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攻克了轴承钢,中国的高端轴承终于不再受制于人了

发表时间:2020-11-30 14:44作者:鸿鹄

说起轴承,它几乎存在于我们生活的每一个角落,我们能想到的大多数机械设备都有它的存在,手机里的振动马达、电脑散热风扇,乃至共享单车、洗衣机、天空中的飞机、海里的舰船……凡是旋转的部分,都需要轴承。

  而这小小的轴承看似不起眼,却也是衡量一个国家科技、工业实力的重要标准,更被视为“高端装备的关节”。跟许多领域一样,中国在中低端轴承领域早已是全球最大的生产和销售基地,但高端轴承却直到不久前才终于有所突破。

(一)轴承的工作环境有多苛刻,你可能想象不到

  轴承,顾名思义,就是要承托转轴、或直线运动轴的机件部分,它的作用是为机械中旋转体或直线来回运动体提供支撑,当其他机件在轴上产生相对运动时,轴承能够保持轴的中心位置并控制该运动。

  其种类极其庞杂,简单来分,可以分成两种,滚动轴承和滑动轴承。无论是哪种轴承,其主要功能都是支撑运动中的旋转体。为了保证机械效率和回转精度,就要求旋转体在运动过程中有低的摩擦系数,因此,轴与轴承间的振动越小、磨损越少、发热越低越好。

  以滚动轴承为例,当它始运转工作之后,轴承内、外套圈、轴承滚动体间就要承受高频、变应力的作用,滚动体与套圈间接触面积很小,单位面积上要承受很大的压力,一般高达1500-5000N/mm^2。同时,滚动轴承还要承受离心力的作用,并且离心力会随转速的增加而增大。

  在这种高频、变应力的作用下,套圈或滚动体的表面很容易产生应力疲劳,最后在抗疲劳强度低的部位产生疲劳裂纹,形成疲劳剥落,使轴承破损失效。

(轴承工作时的载荷和转速是决定轴承寿命的重要因素)

  除了高速转动过程带来的应力挤压、摩擦之外,在特殊条件下工作的轴承,还有特殊要求,如耐高温、耐低温、防腐蚀和抗磁性能等等,轴承的工作条件十分复杂。

(全断面隧道掘进机与其主轴承)

(二)要造出苛刻条件下工作的高端轴承,得有好钢

  高铁、大飞机、重载型武器等高端装备上都有高端轴承的使用需求,而要满足高端轴承在精度、性能、寿命和可靠性等方面的要求,轴承材料的高质量和可靠性是决定性因素。

(空军地勤人员正在维护F15战斗机的F110发动机风扇轴承)

  在滚动轴承的四大组成部分中,除保持器外,内、外套圈、滚动体(滚珠、滚柱或滚针)都是由轴承钢组成,而轴承钢素有“钢中之王”的称号,是钢铁生产中要求最严的钢种。

  轴承钢也有很多种类,根据使用要求的不同,化学成分也不相同,其中高碳铬轴承钢占很大的比例,是制造轴承和轴承零件最常用钢种。

  轴承钢的质量主要取决于以下四个因素:一是钢中的夹杂物含量、形态、分布和大小;二是钢中的碳化物含量、形态、分布和大小;三是钢中的中心疏松缩孔和中心偏析;四是轴承钢产品性能的一致性。这四个因素可以归纳为纯净度和均匀性指标。

  其中,纯净度要求材料中的夹杂物尽量少,纯净度的好坏对轴承的疲劳寿命有直接影响;而均匀性则要求材料中的夹杂物和碳化物颗粒细小、弥散,这会影响到轴承制造中热处理后的变形、组织均匀性等。

(高端轴承钢中均匀细小的碳化物组织和热处理后均匀分布的细小碳化物)

  提高轴承钢的纯净度,首先要做的就是控制钢中的氧含量,炼钢中用ppm(每百万分之一)来作为氧含量的单位,一般来说8个ppm的钢就属于好钢,而高端轴承所需要的则是5个ppm的顶级钢。此外,钛等有害元素等留在钢中易形成多棱角的夹杂物,会引起局部的应力集中,产生疲劳裂纹,也都是应该要尽力避免的。

  目前,随着钢的高纯净度冶炼平台系统的完善,轴承钢纯净度有了很大的提高,夹杂物水平得到有效控制,国外发达国家的钢中氧含量已经控制在5ppm以下,所以钢中碳化物的含量、分布、大小等逐渐变成了当下制约轴承钢质量的主要因素。

(三)有了轴承钢,中国的轴承工艺离世界顶尖水平又近了一步

  一个国家轴承的需求量与国民生产总值总是保持一定的关系,而轴承钢的生产能力和水平又是轴承工业发展的关键制约因素,因而,工业发达国家历来都十分重视轴承钢的生产、质量以及研发工作。

  以前,高端轴承钢的研发、制造与销售一直被美国、瑞典等国家的轴承巨头所垄断,如何获得纯净度高和均匀度好的顶级好钢,一直是这些巨头秘而不宣的核心技术,他们甚至从中国采购低端材质,最后加工成高端轴承,再以数十倍的价格卖到中国市场。

(生产连铸轴承钢的连铸机)

  很长一段时间内,中国的轴承钢产量高,但质量水平低,特别在高端轴承钢方面,与国外先进水平存在很大差距,存在钢中微量杂质元素含量偏高、氧含量水平高出国际先进水平两三倍、钢中碳化物形态均匀性差等问题。

  经过十多年的努力,中国已成为轴承钢生产大国,攻克了诸多轴承钢生产工艺中的难点问题,比如氧含量控制在≤5ppm的世界先进水平,掌握了其内在质量控制的核心技术。

  此外,炼钢过程中加入稀土,使原本优质的钢变得更加“坚强”,是解决高端轴承用钢的技术方向,这类技术原本是世界轴承巨头们的核心秘密,现在也被中国的科研人员攻克,中国的科学家们将稀土轴承钢中影响疲劳寿命的大尺寸夹杂物数量减少了50%。

(中国的首批高端稀土轴承钢顺利下线)

  如今,中国不仅能造出高端轴承钢,而且在国际市场闯出了名堂,中国的轴承钢已经供应给瑞典、德国、日本等国,同时高端轴承钢的疲劳寿命也达到甚至超过日本和欧洲的同期水平。

  有了好钢,下一步要解决的就是轴承的问题了,高端轴承研发涉及材料、设计、轴承制造装备、高精度机械加工、检测与试验等一系列技术难题,还需要接触力学、润滑理论、摩擦学、疲劳与破坏、热处理与材料组织等基础研究和交叉学科的支持,高端轴承技术具有极端的复杂性,掌握难度非常之大。

  目前国产轴承,相比于进口高端轴承,在精度、轴承振动、噪声与异音、可靠性、高速性能方面还有一定差距。

结语

  高端轴承和芯片一样,都是中国必须要掌握的核心技术,虽然仍有不小的距离需要追赶,但中国在轴承领域已经有了不错的产业基础,在可预见的将来,完全有能力赶上世界先进水平。







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