制作高鐵軸承的材料就是素有“鋼中之王”稱號的軸承鋼，它是高鐵冶煉中要求最嚴(yán)格的鋼種之一。而如何鍛造出“高純凈度”和“高均勻性”的軸承鋼，將鋼中含氧量控制在最低，一直是我國鋼鐵企業(yè)面臨的難題。
運(yùn)用PTR技術(shù)生產(chǎn)的成品
近年，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院劉東教授和其團(tuán)隊研發(fā)的強(qiáng)力旋軋技術(shù)（PTR），打破國外巨頭技術(shù)壟斷，突破我國軸承鋼“卡脖子”技術(shù)，破解行業(yè)難題。
1. 小零件的大難題
軸承的工作環(huán)境嚴(yán)峻而復(fù)雜，不僅需要高速穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，而且還要承受強(qiáng)力的擠壓、摩擦，甚至超高溫的歷練。因而對軸承鋼的質(zhì)量和可靠性提出了更為嚴(yán)苛的要求。
與傳統(tǒng)技術(shù)相比，PTR技術(shù)可得到更為細(xì)小彌散的碳化物
軸承鋼的質(zhì)量如何提升？劉東教授告訴我們，一是內(nèi)部足夠純凈，夾雜物質(zhì)越少越好；二是足夠均勻，材料內(nèi)的顆粒物盡量細(xì)小、彌散。
"令人遺憾的是，一直以來，我國所生產(chǎn)的軸承鋼質(zhì)量與國際先進(jìn)水平有較大差距。以夾雜物為例，國外產(chǎn)品夾雜物尺寸完全小于等于10μm，而國內(nèi)最大粒徑達(dá)到50-52μm，大小相差五倍之多 。”
很多企業(yè)無法從國內(nèi)廠家尋求到符合高使用需求的軸承鋼，不得不花高價進(jìn)口。高端軸承鋼的研發(fā)、制造與銷售長期被美國、瑞典等國的軸承巨頭所壟斷，核心技術(shù)更是被嚴(yán)密封鎖。
這也就意味著，我們每制造一套產(chǎn)品就需要向國外買一次軸承。
2. “十年磨一劍”，難題終攻克
秉持著從“鋼鐵大國”發(fā)展為“鋼鐵強(qiáng)國”的夢想，劉東教授和其團(tuán)隊一路走來，攻堅克難，他驕傲地告訴記者“經(jīng)過我們國家?guī)资甑呐Γ鹾俊A雜物、偏析等技術(shù)問題已經(jīng)得到有效解決。
行業(yè)中最后一個老大難——‘碳化物’，也終于被我們團(tuán)隊攻克！”軸承鋼屬于高碳鋼，其含碳量在所有鋼中比較高。如果碳化物分布不均勻且呈大塊狀，就會嚴(yán)重影響質(zhì)量。
劉東教授解釋說“就像揉面的時候撒了一把鹽，要是面沒有揉碎揉勻，那么面里就都是又咸又硬的疙瘩。”“讓鹽更細(xì)小均勻的分布在面里”就是劉東教授和團(tuán)隊追求的目標(biāo)。
3. PTR技術(shù)或為汽車制造行業(yè)帶來新變革
據(jù)劉東老師介紹，中國軸承行業(yè)已形成近2000億元的行業(yè)銷售規(guī)模，而且每年以12%—15%的速度增長，但生產(chǎn)的軸承還是以中低端軸承和中小型軸承為主。其中汽車軸承占40%左右，強(qiáng)力旋軋技術(shù)的出現(xiàn)或?qū)⒂辛Ω淖冞@一現(xiàn)狀。
較于傳統(tǒng)技術(shù)，PTR技術(shù)單道次晶粒細(xì)化程度高
實驗室數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)用強(qiáng)力旋軋（PTR）技術(shù)，晶粒尺寸由原來的50μm細(xì)化至10μm，碳化物尺寸僅為原先的1/10。首次將100年來，一直徘徊在600-700HV的GCr15軸承鋼硬度提高至900HV以上，處于世界頂尖水平。除此以外，采用該技術(shù)后軸承壽命和可靠性得到大幅度提高，平均壽命達(dá)到計算壽命的26倍，可靠性達(dá)99.9%。
目前，通過PTR技術(shù)改性后的軸承鋼已在多個項目中得到運(yùn)用，完全能夠滿足高端質(zhì)量要求，將該技術(shù)運(yùn)用到其他材料中，也取得了非常良好的效果，運(yùn)用于鈦合金和高溫合金中屬于世界首創(chuàng)。
“用我們的技術(shù)生產(chǎn)出得軸承鋼表現(xiàn)非常亮眼，今年，已有多家企業(yè)聯(lián)系了我們，希望我們的技術(shù)可以為汽車制造行業(yè)帶來革新。”談及未來，劉東教授充滿信心，一個嶄新而廣闊的市場正在等待挖掘。我國軸承在非常艱難的環(huán)境中殺出了一個未來，可能現(xiàn)在我國從工業(yè)精度來說確實比不上西方，可是隨著時間的推移我國的工業(yè)會越來越出色，從前幾年制定2025工業(yè)制造的時候我就知道，中國工業(yè)的崛起絕對不是說說而已，而是國家的大力支持。
工業(yè)并不是比一個軸承的精度，也不是比一個成功的案例，而是一整套工序下來完成的東西和配套的設(shè)備與技術(shù)，如果我國能做到像日本一樣配套流程可以完全自主，那么在未來也沒有什么顧慮了。
（來源：西北工業(yè)大學(xué)）
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卡中國脖子的幾種高端鋼鐵產(chǎn)品
或許有人非常不服氣，既然我們自己也能生產(chǎn)，為什么不用國產(chǎn)軸承呢？數(shù)據(jù)表明，由國外進(jìn)口的軸承實際壽命為計算壽命的8倍以上，甚至可以達(dá)到30倍，可靠性大于98%，而國產(chǎn)軸承壽命卻為計算壽命的3倍，最高不過5倍，可靠性為96%左右。
這樣的軸承或許可以用在一些低端機(jī)械，但對于航空、高鐵等高要求的零件上，我們不得不選擇進(jìn)口軸承。目前世界前十的軸承廠商中，有五家日本企業(yè)和兩家德國企業(yè)、一家美國企業(yè)，這三個國家的高端軸承也屬于世界頂尖，中國每年都需要花費十幾倍的價錢從德美日大量進(jìn)口高級軸承。
但是也很無奈，別人的高端軸承振幅小、磨損率低、發(fā)熱少、質(zhì)量極佳，我國巨大的工業(yè)生產(chǎn)需要，每年這樣的交易也讓許多資金從國人的口袋流向了外國。而外國企業(yè)的野心遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及于此，美國企業(yè)甚至到山東建廠，從中國采購低端材質(zhì)，運(yùn)用技術(shù)做成高端軸承后以十倍價錢轉(zhuǎn)手賣給中國。
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。無論飛機(jī)、汽車、高鐵，還是高精密機(jī)床、儀器儀表，都需要軸承。這就對其精度、性能、壽命和可靠性提出了高要求。而在發(fā)動機(jī)中，軸承一直在“煉獄”中工作，它不僅要以每分鐘上萬轉(zhuǎn)的速度長時間高速運(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，而決定這四點的關(guān)鍵因素，在于其材質(zhì)。
遺憾的是，雖然我國的制軸工藝已經(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進(jìn)口。
在滾動軸承的四大組成部分中，除保持器外，內(nèi)、外套圈、滾動體（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”的稱號，是鋼鐵生產(chǎn)中要求最嚴(yán)的鋼種。
軸承鋼也有很多種類，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（每百萬分之一）來作為氧含量的單位，一般來說8個ppm的鋼就屬于好鋼，而高端軸承所需要的則是5個ppm的頂級鋼。
目前國產(chǎn)軸承，相比于進(jìn)口高端軸承，在精度、軸承振動、噪聲與異音、可靠性、高速性能方面還有一定差距。
超高強(qiáng)度鋼是用于制造承受較高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件的一類合金鋼。一般屈服強(qiáng)度大于1180MPa，抗拉強(qiáng)度大于1380MPa，這類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！
不過今年2月16日報道稱：美國政府考慮禁止LEAP-1C大涵道渦扇發(fā)動機(jī)出口，報道內(nèi)容指出此舉意在封殺C919客機(jī)，讓C919客機(jī)沒有發(fā)動機(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：C919客機(jī)將重蹈運(yùn)10的覆轍。
用于火箭發(fā)動機(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)。完全依靠材料自身實現(xiàn)高強(qiáng)度和防銹性能兼?zhèn)洌@是世界性難題。現(xiàn)在，我國航天材料大多用的是國外上世紀(jì)六七十年代用的材料，發(fā)達(dá)國家在生產(chǎn)過程中會嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，如果純度不達(dá)標(biāo)，便重新回爐，但國內(nèi)廠家往往缺乏這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。
316H奧氏體不銹鋼已不折不扣地成為核電裝備“卡脖子”材料。
日前，鞍鋼成功實現(xiàn)四代核電600MW示范快堆項目316H奧氏體不銹鋼產(chǎn)品開發(fā)，并完成首批合同供貨，解決了該產(chǎn)品從無到有的“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)。
目前為止，德國和奧地利是世界上唯一擁有銑刀制作技術(shù)的國家，整個歐洲的鋼軌維護(hù)也是被他們壟斷，而我國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內(nèi)的專家們無可奈何。
最近今年內(nèi)，我國已經(jīng)在加緊對這一項目的攻關(guān)，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的銑刀技術(shù)。
我國合金粉末產(chǎn)品品種依然不足，中低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩和高端、高品位金屬粉末依賴進(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)動機(jī)、航天器和火箭發(fā)動機(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、燃燒室等）基本依賴進(jìn)口，“卡脖子”問題日益突出。
真空霧化高溫合金粉末
中國的鋼鐵產(chǎn)量超過了世界所有國家的總產(chǎn)量之和，占比超過51%。但是我國鐵礦資源并不多，主要還是依賴進(jìn)口。
其中最優(yōu)質(zhì)的鐵礦石來自兩個國家，一個是澳大利亞，一個是巴西，其中澳大利亞每年的鐵礦石產(chǎn)量占全球的80%。但自從我國進(jìn)入鋼鐵市場之后，鐵礦價格一路飆升，我國鋼鐵行業(yè)的成本一路飆升。
本文舉例的幾種鋼鐵產(chǎn)品與芯片一樣，都是我國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)見的將來，相信中國完全有能力趕上世界先進(jìn)水平。
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