北科大轴承钢交流-曹文全-last-version

高性能轴承及轴承材料交流---需求、差距、方向、研发---曹文全2015年4月24日钢铁研究总院特钢所M-phones：62182628、13671328309E-address：[e-mail]交流内容一、我国高端轴承及轴承钢需求二、国外先进轴承钢及新型热处理三、国内外高端轴承钢理论及质量控制四、高端轴承钢质量控制与定量表征五、传统与新型轴承钢及热处理研究六、轴承钢冶金质量核心控制技术思考高端与先进设备用轴承需求•1.轴承广泛应用在国防工业及民用领域，是高端装备与先进设备用关键基础件；•2.装备制造大国但不是制造强国，高端轴承是制造强国的主要标志之一；•3.我国轴承工业远远落后于欧、美、日等国家，寿命低和可靠性差是主要表现；•4.轴承质量是轴承设计、轴承材料、轴承制造与轴承应用全链条所决定的，其中轴承材料质量差与品种单一是源头；•5.需要以轴承材料质量提升和多样化为源头，带动我们轴承设计、制造和应用的全链条发展。工业强基：1.基础材料2.基础工艺3.基础零部件4.基础标准等关键轴承研发时间表大型运输机：2015年完成大型运输机轴承样品试制及台架测试，2017年完成小批试制并取得适航证，2020年完成大型运输机轴承产业化；150座以上大型客机：2017年完成轴承样品试制和台架试验，2020年完成小批试制并取得适航证，2025年完成150座以上大型客机轴承产业化；2030年实现自主化率90%。风电机组轴承：2015年完成1.5MW以上偏航变桨轴承研发、产业化和可靠性研究，完成主轴轴承研究和产业化，2020年完成增速器轴承、发电机轴承研发和产业化。2020年实现自主化率90%的目标。关键轴承研发时间表高速精密数控机床轴承：2015年完成DN值为1.0x106rpm轴承研发和产业化，2017年完成DN值2.0x106rpm轴承研发和产业化，2020年完成DN值2.5x106rpm轴承研发和产业化，2025年完成DN值3.0x106rpm轴承研发和产业化。2025年实现自主化率90%。高速动车组轴承：2015年完成200-250km/h动车组轴承研发成功并获铁道部认可，2020年完成200-250km/h动车组轴承产业化，同时完成300-350km/h动车组轴承研发成功并获铁道部认可，2025年实现300-350km/h动车组轴承的产业化。2025年实现自主化率90%。关键轴承研发时间表新材料专项与工业强基工程：在新材料专项中主要进行耐高温、耐腐蚀和长寿命的航空发动机及高速铁路等高端装备用轴承及轴承钢研制。而强基工程则针对汽车、机床、轧机、风电与机器人等先进装备用轴承及轴承钢的工程化研发。智能集成化轴承：2020年实现单元化轴承设计和制造技术研发和应用，2022年轴承速度、加速度、温度、磨损、噪声等特性的传感器的研发和应用，同时实现远程轴承运行状态自动检测、故障自动诊断和自动报警系统的研发和应用，2025年完成轴承预紧力和润滑等服役状态自动调控装置的研发和应用。2025年目标开发带传感器的，具有远程轴承运行状态自动检测，故障自动诊断和报警的轴承单元；2030年目标开发带嵌入式预紧力和润滑等服役状态自动调控装置的智能轴承单元。已有轴承国家项目与轴承材料国家从2007年开始，已经对包括航空发动机轴承、动车组轴承、风电轴承、高速精密机床轴承等高端轴承进行了立项研发，并形成了相关核心技术。那我们国家的轴承行业处于什么位置呢？材料技术国外处于轴承行业第三阶段，而我国则处于第二阶段：目前像以FAG、NSK和NTN等为代表的国外轴承大公司，得益于不断规模化、自动化、材料高端化和多样化的持续发展，形成了高端轴承设计、材料开发、加工制造和应用等轴承集成技术。未来轴承必将向高端化、多样化、品牌化的长寿命轴承发展！我们处于什么位置，我们的作用是什么？如何推动轴承行业向第三阶段迈进？以材料为源头、通过材料研发，带动设计、制造和应用技术的全链条发展，形成关键核心技术。