7 重大装备用高品质轴承用钢的发展及其质量控制_刘雅政
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８卷 第８期 第４ ０ １ ３年８月 ２
钢
铁
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重大装备用高品质轴承用钢的发展及其质量控制
刘雅政 ， 周乐育 ， 张朝磊 ， 张 丹， 孙景宏
特殊钢是重大装备制造和国家重点工程建设所 需的关键材料 ， 其生 产 和 应 用 代 表 了 一 个 国 家 的 冶 金工业发展水平 。 虽然中国钢铁产量连续多年位居 世界第一 ， 成为名副其实的钢铁生产大国 ， 但尚不能 称为钢铁强国 ， 中 国 特 殊 钢 还 落 后 于 日、 美、 欧等发 达国家和地 区 。 目 前 全 世 界 约１ ５ ０ ０ 万 ｔ的 特 钢 贸 ／ 易中 ， 日本占到世界特钢出口量的 １ 而中国尚 ３强， 而且是以中低档特 不到世界特 钢 出 口 市 场 的 ２％ ， 钢产 品 为 主 。 诸 多 特 殊 钢 高 端 产 品 ， 如 高 铁、 风 电、 精密机床 、 盾构机等重型装备用轴承钢 ， 大飞机用高 强钢 、 不锈钢和轴承 钢 等 材 料 尚 不 能 满 足 设 计 性 能 要求 ， 核电及超临界 火 电 机 组 关 键 部 件 用 特 殊 钢 材 料仍主要依赖进口 ， 高性能微合金非调质钢棒材 、 高
［ ］ １ ５ １ ６ －
。目 前， 中国特殊钢
生产企业有近 １ 特钢市场供大于求的格局已 ０ ０ 家， 经形成 ， 但产品档次不高 ， 能耗高 ， 名牌产品缺乏 ， 市 仅有几个企业的轴承 场竞争力差 。 就轴 承 钢 而 言 ， 钢质量得到 了 Ｓ Ｋ Ｆ、 Ｆ ＡＧ、 Ｎ Ｓ Ｋ、 ＮＴＮ 等 世 界 著 名 轴承公司的认证或允许他们在中国开设的轴承厂使 用这几个企业的轴承钢制成轴承零件 。 而相当数量 的特殊钢生产企业 没 有 掌 握 关 键 技 术 ， 生产的多为 结果是 ， 在技术含量低的产品 低附加值轴承钢产品 ， 市场 ， 供大于求 ； 在 技 术 含 量 较 高 的 产 品 市 场， 国内 ／ 高质量轴承钢的供应仅为需 求 的 １ 主要依赖进 １ ０， 口 。 轴承钢质量严 重 影 响 了 中 国 下 游 行 业 的 发 展 ， 从图 １ 所示的 ２ ０ １ ０ 年 １—９ 月中国轴承行业的进出 共累计出口轴承３ 创汇２ 口情况可见 ， ０ 亿 套， ３． ５ ３ 亿美元 ； 累计进口轴承１ 用 汇２ ３． ３ ９ 亿 套， ８． ０ ８亿 美 虽然出口量增 大 ， 但 进 出 口 价 值 逆 差 在 增 大， 为 元， 进口轴承的附加 值 在 不 断 提 高 。 由 于 ４． ５ ５ 亿美元 ， 中国轴承工业发展跟不上拉动内需所大力发展高瑞 装备的需要 ， 却强力拉动了高端轴承进口 。 因此 ， 开 发、 应用高 附 加 值 轴 承 钢 ， 提高产品竞争力刻不容
·２·
钢 铁
第４ ８卷
前轿车 、 高铁 、 风电 、 精密机床 、 大型机械主轴配套轴 承等重型装备用的高端轴承一直是中国轴承行业的 软 肋 ，长 期 依 靠 进 口 路
［ ］ ４， ７， １ ３ １ ４ － ［ ］ ４ ５， ７ １ ２ － －
高速列车轴承全部进口 。 同时 ， 随着 “ 十二 五 ” 期间中国建设规划的规模 将进一步提高 ， 高速客运专线 、 城市地铁建设将步入 高速发展时期 。 对轨道建设施工设备的需求将迎来 高峰 ， 中国已经成为世界最大的盾构机市场 ， 而目前 在中 国 盾 构 机 市 场 上 国 外 盾 构 机 的 占 有 率 高 达 盾构机国产 ９ ５％ 以 上 。 面 对 广 大 的 市 场 应 用 前 景 ， 化替代进口是未来的目标和主要任务 。 另外 ， 在传统能源的相对匮乏 、 环境压力以及地 缘政治的强烈不安 全 感 ， 使得各国在发展包括风电
８ ９， １ ２］ － 。按照中国 在内的可再 生 能 源 方 面 不 遗 余 力 ［
。尤 其 在 高 速 铁
wenku.baidu.com
行业上 ， 仅未来 ５ 年铁路轴承市场营销总
额就可达近 ２ 但目前这一市场仍被国外轴承 ０ 亿元 ， 企业垄断 ， 严重制 约 了 国 内 高 速 铁 路 客 车 产 业 的 正 常发展 ， 影响了高速铁路客车轴承的国产化配套 。 轴承质量除了轴承结构设计 、 制造精度外 ， 轴承 其对轴承产品的质量 、 使用寿命和可靠 用钢是关键 ， 性能具有至 关 重 要 的 作 用
质量模具钢锻材和新一代粉末高速工具钢不能 满足 国内制造业发展需求 ， 电力 、 电子 、 军工等尖端领域亟 需的高品质硅钢受制于国外技术封锁和进口限制 。 “ 十二五 ” 期间 ， 国家把高品质特殊钢作为战略 性新兴产业 ， 其中 ， 重大装备用轴承钢是一个重要领 域 。 笔者基于目前高端轴承应用需求 ， 分析了高铁 、 风电 、 盾构机等重大 装 备 领 域 轴 承 需 求 现 状 和 性 能 介绍了国内外 轴 承 钢 的 发 展 方 向 和 钢 种 开 发 要求 ， 情况 ， 并讨论了轴承钢质量控制原理和思路 ， 以及今 后发展方向 。
