"轴承钢全产业链高质量发展"专题之二

 

产业链自主研发突破高端轴承国产化“卡脖子”技术

 

本文从我国轴承和轴承钢的进出口情况出发，阐述了我国轴承钢在国际市场已经彰显竞争实力，特钢企业直接出口至国外和在国内的国外轴承企业的轴承钢近百万吨；相比之下，中国虽然生产全球最多的轴承，但是对国际市场的影响力较弱，我国轴承行业的发展亟待提速。此外，本文从国外轴承企业在原料使用方面的策略以及同类产品实物对比的结果等不同角度指出了我国轴承制造业出现技术瓶颈的根本原因，阐明了在哪些方面与国外高端轴承存在差距，并提出了缩小差距、突破技术瓶颈的切实可行的建议。

 

1 中国高端轴承制造究竟卡在何处

 

国内媒体在提到中国“卡脖子”技术时，将轴承钢列为我国“卡脖子”技术之一。这一说法有失偏颇，不利于政府决策和行业部门组织技术攻关。我国现阶段在航空、高铁、机器人、计算机、空调器、精密机械、大型轧机和盾构机等产业所用高端轴承确实主要依赖进口，这是由于国产轴承的实物质量与日本、德国、美国和瑞典等国相比差距很大，突出表现在其寿命和可靠性等方面落后很多。但是高端轴承国产的关键技术瓶颈是否就是轴承用钢不过关，可以从轴承和轴承钢的进出口统计数据中窥得一二。

 

1.1我国轴承行业对国际市场的影响力较弱

 

首先是轴承的进出口情况。根据中国轴承工业协会的统计，中国生产的轴承件、套数约占全球的一半，世界主要轴承生产国，除中国外，还有日本、德国、瑞典和美国等，其中，日本有NSK、NTN、NMB、IKO、EKI，德国有舍弗勒（Schaeffler，旗下三大品牌FAG、INA和LuK），瑞典有斯凯孚（SKF），美国有铁姆肯（TIMKEN），都是世界知名轴承制造企业。2019年中国轴承规模以上（销售额大于2000万元）企业营业收入为1770亿元，去除外资企业营业收入约440亿元，中国内资企业的轴承业务收入约为1330亿元，折合约190亿美元，约占世界轴承销售总额的24%；2019年世界轴承业务收入估计约为800亿美元，去除中国市场仍有610亿美元的市场；而当年我国轴承出口（含外资出口）53.21亿美元，仅占世界外部市场的8.7%；如果再去除外资企业在中国设厂的出口，真正国内轴承企业出口占世界外部市场的比例将会更低。2019年德国舍弗勒（Schaeffler）全球销售额达到114.27亿欧元，瑞典斯凯孚（SKF）全球销售额为860.13亿克朗。中国虽然生产全球最多的轴承，但是年营业收入仅与舍弗勒或斯凯孚一家轴承企业的水平相当。从出口金额占比和营业收入水平看，我国轴承行业对全球轴承产业而言几乎无足轻重，再加上中高端产品基本没有竞争力，我国轴承行业的发展亟需提速。

 

1.2我国轴承钢进出口量对比及其原因

 

再来看轴承钢的进出口情况。海关统计的2014-2016年内的棒材进口统计数据显示，2015年全国进口轴承钢仅1.57万吨，这其中1.54万吨其实是日本在国内的轴承企业从日本关联钢厂进口的，也就是说，国内企业真正从国外进口的轴承钢才数百吨。此后，尽管没有获得详细的海关进口数据，但据相关部门估计，目前轴承钢棒材进口量每年也仅为3-4万吨。反观我国轴承钢的出口，包括兴澄、大冶、宝钢、石钢等特钢企业直接出口至国外和在国内的国外轴承企业的轴承钢目前近百万吨，且呈现稳步增长趋势，这些用户包括斯凯孚、舍弗勒、NTN等世界顶级轴承制造商。

 

如果说阻碍中国轴承质量提高的瓶颈在于轴承钢，那为什么中国的轴承企业不进口国外的高质量轴承钢，进而生产出与国外斯凯孚、舍弗勒类似质量的轴承？为什么中国的轴承钢反而又大量出口到国外知名轴承企业？

 

答案是显然的，因为中国国内轴承企业所生产的轴承长期以来质量、可靠性方面较外资品牌差距较大，售价也低很多。如此发展的结果是，国内轴承企业只有通过进一步压低成本和售价来占据市场，导致该行业出现因利润微薄而无法通过技术升级进行换血再造、品牌建设的恶性循环；同时，国内特钢企业也更愿意将经过严格检验的高质量轴承钢以较高的价格出售给外资企业。

 

2 如何克服高端轴承国产化的“卡脖子”技术

 

2.1借鉴国外先进轴承企业经验，找到技术瓶颈

 

对于如何克服高端轴承国产化的“卡脖子”技术，首先要实事求是地找到国产化的技术瓶颈。轴承作为工业制造的基本零部件，其寿命和可靠性依赖于设计、制造装配、热处理、润滑和材料等诸多环节，轴承钢只是其中一环。事实上，斯凯孚、舍弗勒等国外轴承企业购买中国的轴承钢时，一是要提出远超过国标的额外技术指标要求；二是各企业会对采购的轴承钢进行质量评级，根据评级来确定不同质量级别对应的应用场景。而这些对轴承钢的检验、检测的要求、方法和如何评价是通过自身长期的实践和知识积累而来的。我国轴承企业和很多基础制造工业一样，初期技术来源主要靠进口，而后续的技术升级依然期望进口，自身缺乏获得长足的技术进步的实力。例如，在轴承设计方面，国外先进轴承企业普遍采用有限元仿真软件进行设计，其中集成了各种材料的大量物性数据、自身积累的疲劳性能数据等，而国内轴承企业虽有国家众多项目支持，但没有形成有效的知识积累与系统集成，在轴承设计方面与国外先进企业的差距越来越大；同时，由于菲薄的盈利不能吸引足够的人才和资金进行自主开发，导致我国轴承行业的发展形势不容乐观。需要打破目前轴承行业所面临的压成本、降价争市场导致质量恶化、又不得不继续降价的恶性循环。