为此国家计划展开“材料工程”和“强基工程”等轴承全链条研发，实现我国高端装备用轴承的产业化。国外及我国轴承行业现状国内外轴承工业发展历程生产规模生产规模小手工作坊式生产规模大产量迅速提高生产规模超级化集团化和跨国公司生产设备设备简陋凭经验生产设备完善，集群式批量生产设备先进自动化程度高，自动化无人生产轴承材料以碳钢为主，精度低价格贵以合金钢为主产量质量高高级化、复合化、多样化，有质量保障轴承品种品种少，用途十分有限品种增加，应用到众多领域品种繁多，用途日益广泛第一阶段第二阶段第三阶段＋＋＋高端装备用轴承国内外差距总体来说：我国精密机床、冶金设备、重型装备、高端汽车等传统重大装备和风力发电、高速铁路及航空航天等新兴战略产业等是我国工业体系的重要支柱产业，其中轴承是非常关键的部件，其使用寿命和可靠性的高低在一定程度上决定了主机性能的优劣。汽车齿轮箱用轴承国外使用寿命最低50万公里，国内同类轴承寿命约10万公里，且可靠性稳定性差。国外第三代轮毂轴承已经商业应用，而国内处于研发。航空发动机用轴齿国内军用飞机发展到第五代，但航空发动机用第二、三代轴承齿轮钢仍然进口，含氮耐蚀X30与高强韧42L等第三代高温钢没有进入应用。高速机床用轴承国外轴承高速性能指数DN值可达到4x106，而我国同类产品最高不超过2x106。国外新型材料及热处理工艺远远领先国内。高速铁路用轴承国内轴承全部依靠进口。欧日各50%,制约了我国高铁技术进一步发展。欧洲为全淬透GCr18Mo,日本为渗碳型超高纯20CrNi2Mo。目前我国生产关键轴承与日本、欧美等先进国家生产轴承在使用寿命、可靠性、Dn值与承载能力等方面存在较大差距，已经成为制约我国装备制造业发展瓶颈。国外30年统计结果表明，直升飞机失效中疲劳失效占55%，其中尤以齿轮和轴承疲劳失效最为常见。齿轮钢和轴承钢分别占直升飞机用钢量的22%和15%(见右图)。近半个世纪以来，美国航空发动机技术在快速发展，军用发动机的推重比从开始的2-3级提高到7-8级(第一代航空发动机)再到未来的15-20推重比的三代航空发动机的发展历程(如右图)。需要研发高推力、长寿命、耐高温、耐腐蚀和高可靠性的第三代航空发动机轴承齿轮钢。发动机推重比随发展年代不断提高齿轮钢和轴承钢占直升飞机用钢1.1航空用轴承发展现状(材料工程内容)1.2高铁轴承迫切需求（材料工程内容）高速铁路以其速度快、运能大、能耗低、污染轻等一系列技术优势，成为现代社会经济发展的新需求。但我国高铁轴承技术与产品被国外垄断，全部需要进口，成为我国高铁技术短板之一。高铁轴承国产化成为我国战略需求。1.高铁战略发展需求：高铁轴承国产化是”四纵四横”高铁运输网络和“一带一路”高铁出海战略的需求，解决我国高铁关键技术受制于人的局面；2.轴承产业发展需求：高铁轴承国产化将促进轴承产业向高度集成化和高度自动化的“第三代”产业迈进，将促进我国由“轴承大国”向“轴承强国”转变，解决低端过剩和高端严重依赖进口的局面；3.轴承技术发展需求：高铁轴承国产化将促进我国轴承设计、轴承材料、轴承加工制造及轴承应等技术的整体发展，解决我国轴承寿命低可靠度差问题，加速轴承质量的高端化和高端装备的国产化；高铁轴承是决定高铁机车的寿命与可靠性的关键零部件。国内高铁1.6万Km和规划“一代一路”8.1万Km为高铁轴承带来巨大市场。另外已知全球规划高铁超过5万Km，在建超过2万Km(0.5亿/Km)。而我国高铁轴承处于研发阶段，速度为160Km/h以上高铁轴承全部进口。1.“四纵四横”需求：目前我国高铁里程达1.6万公里，高铁车辆保有量达1.2万辆，高铁轴承需求量为10万套(~1万元/套),每年共10亿元。2020年高铁里程将达1.8万公里；2.“一代一路”需求：已经规划的泛亚、中亚和欧亚铁路为8.1万公里，形成高铁轴承的巨大市场，估计约每年50亿元；3.国际高铁竞争需求：高铁已成为各国经济抓手，目前已知全球规划高铁超过5万Km，在建超过2万Km(0.5亿元/Km)。