１ 高端轴承的生产与应用现状
］ １ ６ － ， 轴承是国家重大技术装备的关键零部件 ［ 目
， ： ； 作者简介 ：刘雅政 （ 女， 硕士 ， 教授 ； １ ９ ５ ２—） ａ ｉ ｌ ｌ ｚ ｈ ｓ ｔ ｂ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ ２ ０ １ ３ ０ ７ １ ６ Ｅ－ｍ ＠ｕ 收稿日期 ： － － ｙ
（ ） 北京科技大学材料科学与工程学院 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ 摘 要 ：随着汽 车 、 高铁、 精密机床、 风电等重大装备的应用与建设， 对轴承提出了高品质、 长寿命和高可靠性的要 制造精度外 ， 轴承用钢对 轴 承 产 品 的 质 量 具 有 至 关 重 要 的 影 响 。 基 于 目 前 高 端 轴 承 应 用 求 。 除了轴承结构设计 、 需求 ， 分析了高铁 、 风电 、 盾构机等重大装备领域轴承 需 求 现 状 和 性 能 要 求 ， 介绍了国内外轴承钢的发展方向和钢 种开发情况 ， 并讨论了轴承钢质量控制原理和思路 。 轴 承 钢 产 品 质 量 控 制 的 目 标 可 归 纳 为 纯 净 化 、 精细化和均匀 低有害元素含量 、 碳化物液析 、 元素偏析带状、 结晶组织缺陷、 夹杂物控 化 。 其中冶金和凝固过程通过窄成分控制 、 制等以获取洁净钢 。 后续轧制锻造工序通过控轧控冷实现组织的均匀化和精细 化 控 制 ， 以满足后续热处理等工序 的加工性要求 。 关键词 ：轴承钢 ； 重型装备 ； 质量控制 ； 洁净钢 ； 均匀化 ） 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ： ０ ４ ４ ９ ７ ４ ９ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ０ ８ ０ ０ ０ １ ０ ８ － － －
（ ，Ｕ ， ， ） Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ １ ０ ０ ０ ８ ３ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｇ ｇ ｙ ｇ ｙ ｊ ｇ ｊ ｇ ：Ａ ， ， ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｈ ｅ ａ ｖ ｅ ｕ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ｏ ｂ ｉ ｌ ｅ ｈ ｉ ｈ ｓ ｅ ｅ ｄ ｒ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｐ ｐ ｐ ｙ ｑ ｐ ｇ ｐ ｙ ， ， ａ ｎ ｄ ｗ ｉ ｎ ｄ ｈ ｉ ｈ ｒ ｅ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｌ ｏ ｎ ｆ ａ ｔ ｉ ｕ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｈ ａ ｖ ｅ ｂ ｅ ｅ ｎ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｏ ｗ ｅ ｒ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｒ ｏ － ｇ ｑ ｇ ｇ ｇ ｙ ｐ ｐ ｑ ｙ ｐ ， ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ． Ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｋ ｅ ｔ ｏ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｉ ｎ ａ ｄ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｓ ｅ ｄ ｏ ｉ ｎ ｔ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｇ ｇ ｙ ｇ ｐ ｐ ｑ ｙ ， ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｍ ａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｏ ｆ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｉ ｎ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｏ ｆ ｈ ｉ ｈ ｓ ｅ ｅ ｄ ｒ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｗ ｉ ｎ ｄ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ． Ｒ ｅ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｒ ｏ ｅ ｒ ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｇ ｇ ｇ ｇ ｐ ｙ ｐ ｑ ｐ ｐ ｙ ｐ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｂ ｏ ｒ ｉ ｎ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ（ Ｔ ＢＭ）ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ．Ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｗ ａ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ．Ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｎ ｄ ｇ ｙ ｐ ｇ ｙ ， ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｌ ｅ ｏ ｆ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｗ ａ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ａ ｉ ｍ ｏ ｆ ｃ ｌ ｅ ａ ｎ ｈ ｏ ｍ ｏ ｅ ｎ ｉ ｚ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｆ ｉ ｎ ｅ ｄ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ． Ｃ ｌ ｅ ａ ｎ ｐ ｐ ｇ ｇ ， ， ， ， ｉ ｓ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｅ ｃ ｏ ｍ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｌ ｏ ｗ ｈ ａ ｒ ｍ ｆ ｕ ｌ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｍ ｏ ｕ ｎ ｔｃ ａ ｒ ｂ ｉ ｄ ｅ ｅ ｌ ｉ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｅ ｒ ｅ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｙ ｐ ｐ ｑ ｇ ｇ ｄ ｅ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｍ ｅ ｌ ｔ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｈ ｏ ｍ ｏ ｅ ｎ ｉ ｚ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｆ ｉ ｎ ｅ ｄ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｗ ａ ｓ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｇ ｇ ｇ ， ｂ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ ｒ ｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｒ ｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ｏ ｒ ｆ ｏ ｒ ｉ ｎ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｔ ｏ ｍ ｅ ｅ ｔ ｉ ｎ ｗ ｏ ｒ ｋ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｏ ｆ ｓ ｕ ｂ ｓ ｅ ｕ ｅ ｎ ｔ ｙ ｇ ｇ ｇ ｇ ｇ ｇ ｐ ｇ ｙ ｑ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ． ｐ ： ； ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｈ ｅ ａ ｖ ｅ ｕ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｃ ｌ ｅ ａ ｎ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｈ ｏ ｍ ｏ ｅ ｎ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ ｙ ｑ ｐ ｇ ｑ ｙ ｙ
