含量低于 15ppm；在纯净度水平上更高，对于氮化钛、碳氮化钛会按照形貌分别归入 B 类、D 类、DS 类进行评级，DS 类夹杂物通常在 0.5 级以下；并且宏观夹杂物全部采用特定方式。
按照标准来进行评价，夹杂物的含量不能超过 5mm/dm³，并且单个夹杂物的长度也不能超过 1.0mm。
2.2 瓦轴ZWZ系列高淬透性轴承钢的开发
我国国标中的轴承钢与世界先进国家的相比，仅有十余种。品种方面存在不全的情况，没有构建起完整的高碳铬轴承钢系列以及渗碳轴承钢系列。在材料方面，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，同时也缺乏相应的热加工和热处理技术。
瓦轴率先在国内开发出高淬透性系列轴承钢，并且完成了相应的热处理工艺研究。开发出了 ZWZ11、ZWZ12、ZWZ13、ZWZ14、ZWZ15、ZWZ16 系列钢种，这些钢种拥有自主知识产权。它们能够满足滚子直径 260mm、套圈有效壁厚 210mm 的各种尺寸重大装备轴承的需求。同时，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的问题。并且已经成熟应用于风电主轴等轴承制造，填补了我国轴承行业的空白。
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，瓦轴开展了与瑞典奥沃科（OVAKO）、美国铁姆肯（）及日本山阳（SANYO）等主要国外轴承钢生产企业的技术交流。通过这些交流，瓦轴对这些企业的生产过程有了较详细的了解，对其质量要求也有了较详细的了解，同时还对其实物水平进行了检测评价。
表 1 到表 5 把瓦轴和国外某知名轴承制造企业的主要技术指标进行了列举对比。从标准方面来看，瓦轴所使用的轴承钢与国外知名公司的产品相比，在技术指标要求上没有明显的大差异，并且在一些指标上，像对有害元素以及夹杂物的要求，瓦轴还要更高。可以这样理解，实际上日本钢材轴承钢比较，国外企业对于轴承钢的冶炼制造过程更为重视。钢材的冶炼加工是一个涵盖多个方面且较为全面的生产过程，众多的工艺过程中每一个细微的制造环节都可能对质量产生决定性的影响，然而这些情况通过有限的几个试样检测是无法真实且全面地体现出来的。所以，对专有产品进行装备、产线和工艺的固化，并且始终保持一致的过程控制，这是质量的根本保证。正因如此，国外轴承钢的实物水平比其标准要求要高很多。
表 1化学成分及有害元素对比
表 2低倍检验对比
表 3按 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方面来看，用于常规用途的产品和进口轴承钢在质量水平上是相同的。瓦轴与国外某知名企业轴承钢的 ASPEX 夹杂物分析对比情况如表 5 所示，各项指标之间的差异比较小。
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将提高不同炉次轴承钢的成分一致性当作重要研究课题。要提高过程控制能力，提升工艺稳定性。这样就能减少钢材成分的波动，提升质量的一致性。进而为后续加工以及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
现有的评价方法表明，瓦轴所用轴承钢夹杂物的控制水平看起来和国外轴承钢是一样的，但这并不能切实地反映出每一炉钢的整体质量状况。大部分国外的优质轴承钢材，其夹杂物主要是塑性硫化物。瓦轴所用的轴承钢与国外优质轴承钢相比，总量差别不是很大，但是对轴承疲劳寿命的影响却有很大差异。因此，在对比国外优质轴承钢夹杂物分布情况时日本钢材轴承钢比较，一方面要研究怎样改进冶炼脱氧的方式，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
当前，市场对高速、重载、长寿命等各项轴承性能指标的要求在不断提高，这也意味着对轴承钢的纯净度和均匀性的要求更加严苛。在轴承失效案例的分析里，常常能发现疲劳是由 10μm 尺寸级别的脆性夹杂物引发的。轴承行业实际需要能够稳定批量生产 10μm 以下尺寸级别夹杂物控制水平的高纯净度钢。
在提高钢材冶炼水平的同时，通过成分设计来研发新的专用轴承钢钢种。这种新钢种具有长寿命和高可靠性的特点，这样做能够取得事半功倍的效果。（副总工程师 庄权）
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