 

2.2 强化面向服役场景的基础研究，有针对性地解决早期失效等问题

 

克服高端轴承国产化的技术瓶颈，需要轴承行业和特钢行业双方的高度密切协作配合。我国轴承企业要拿出我国轴承在各种应用场景下发生早期失效的详实数据和机制进行归纳总结，并通过和国外同类产品对比找出国产轴承寿命低、可靠性差的切实原因，据此进行有针对性的攻关。比如，大量的轴承失效是表面启裂，还是次表面启裂？如果是表面启裂，那是润滑、加工装配，还是设计问题所致？如果是次表面启裂，那么裂纹启裂是否与冶金缺陷如夹杂物等相关？启裂时的组织位于经典滚动接触疲劳组织发展的哪一个阶段，是深蚀区（Dark etching area，DEA）、白色条带（White bands，WB）还是蝶状白色腐蚀组织（Butterfly）？这些均对应轴承服役失效的不同组织机制。

 

这些极具针对性的基本科学问题，目前也正是斯凯孚和舍弗勒等全球顶级轴承企业的研究热点，但是国内轴承企业罕有涉及，在国家支持的相关项目指南中也很少有这方面的内容。但是像德国舍弗勒这样的轴承公司，早就已经开始关注轴承服役中常见的早期失效现象，即白色腐蚀裂纹失效，这种失效与高洁净度轴承钢中夹杂物并无多大关系，因为夹杂物影响的是经典滚动接触疲劳寿命，而当出现白色腐蚀裂纹时，轴承常在尚未达到其额定寿命就发生失效。该公司近期的研究成果表明，只有在轴承服役期间遭遇某些附加载荷时才会发生这样的早期破坏。比如在风电轴承中，可能由于散乱电流的作用导致润滑油分解出氢进入轴承钢，导致氢脆。国内轴承企业不应该依然停留在几十年前那些陈旧的概念和知识上，而是需要大力加强相关的基础研究，能够从自身所面向的各种服役场景中，提取出针对轴承失效的不同科学原理机制以及共性要求，这样才能够向钢铁企业提出具体的技术要求，或组织国内的相关科研力量进行攻关。只有通过深入的相关基础研究，才能对材料提出具体、准确的要求，才能形成轴承设计与制备技术不断进步的知识储备和技术来源，否则还是要依赖于国外成套装备和相关技术的再次引进。

 

与轴承行业不同的是，国内钢铁行业的炼钢装备和工艺水平自改革开放以来取得巨大进步，轴承钢的O、N、S、P、Ti等众多杂质元素含量，与几十年前相比，都大幅降低到了前所未有的水平，即使在全球也位于世界前列；同时连铸工艺技术日趋成熟完备，通过中间包感应加热、浸入式水口优化、结晶器和凝固末端电磁搅拌和轻压下等各种全球领先的先进工艺技术的应用，大幅度改善了铸坯的偏析程度。

 

2.3 产用两端密切合作，以提高轴承寿命为抓手进行技术研发

 

轴承厂和钢厂的合作，首先要避免相互甩锅，不能只要是轴承寿命低，就简单地推到轴承钢冶金质量不过关，而不进行科学分析和研究论证，否则无法突破高端轴承国产化的技术瓶颈。轴承厂和钢厂在提高轴承服役寿命这一目标上是一致的，因此建议国内轴承和特钢企业都以提高寿命为抓手进行相关技术研发。轴承企业要针对不同应用工况，建设大量的台架疲劳试验机，如针对我国目前“卡脖子”的风力发电机齿轮箱和主轴轴承、铁路机车牵引电机轴承、交流发电机轴承、无级变速箱轴承、工业齿轮箱轴承等，要补上过去欠缺的科学试验的旧账，如斯凯孚或舍弗勒一家公司的台架疲劳试验机数量就超过全国的台架疲劳试验机数量，正是通过这些大量的台架疲劳试验，才能获得相关的可靠和准确的数据，从而确定影响轴承寿命的关键因素，指导轴承的设计和制备技术升级；而钢厂，除了对钢材进行常规的冶金质量检验、检测外，应进行和台架试验结果关联度高的、针对钢材性能的相关滚动接触疲劳试验，以期在排除轴承设计、加工和润滑等因素外，对不同钢材的服役疲劳性能进行先期评价，尤其是在洁净度水平大幅提高、铸坯偏析有效控制的情况下，轴承钢的传统冶金质量因素，如夹杂物和偏析，对滚动接触疲劳寿命的影响机制是否发生了变化，以及如何建模进行量化，并据此来更新和升级针对高洁净度轴承钢冶金质量的检验和检测标准，最终实现将冶金质量的控制水平直接用于轴承的设计。

 

轴承厂和钢厂只有基于各自大量的疲劳试验数据，经过充分的科学论证和研究，才能最终形成关于轴承钢冶金质量的具体技术指标的一致要求，作为面向全球钢厂统一采购的依据。（ 作者罗海文：北京科技大学冶金与生态工程学院教授、中组部万人计划科技领军人才，从事新型超高强钢、电工钢、轴承钢等先进钢铁材料的设计与开发研究）