“轴承钢”专题之八｜高端轴承钢生产及应用技术趋势
1 前言
国际钢铁界通常把轴承钢的质量水平视为特殊钢生产技术水平和产品质量水平的重要标志。随着我国经济发展，中国轴承行业已形成2000多亿元的经济规模，对轴承钢的需求量也达到了约370万吨/年。我国轴承钢品种以GCr15、GCr15SiMn钢为主，占市场销售量的95%以上，呈现出品种单一的特点；同时轴承产品也以低端轴承和中小型轴承为主，与国外高端轴承和大型轴承等高附加值轴承相比，存在较大差距。重大装备用轴承产品一直以来制约着我国高端装备制造业的发展，国务院提出的16个重大技术装备关键领域，15个都与轴承相关，这充分说明了我国在高端轴承制造方面的短板。
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2 高端轴承钢的研究现状与趋势
2.1高速铁路客车轴承钢的研究现状与趋势
时速160km以上的铁路轴承均为进口轴承，地铁轴承也均以国外进口轴承为主。目前，我国生产时速160km及以下的铁路轴承钢均采用电渣重熔工艺，主要是基于产品质量稳定性考虑。随着我国炼钢技术水平的提升，纯净度控制和质量稳定性有了较大改善，鉴于国外真空脱气轴承钢在轨道交通领域的成功应用，国内部分企业经过CRCC批准，正在进行真空脱气钢在铁路货车轴承上的小批量应用试验。
我国高铁轴承材料的研发仍停留于台架测试阶段，尽管目前部分台架测试已完成，且试验结果已满足时速250km高铁轴承的指标要求，但由于各种原因仍未进行装车路试。
2.2航空航天用高端轴承钢的研究现状及趋势
作为航空发动机关键基础件的主轴轴承和齿轮，其寿命、可靠性与国外相比，存在较大差距，已成为制约我国航空发动机发展的主要因素之一。
目前，国内批量生产用于航空、航天关键部件的轴承钢产品的特钢生产企业不超过4家，其中抚顺特钢生产的航空、航天轴承钢的品种及规格最为齐全，可生产M50Nil、W9Cr4V2Mo等全系列航空轴承钢产品。另外，X30、CSS-42L等牌号的产品正处于与相关科研院所合作研发中。国内高端航空、航天轴承材料已呈现出供不应求的局面，因而国内应进一步加大高端航空、航天轴承钢材料的生产规模，也应进一步推动中国高功重比、长寿命、高可靠性、耐高温的航空轴承钢品种研发，以助推我国航空航天领域发展。
2.3风电行业用高端轴承钢的研究现状及发展趋势
轴承属于风电机组的核心零部件。风电轴承的范围涉及从叶片、主轴、偏航变桨、变速箱和发电机用的所有轴承。由于风电设备一般安装在环境恶劣的区域，安装、维修十分困难，且维修成本十分高昂，因而对轴承零件的质量要求更加严格。
目前，国内风电主轴等高端风电轴承，仍以采用斯凯孚（SKF）、铁姆肯（TIMKEN）等国际化大公司的产品为主。我国洛轴、瓦轴等知名轴承企业也参与批量生产风电轴承产品，但应用的部位及轴承配套数量与国外公司仍有一定差距。在轴承钢产品方面，国内生产风电轴承钢仅有抚顺特钢、大冶特钢等少数特钢企业，每年需从瑞典奥沃科（OVAKO）、美国铁姆肯（TIMKEN）等公司进口一定量的高端轴承钢产品，以弥补国内产品质量水平和供应能力方面的不足。一直以来，国内以GCr15SiMn、G20Cr2Ni4A等品种作为风电主轴轴承用原材料，但随着风机容量的不断增大，已体现出GCr15SiMn材料淬透性能力不足及G20Cr2Ni4A成本较高的问题。而国外企业已经根据风电轴承的应用环境、载荷等使用条件形成了轴承钢产品的系列化，在保证产品质量的前提下成本也大大降低，这些都凸显了我国在轴承材料创新方面的不足。
3 特种冶炼轴承钢研发进展
在某些领域，随着真空脱气钢实物质量的大幅度提升，出于对制造成本和其他一些方面因素的考虑，部分特种冶炼轴承钢被真空脱气钢所代替，这符合趋势性发展要求。但在某些特殊领域，特种冶炼轴承钢的质量水平和稳定性是真空脱气钢无法比拟和替代的。特种冶炼钢所特有的高真空度、高凝固速度、高渣洗效果等，都是真空脱气钢所不具备的。目前，电渣炉、真空感应炉、真空自耗炉等先进特种冶炼设备绝大部分为国外进口，说明国外对特种冶炼的重视和特种冶炼产品的较大需求。真空脱气完全替代电渣重熔或双真空工艺冶炼轴承钢类产品是不现实的。因而，国内的特钢企业也需进一步加大特种设备投入力度，以进一步提高我国特种轴承钢、高端材料的生产能力。下面以抚顺特钢电渣重熔工艺冶炼的ZGCr15钢为例，对在特种冶炼轴承钢方面取得的一些进展进行简要论述。
3.1化学成分控制
化学成分控制方面，对于残余及有害元素等均有明确的内控要求。同时精准控制铝、氮含量，保证成品铝氮比，有助于晶粒细化；电极高控铝，减少电渣过程吸氧量；对于铜、镍残余元素，充分挖掘其有益作用，在满足标准的前提下将其控制在一定范围内，进一步提高钢材的淬透性、抗大气腐蚀性和冲击韧性。另外，设计成分时，充分考虑用户的订货规格、加工用途等信息，以制定出合理的成分控制方案，防止因成分设计导致的产品质量风险。