未来国外高铁轴承市场巨大。高铁轴承需求分析重大需求以铁路轴承为例，高铁轴承全部进口，城市地铁轴承全部进口，重载货车国产轴承实现了国产化，但使用价格昂贵的电渣轴承钢。1.高铁轴承全部进口：国内相关单位进行过高铁轴承国产化和考核研究，最高时速达到了220Km/h，但远低于国外550Km/h验证结果；2.地铁车辆轴承全部进口：我国地铁车辆轴承全部从国外进口；3.重载货车轴承：重载货车轴承实现了国产化，但应用价格昂贵的电渣钢，成本高出2000元。4.国外应用超高纯脱气轴承钢，如日本的渗碳轴承钢20CrNi2Mo(EP级)和欧洲的GCr18Mo(脱气/电渣)。应用效果日本优。轴承一体化设计、轴承材料质量与成本是我国铁路轴承的瓶颈！铁路用轴承发展现状铁路轴承现状以汽车轴承为例，我国汽车产量已到2400多万辆，预计2030年中国汽车产量将达到3500万量。目前我国轴承总产值约在2000亿元，三分之一来自汽车行业(约700亿元)。（1）汽车轮毂轴承：第三代代轮毂轴承欧洲装配量已达1600万套，而我国处于研制阶段。目前我国引进的车型大多采用这种轻量化和一体化结构轮毂轴承。（2）汽车变速箱轴承：目前自动中高档自动变速箱及无级CVT变速箱主要基本靠进口，部分AT变速箱国内生产，变速箱的长寿命制约因素主要为国内齿轮、轴承等关键传动件精度及可靠性。轴承设计、加工精度、高性能材料与装备自动化程度低是我国汽车轴承发展障碍！1.3汽车用轴承发展现状(强基工程研究内容)汽车轴承现状以机床轴承为例，机床主轴轴承向高转速、高精度、高刚度和长寿命发展。国外DN值达到4.0×106超高速角接触主轴轴承，加工精度P4到P2。目前P2级超精密轴承，属于尖端技术，国外对我国限制出口。(1)国外开发超纯净EP钢以及SHX钢，用于高精度高速机床轴承；(2)国外超高精度角接触轴承预载偏差量为±2μm，远高于国内8μm；(3)国外密封技术保证轴承使用时不清洗和不再加润滑剂，便于装配、避免污染。(4)NSK轴承利用SHX钢和Si3N4材料生产的ROBUST系列复合材料轴承用于高速和超高速机床轴承，其持续操作Dn可达到4.0x106rpm。1.4机床用轴承发展现状(强基工程研究内容)机床轴承现状机床主轴轴承使用寿命不是按疲劳寿命，而是按精度寿命(或磨损寿命)，因为主轴轴承滚动体与滚道的接触应力一般都低于其疲劳极限。加工精度、新材料和润滑密封是我国高速机床主轴的瓶颈！以轧机轴承为例，以2250线热轧线轧机轴承为例，国内轧机轴承可靠度仅有90%，轧制量为300万吨，与进口可靠度99%，轧制量550万吨有很大差距。国内外轴承使用寿命相差10倍。(1)轧机轴承承受高负载、高冲击和外来污染破坏，需要高硬度和高韧性新材料及先进的高刚度设计和密封技术；(2)TIMKEN轧机轴承寿命8000h，12万/套；国产轴承寿命800h，0.8万/套。(3)日本NSK与NTN利用奥氏体表面强化技术，形成TF轴承和HTF轴承，将轴承的寿命提高了10倍以上。我们目前尚没有对新型材料研究。新材料与新型热处理是解决我国轧机轴承寿命的关键！1.5轧机用轴承发展现状(强基工程研究内容)NSK研发的大载荷密封型超长寿命四列圆锥滚子轧机轴承轧机轴承现状以风电轴承为例，在“十二五”期间，风电总量达60GW，每年新增不低于1400万千瓦.但风电设备集中在2MW以下。主轴轴承和增速器轴承的技术含量较高，依靠进口，需开发以替代进口。(1)增速器轴承和主轴轴承依靠进口：承受扭矩和转速波动大、负载易突变,安装平台柔性变形等。部件失效造成风力发电机停机，增速器失效所占20%左右。(2)新材料与新型型热处理：日本NSK公司开发Cr-Mo中碳合金钢(SHX)和DH热处理技术，生产的STF和HTF轴承，大大提高增速器在污染润滑工况下使用寿命。新材料、新型热处理、与大型轴承加工技术是我国风电轴承的问题！高负载、高韧性、长寿命轴承材料！1.6风电用轴承发展现状风电主轴轴承风电增速器轴承风电