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生产企业有近 １ 特钢市场供大于求的格局已 ０ ０ 家， 经形成 ， 但产品档次不高 ， 能耗高 ， 名牌产品缺乏 ， 市 仅有几个企业的轴承 场竞争力差 。 就轴 承 钢 而 言 ， 钢质量得到 了 Ｓ Ｋ Ｆ、 Ｆ ＡＧ、 Ｎ Ｓ Ｋ、 ＮＴＮ 等 世 界 著 名 轴承公司的认证或允许他们在中国开设的轴承厂使 用这几个企业的轴承钢制成轴承零件 。 而相当数量 的特殊钢生产企业 没 有 掌 握 关 键 技 术 ， 生产的多为 结果是 ， 在技术含量低的产品 低附加值轴承钢产品 ， 市场 ， 供大于求 ； 在 技 术 含 量 较 高 的 产 品 市 场， 国内 ／ 高质量轴承钢的供应仅为需 求 的 １ 主要依赖进 １ ０， 口 。 轴承钢质量严 重 影 响 了 中 国 下 游 行 业 的 发 展 ， 从图 １ 所示的 ２ ０ １ ０ 年 １—９ 月中国轴承行业的进出 共累计出口轴承３ 创汇２ 口情况可见 ， ０ 亿 套， ３． ５ ３ 亿美元 ； 累计进口轴承１ 用 汇２ ３． ３ ９ 亿 套， ８． ０ ８亿 美 虽然出口量增 大 ， 但 进 出 口 价 值 逆 差 在 增 大， 为 元， 进口轴承的附加 值 在 不 断 提 高 。 由 于 ４． ５ ５ 亿美元 ， 中国轴承工业发展跟不上拉动内需所大力发展高瑞 装备的需要 ， 却强力拉动了高端轴承进口 。 因此 ， 开 发、 应用高 附 加 值 轴 承 钢 ， 提高产品竞争力刻不容
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高速列车轴承全部进口 。 同时 ， 随着 “ 十二 五 ” 期间中国建设规划的规模 将进一步提高 ， 高速客运专线 、 城市地铁建设将步入 高速发展时期 。 对轨道建设施工设备的需求将迎来 高峰 ， 中国已经成为世界最大的盾构机市场 ， 而目前 在中 国 盾 构 机 市 场 上 国 外 盾 构 机 的 占 有 率 高 达 盾构机国产 ９ ５％ 以 上 。 面 对 广 大 的 市 场 应 用 前 景 ， 化替代进口是未来的目标和主要任务 。 另外 ， 在传统能源的相对匮乏 、 环境压力以及地 缘政治的强烈不安 全 感 ， 使得各国在发展包括风电
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１ 高端轴承的生产与应用现状
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， ： ； 作者简介 ：刘雅政 （ 女， 硕士 ， 教授 ； １ ９ ５ ２—） ａ ｉ ｌ ｌ ｚ ｈ ｓ ｔ ｂ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ ２ ０ １ ３ ０ ７ １ ６ Ｅ－ｍ ＠ｕ 收稿日期 ： － － ｙ
（ ） 北京科技大学材料科学与工程学院 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ 摘 要 ：随着汽 车 、 高铁、 精密机床、 风电等重大装备的应用与建设， 对轴承提出了高品质、 长寿命和高可靠性的要 制造精度外 ， 轴承用钢对 轴 承 产 品 的 质 量 具 有 至 关 重 要 的 影 响 。 基 于 目 前 高 端 轴 承 应 用 求 。 除了轴承结构设计 、 需求 ， 分析了高铁 、 风电 、 盾构机等重大装备领域轴承 需 求 现 状 和 性 能 要 求 ， 介绍了国内外轴承钢的发展方向和钢 种开发情况 ， 并讨论了轴承钢质量控制原理和思路 。 轴 承 钢 产 品 质 量 控 制 的 目 标 可 归 纳 为 纯 净 化 、 精细化和均匀 低有害元素含量 、 碳化物液析 、 元素偏析带状、 结晶组织缺陷、 夹杂物控 化 。 其中冶金和凝固过程通过窄成分控制 、 制等以获取洁净钢 。 后续轧制锻造工序通过控轧控冷实现组织的均匀化和精细 化 控 制 ， 以满足后续热处理等工序 的加工性要求 。 关键词 ：轴承钢 ； 重型装备 ； 质量控制 ； 洁净钢 ； 均匀化 ） 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ： ０ ４ ４ ９ ７ ４ ９ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ０ ８ ０ ０ ０ １ ０ ８ － － －
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