1 中國高端軸承的需求分析

對(duì)國內(nèi)外高端軸承的應(yīng)用調(diào)查表明，作為準(zhǔn)高速鐵路客車和高速鐵路客車最為關(guān)鍵的部件之一的專用配套輪對(duì)軸承，全部需要從國外進(jìn)口，嚴(yán)重制約了國內(nèi)高速鐵路客車產(chǎn)業(yè)的健康和持續(xù)發(fā)展^[8]；國外汽車變速箱軸承使用壽命最低50萬km，而國內(nèi)同類軸承壽命約10萬km，且可靠性、穩(wěn)定性差^[9]；風(fēng)電用軸承的使用壽命要求達(dá)到20年，國內(nèi)目前依然沒有能力提供2MW以上風(fēng)電機(jī)組的增速器軸承和主軸軸承^[10]。國外高速精密機(jī)床主軸軸承高速性能指數(shù) Dn 值可達(dá)到 4 × 10⁶ r/min，而中國同類產(chǎn)品 Dn 值最高不超過 2.5 × 10⁶ r/min ^[11]。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件，國外正在研發(fā)推力比為15～20的第3代航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承，準(zhǔn)備在2020年前后裝配到第5代戰(zhàn)機(jī)，而中國則在進(jìn)行第2代航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的研發(fā)^[12]。

1.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承

近半個(gè)世紀(jì)以來，美國航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在快速發(fā)展，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比從開始的２～３級(jí)提高到7～8級(jí)（第1代航空發(fā)動(dòng)機(jī)）、10～12級(jí)（第2代航空發(fā)動(dòng)機(jī)），再到正在研發(fā)的15～20級(jí)（第3代航空發(fā)動(dòng)機(jī)）的發(fā)展歷程^[13]。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵基礎(chǔ)件的

主軸軸承和齒輪，其壽命與可靠性與國外相比存在較大差距，成為制約中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要因素之一。軸承材料的性能，是決定軸承使用壽命和可靠性的關(guān)鍵因素之一。目前國外軸承采用的軸承鋼從20世紀(jì)中期至今已發(fā)展3代^[14]，包括常溫（小于150 ℃）使用的第1代，如軸承鋼52100；中溫（小于350℃）使用的第2代，如M50和 M50Nil（軸承鋼內(nèi)外圈）。近10年來美國研發(fā)了第3代航空發(fā)動(dòng)機(jī)用軸承齒輪鋼，其代表性鋼種為耐500℃的高強(qiáng)耐蝕軸承鋼 CSS－42L和耐350 ℃高氮不銹軸承鋼 X30（Cronidur 30）。但目前中國仍然普遍使用第2代軸承鋼。為了推動(dòng)中國高功重比、長(zhǎng)壽命和高可靠性航空發(fā)動(dòng)機(jī)的成功研發(fā)，需要對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用耐高溫、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命和高可靠性的第３代耐高溫耐腐蝕軸承鋼進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

1.2 中高檔轎車用軸承

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)^[15]，比例為40% 的滾動(dòng)軸承應(yīng)用于汽車且約占軸承行業(yè)產(chǎn)值的1/3。近年來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和對(duì)汽車性能要求的不斷提高，汽車軸承向著小型化、輕量化、高速化和高效率化及使用條件越來越苛刻的方向發(fā)展。中國汽車產(chǎn)量已從2005年的500多萬輛增加到2015年的2400多萬輛，預(yù)計(jì)2030年中國汽車產(chǎn)量將達(dá)到3500萬輛，汽車用軸承的產(chǎn)值將達(dá)到近900億元。但目前國產(chǎn)汽車用變速箱的壽命為10萬 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外的50萬km，導(dǎo)致中國高檔轎車變速箱全部從國外進(jìn)口。對(duì)于汽車輪轂軸承，中國目前處于廣泛應(yīng)用的第1代和第2代輪轂軸承（球軸承）和研發(fā)第3代輪轂軸承的階段^[16]。第3代輪轂軸承單元的主要優(yōu)點(diǎn)是可靠、有效載荷間距短（剛性高）、易安裝、無需調(diào)整、結(jié)構(gòu)緊湊等。而第３代輪轂軸承單元在歐洲已廣泛應(yīng)用。目前中國引進(jìn)車型大多采用這種輕量化和一體化結(jié)構(gòu)輪轂軸承。另外隨著現(xiàn)代汽車的節(jié)能需求，變速箱結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、質(zhì)量更輕、可靠性更高和噪聲更低。而目前國產(chǎn)轎車用中高檔自動(dòng)變速箱及CVT無級(jí)變速箱等還主要依靠進(jìn)口^[17]。除了軸承設(shè)計(jì)和加工制造以外，像GCr15、S55C、42CrMo和G20CrNiMo等真空脫氣軸承鋼的夾雜物與碳化物的質(zhì)量控制水平低，也嚴(yán)重影響了國產(chǎn)汽車用軸承的壽命與可靠性。

