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"軸承鋼全產業鏈高質量發展"專題之二

 

產業鏈自主研發突破高端軸承國產化“卡脖子”技術

 

本文從我國軸承和軸承鋼的進出口情況出發，闡述了我國軸承鋼在國際市場已經彰顯競爭實力，特鋼企業直接出口至國外和在國內的國外軸承企業的軸承鋼近百萬噸；相比之下，中國雖然生產全球最多的軸承，但是對國際市場的影響力較弱，我國軸承行業的發展亟待提速。此外，本文從國外軸承企業在原料使用方面的策略以及同類產品實物對比的結果等不同角度指出了我國軸承制造業出現技術瓶頸的根本原因，闡明了在哪些方面與國外高端軸承存在差距，并提出了縮小差距、突破技術瓶頸的切實可行的建議。

 

1 中國高端軸承制造究竟卡在何處

 

國內媒體在提到中國“卡脖子”技術時，將軸承鋼列為我國“卡脖子”技術之一。這一說法有失偏頗，不利于政府決策和行業部門組織技術攻關。我國現階段在航空、高鐵、機器人、計算機、空調器、精密機械、大型軋機和盾構機等產業所用高端軸承確實主要依賴進口，這是由于國產軸承的實物質量與日本、德國、美國和瑞典等國相比差距很大，突出表現在其壽命和可靠性等方面落后很多。但是高端軸承國產的關鍵技術瓶頸是否就是軸承用鋼不過關，可以從軸承和軸承鋼的進出口統計數據中窺得一二。

 

1.1我國軸承行業對國際市場的影響力較弱

 

首先是軸承的進出口情況。根據中國軸承工業協會的統計，中國生產的軸承件、套數約占全球的一半，世界主要軸承生產國，除中國外，還有日本、德國、瑞典和美國等，其中，日本有NSK、NTN、NMB、IKO、EKI，德國有舍弗勒（Schaeffler，旗下三大品牌FAG、INA和LuK），瑞典有斯凱孚（SKF），美國有鐵姆肯（TIMKEN），都是世界知名軸承制造企業。2019年中國軸承規模以上（銷售額大于2000萬元）企業營業收入為1770億元，去除外資企業營業收入約440億元，中國內資企業的軸承業務收入約為1330億元，折合約190億美元，約占世界軸承銷售總額的24%；2019年世界軸承業務收入估計約為800億美元，去除中國市場仍有610億美元的市場；而當年我國軸承出口（含外資出口）53.21億美元，僅占世界外部市場的8.7%；如果再去除外資企業在中國設廠的出口，真正國內軸承企業出口占世界外部市場的比例將會更低。2019年德國舍弗勒（Schaeffler）全球銷售額達到114.27億歐元，瑞典斯凱孚（SKF）全球銷售額為860.13億克朗。中國雖然生產全球最多的軸承，但是年營業收入僅與舍弗勒或斯凱孚一家軸承企業的水平相當。從出口金額占比和營業收入水平看，我國軸承行業對全球軸承產業而言幾乎無足輕重，再加上中高端產品基本沒有競爭力，我國軸承行業的發展亟需提速。

 

1.2我國軸承鋼進出口量對比及其原因

 

再來看軸承鋼的進出口情況。海關統計的2014-2016年內的棒材進口統計數據顯示，2015年全國進口軸承鋼僅1.57萬噸，這其中1.54萬噸其實是日本在國內的軸承企業從日本關聯鋼廠進口的，也就是說，國內企業真正從國外進口的軸承鋼才數百噸。此后，盡管沒有獲得詳細的海關進口數據，但據相關部門估計，目前軸承鋼棒材進口量每年也僅為3-4萬噸。反觀我國軸承鋼的出口，包括興澄、大冶、寶鋼、石鋼等特鋼企業直接出口至國外和在國內的國外軸承企業的軸承鋼目前近百萬噸，且呈現穩步增長趨勢，這些用戶包括斯凱孚、舍弗勒、NTN等世界頂級軸承制造商。