3.2 电极质量控制
电渣锭的质量好坏很大程度上取决于电极质量水平，因此母电极的制备过程尤为重要。原材料方面，选用优质废钢、高纯合金料等优质原料。冶炼工艺方面，控制初炼炉出钢氧含量和残余元素含量；优化精炼渣系组成，保证足够的白渣时间；控制VD真空度，降低钢液气体含量；控制氩气软吹强度和时间，使钢液中夹杂物充分上浮，提高钢液纯净度。浇注工艺方面，执行低温浇注，减少成分偏析；采用模铸电极，以保证电极内部致密性，有助于电渣过程重熔参数的稳定控制。
3.3重熔工艺控制
采用专用预熔渣代替生渣，控制加渣速度及造渣工艺，使渣料去除夹杂的效果达到最佳。对电渣重熔工艺进行优化，控制稳定的熔速和渣池状态，保证钢滴的渣洗效果；控制结晶器冷却强度，使电渣钢液快速凝固成锭，减少碳化物偏析；根据锭型大小，建立个性化的充填工艺，减少电渣锭缩孔深度。
3.4加热和轧制控制
工业大生产情况下，钢锭或钢坯不可能没有树枝偏析，因而需重点采用高温扩散工艺消除碳化物液析和减轻碳化物条带。试验表明，随着扩散温度的升高，碳的扩散系数显著增大，因此通过控制高温扩散温度和时间使碳化物快速扩散。碳化物网状重点通过变形终止温度、变形后的冷却速度以及冷却终止温度的精准控制来加以改善。
通过上述措施的实施，抚顺特钢生产的军甲-61标准轴承钢，其纯净度、碳化物、低倍水平等各项指标都达到了国内领先水平。并未因执行60年前制定的标准，而使产品的先进性和稳定性落后，相反该标准和材料被国内特殊钢用户广泛认可。目前，抚顺特钢军甲-61标准轴承钢市场占有率达80%以上，长期为我国某些重点领域的特殊轴承部件配套。
4 提高轴承疲劳寿命方面的措施
轴承是承受载荷、传递运动的关键机器零件。现代设备制造业不断增加功率密度带来的挑战，对轴承的承载能力和可靠性提出了更高的要求。然而，在特定应用中的轴承会过早失效，其使用寿命只占计算的额定寿命的5%-10%。许多早期失效的轴承都有一个典型的特征——出现带“白蚀形貌”的大面积表面下裂纹网络，即白蚀裂纹。
产生白蚀裂纹的影响因素较多，包括原材料、轴承设计、润滑、应力、表面等多个方面。其中作为原材料的轴承钢，其成分设计、纯净度、碳化物、内部孔隙等控制不当都会引起白蚀裂纹而造成轴承的早期失效。为了获得高且稳定的疲劳寿命，轴承钢生产过程要做好以下几方面工作：
1）根据轴承的应用环境和特点，选择、设计合适的轴承钢品种，建立化学成分内控标准，重点控制残余和有害元素含量。
2）通过初炼炉出钢氧含量控制、下渣量控制、渣系成分控制、精炼和浇注过程控制等措施，提升轴承钢的氧含量、非金属夹杂物等纯净度指标。
3）根据不同的碳化物质量要求，选择真空脱气、电渣、自耗等不同的冶炼工艺，获得相应等级的碳化物水平。同时做好注温注速控制、高温扩散等多方面工艺优化工作，进一步改善碳化物颗粒的大小及分布，减少微观结构变化带来的残余应力造成轴承疲劳寿命降低的风险。
4）对滚动体而言，由于后续在轴承制造过程中不再进行任何的热加工变形处理，轴承钢材内部显微孔隙的控制更显得尤为重要。在生产过程中，需重点关注加工方式、加工比、加热制度等方面的控制。
5）建立完善的轴承钢材检验体系，一方面，要制定详细的实验室取制样检验方案，充分利用实验室检测能力，客观评价每个炉次的实物质量水平，同时做好高频水浸探伤检测、最大极值法检测等新方法的推广应用；另一方面，充分利用现场表面和内部自动化探伤设备，杜绝缺陷钢材的流出。通过上述措施的实施，提升产品质量水平和质量稳定性，从而减少由于原材料原因导致的轴承白蚀裂纹缺陷。
5 提升我国轴承和轴承钢制造水平的建议
随着我国轴承钢标准化工作的持续推进，经过近60余年发展，及通过企业内部创新、工艺优化、装备革新，我国轴承钢氧含量、纯净度、碳化物等控制水平均取得了显著进步，同时我国部分企业生产的高温轴承钢、高碳铬轴承钢等产品达到了国际先进水平。但是我国在轴承钢成分设计、产品系列化、标准化等方面与国外还存在较大差距，如品种、牌号单一，针对不同应用领域没有对产品进行系列化细分等。另外，由于从原材料设计到轴承制造再到应用，整个过程周期长、费用高、风险大，导致试验性和开创性的工作不多，无法打造适合自己的具有中国特色的轴承钢和轴承产品体系。
轴承的生产制造是一个系统工程，每一个环节和步骤都至关重要。因此，我国在轴承钢成分设计、生产，轴承制造、热处理、加工装配等各方面，要建立从原材料设计到轴承试验应用的全流程创新平台，进行轴承的试验研发和原创性工作，来打造具有自主知识产权的国产轴承钢、轴承系列产品，不断提升我国轴承制造水平，进一步打破国外对高端轴承的垄断。（东北特殊钢集团副总工程师 李涛/轴承钢室主任 马永强）