1.3 軌道交通用高端軸承

軌道交通車輛主要包括高速鐵路客車、重載貨車及城市軌道車輛。目前世界高速鐵路客車發(fā)展越來越迅速，運(yùn)行速度越來越高（最高時(shí)速420 km/h）。因其能源消耗與環(huán)境污染是航空運(yùn)輸?shù)?/5，是汽車運(yùn)輸?shù)?/10，成為未來綠色環(huán)保的主要交通工具^[18]。隨著中國鐵路貨車單車載重達(dá)到70 t級(jí)、時(shí)速向120 km邁進(jìn)和壽命達(dá)到150萬 km的發(fā)展，鐵路軸承需要更高的承載能力、更長(zhǎng)的使用壽命和更高的可靠性。目前中國鐵路重載列車用軸承全部采用國產(chǎn)電渣重熔G20CrNi2MoA滲碳鋼制造，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國外采用超高純 真空脫氣軸承鋼材料。另外目前中國電渣鋼中的氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低僅僅達(dá)到 (15～30) × 10^-6，導(dǎo)致電渣軸承鋼中的夾雜物含量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 (4～5) × 10^-6的國外超高純真空脫氣軸承鋼。因此有必要開發(fā)超高純真空脫氣軸承鋼以替代電渣鋼，實(shí)現(xiàn)中國重載鐵路貨車軸承的低成本、長(zhǎng)壽命和高可靠性。另外城市軌道交通進(jìn)入史無前例的快速發(fā)展階段，公共軌道交通已成為在城市和市郊區(qū)域的擁擠街道中代替汽車的主要選擇。但目前國內(nèi)地鐵用軸承長(zhǎng)期被國外SKF、NTN、FAG、TIMKEN、NSK等國際知名企業(yè)壟斷。

目前國外（日本、歐洲與美國）對(duì)超高純軸承鋼（EP鋼）的真空脫氣冶煉技術(shù)、夾雜物均勻化技術(shù)（IQ鋼）、超長(zhǎng)壽命鋼技術(shù)（TF鋼）、細(xì)質(zhì)化熱處理技術(shù)、表面超硬化處理技術(shù)和先進(jìn)的密封潤(rùn)滑技術(shù)等的研究比國內(nèi)系統(tǒng)深入，而且已經(jīng)應(yīng)用到軸承的生產(chǎn)和制造，從而大幅度提升了軸承的壽命與可靠性。而中國所用電渣軸承鋼不僅質(zhì)量水平低于國外高端真空脫氣軸承鋼，而且成本也比真空脫氣鋼高出2000～3000元/噸，所以未來中國需要開發(fā)超高純、細(xì)質(zhì)化、均勻化與質(zhì)量穩(wěn)定的真空脫氣軸承鋼代替目前采用的電渣軸承鋼，需要進(jìn)行以真空脫氣軸承鋼為材料的軌道交通軸承的模擬設(shè)計(jì)、加工制造、密封潤(rùn)滑和應(yīng)用研究，以實(shí)現(xiàn)高速鐵路客車、重載貨車及城市軌道車輛用軸承的低成本化與國產(chǎn)化。

1.4 大型精密高速數(shù)控機(jī)床用軸承

中國高速電機(jī)主軸存在的主要問題是軸承壽命低。國外公司通過對(duì)鋼材、滾動(dòng)體、保持架、潤(rùn)滑和密封方面進(jìn)行研究，推出了Dn值達(dá)到4.0×10⁶ r/min的超高速角接觸主軸軸承^[19]。為滿足磨削等一些惡劣環(huán)境的要求，一些公司還推出了帶有非接觸密封的精密主軸軸承以及密封元件等。國外一些公司可提供注入適量潤(rùn)滑脂的密封主軸軸承，用戶使用時(shí)不需要清洗和加入潤(rùn)滑脂，便于裝配，避免污染，達(dá)到長(zhǎng)壽命。與國外機(jī)床軸承對(duì)比，國產(chǎn)軸承存在精度儲(chǔ)備量低、精度不穩(wěn)定、短期喪失原有精度；軸承溫升高；因材質(zhì)和熱處理因素導(dǎo)致軸承壽命低；尺寸允差離散度偏大和配對(duì)角接觸軸承的預(yù)載荷偏差量大等等一系列問題^[20]。

可以看出，作為高端裝備之母的機(jī)床軸承在模擬設(shè)計(jì)、加工制造、密封潤(rùn)滑以及軸承材料等方面全面落后于國外。在軸承用鋼材質(zhì)量控制技術(shù)方面，中國使用的高端真空脫氣軸承鋼的質(zhì)量一般只能達(dá)到國外Z級(jí)鋼的水平，迫切需要開發(fā)超純凈軸承鋼（相當(dāng)于EP鋼）以及更高級(jí)別的SHX鋼來滿足高精度高速機(jī)床軸承的使用要求。要加速中國加工制造業(yè)的發(fā)展，高檔精密機(jī)床用軸承的系統(tǒng)化研究應(yīng)該成為中國高端裝備基礎(chǔ)件研發(fā)的重中之重，這包括超高純軸承鋼冶煉技術(shù)研發(fā)、長(zhǎng)壽命新材料技術(shù)（SHX）、高精度加工和先進(jìn)熱處理技術(shù)等。

1.5 大型薄板軋機(jī)設(shè)備用軸承

軋鋼機(jī)軸承，特別是軋機(jī)軋輥輥頸軸承，作為軋機(jī)設(shè)備中的關(guān)鍵零件，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響了軋機(jī)的使用壽命^[21]。目前國產(chǎn)軋機(jī)軸承的壽命短，可靠性差，滿足不了客戶需求，這是國內(nèi)軋機(jī)軸承存在的一個(gè)共性問題。日本NSK與NTN軸承公司分別開發(fā)了表面奧氏體強(qiáng)化技術(shù)，即通過增加表層奧氏體含量，開發(fā)出了TF軸承和WTF軸承，從而將軸承的壽命提高了6～10倍^[22]。

大多數(shù)軋機(jī)輥頸軸承的損壞是由于軋制過程中軋制油和氧化皮侵入軸承內(nèi)部引起的。未來發(fā)展方向就是如何通過材料選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)、表面處理來進(jìn)一步提高軋機(jī)軸承的使用壽命、使用溫度和運(yùn)轉(zhuǎn)精度。目前國內(nèi)關(guān)鍵軸承選擇采用電渣重熔滲碳軸承鋼來保證軋機(jī)軸承的壽命與運(yùn)轉(zhuǎn)精度。未來需要進(jìn)行軋機(jī)用GCr15SiMn和G20Cr2Ni4等軸承鋼的超高純真空脫氣冶煉和軸承表層大奧氏體量控制熱處理等技術(shù)的研發(fā)，以提高軋機(jī)軸承的壽命、精度和降低軋機(jī)軸承的成本。

1.6 風(fēng)力發(fā)電裝備用軸承

軸承屬于風(fēng)電機(jī)組的核心零部件。風(fēng)電軸承的范圍涉及從葉片、主軸和偏航所用的軸承，到齒輪箱和發(fā)電機(jī)用的高速軸承。由于風(fēng)電設(shè)備使用環(huán)境惡劣、安裝維修維護(hù)不便，對(duì)軸承零件的質(zhì)量要求更嚴(yán)格。不但要求軸承具有足夠的強(qiáng)度和承載能力，還要求其壽命一般不低于20年^[23]。

目前國產(chǎn)風(fēng)電軸承逐漸形成了規(guī)?；?、系列化生產(chǎn)，但僅僅限于風(fēng)電機(jī)組中技術(shù)門檻相對(duì)較低的偏航軸承和變槳軸承，而無法生產(chǎn)技術(shù)含量較高的主軸軸承和增速器軸承；目前中國3MW以下風(fēng)電機(jī)組的批量生產(chǎn)能力達(dá)4.5萬套以上，國產(chǎn)替代率已達(dá)到80%以上，但對(duì)主軸軸承和增速器軸承，基本還是依靠進(jìn)口。3MW以上的風(fēng)電機(jī)組配套軸承的國產(chǎn)化問題還沒有解決^[24]。

國外為了提高風(fēng)電軸承的強(qiáng)度、韌性和使用壽命，采用了新型特殊熱處理鋼SHX（40CrSiMo），對(duì)于偏航和變漿軸承，通過表面感應(yīng)淬火熱處理控制淬硬層深度、表面硬度、軟帶寬度和表面裂紋（尤其是齒根部位）的控制；對(duì)于增速器軸承和主軸軸承采用碳氮共滲使零件表面得到較多的穩(wěn)定殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)（30%～35%）和大量細(xì)小的碳化物、碳氮化物，大大提高軸承在污染潤(rùn)滑工況下的使用壽命^[25]。

材料質(zhì)量是決定風(fēng)電軸承的最重要因素，中國風(fēng)電軸承與國外的差距，材料是主要因素，其次為風(fēng)電軸承設(shè)計(jì)、工藝水平和工藝裝備。未來中國風(fēng)電主軸軸承和增速器軸承的國產(chǎn)化，需要對(duì)風(fēng)電軸承材料、風(fēng)電軸承的模擬設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究，解決中國風(fēng)電機(jī)組用主軸軸承和增速器軸承的國產(chǎn)化問題。