 

如果說阻礙中國軸承質量提高的瓶頸在于軸承鋼，那為什么中國的軸承企業不進口國外的高質量軸承鋼，進而生產出與國外斯凱孚、舍弗勒類似質量的軸承？為什么中國的軸承鋼反而又大量出口到國外知名軸承企業？

 

答案是顯然的，因為中國國內軸承企業所生產的軸承長期以來質量、可靠性方面較外資品牌差距較大，售價也低很多。如此發展的結果是，國內軸承企業只有通過進一步壓低成本和售價來占據市場，導致該行業出現因利潤微薄而無法通過技術升級進行換血再造、品牌建設的惡性循環；同時，國內特鋼企業也更愿意將經過嚴格檢驗的高質量軸承鋼以較高的價格出售給外資企業。

 

2 如何克服高端軸承國產化的“卡脖子”技術

 

2.1借鑒國外先進軸承企業經驗，找到技術瓶頸

 

對于如何克服高端軸承國產化的“卡脖子”技術，首先要實事求是地找到國產化的技術瓶頸。軸承作為工業制造的基本零部件，其壽命和可靠性依賴于設計、制造裝配、熱處理、潤滑和材料等諸多環節，軸承鋼只是其中一環。事實上，斯凱孚、舍弗勒等國外軸承企業購買中國的軸承鋼時，一是要提出遠超過國標的額外技術指標要求；二是各企業會對采購的軸承鋼進行質量評級，根據評級來確定不同質量級別對應的應用場景。而這些對軸承鋼的檢驗、檢測的要求、方法和如何評價是通過自身長期的實踐和知識積累而來的。我國軸承企業和很多基礎制造工業一樣，初期技術來源主要靠進口，而后續的技術升級依然期望進口，自身缺乏獲得長足的技術進步的實力。例如，在軸承設計方面，國外先進軸承企業普遍采用有限元仿真軟件進行設計，其中集成了各種材料的大量物性數據、自身積累的疲勞性能數據等，而國內軸承企業雖有國家眾多項目支持，但沒有形成有效的知識積累與系統集成，在軸承設計方面與國外先進企業的差距越來越大；同時，由于菲薄的盈利不能吸引足夠的人才和資金進行自主開發，導致我國軸承行業的發展形勢不容樂觀。需要打破目前軸承行業所面臨的壓成本、降價爭市場導致質量惡化、又不得不繼續降價的惡性循環。

 

2.2 強化面向服役場景的基礎研究，有針對性地解決早期失效等問題

 

克服高端軸承國產化的技術瓶頸，需要軸承行業和特鋼行業雙方的高度密切協作配合。我國軸承企業要拿出我國軸承在各種應用場景下發生早期失效的詳實數據和機制進行歸納總結，并通過和國外同類產品對比找出國產軸承壽命低、可靠性差的切實原因，據此進行有針對性的攻關。比如，大量的軸承失效是表面啟裂，還是次表面啟裂？如果是表面啟裂，那是潤滑、加工裝配，還是設計問題所致？如果是次表面啟裂，那么裂紋啟裂是否與冶金缺陷如夾雜物等相關？啟裂時的組織位于經典滾動接觸疲勞組織發展的哪一個階段，是深蝕區（Dark etching area，DEA）、白色條帶（White bands，WB）還是蝶狀白色腐蝕組織（Butterfly）？這些均對應軸承服役失效的不同組織機制。

 

這些極具針對性的基本科學問題，目前也正是斯凱孚和舍弗勒等全球頂級軸承企業的研究熱點，但是國內軸承企業罕有涉及，在國家支持的相關項目指南中也很少有這方面的內容。但是像德國舍弗勒這樣的軸承公司，早就已經開始關注軸承服役中常見的早期失效現象，即白色腐蝕裂紋失效，這種失效與高潔凈度軸承鋼中夾雜物并無多大關系，因為夾雜物影響的是經典滾動接觸疲勞壽命，而當出現白色腐蝕裂紋時，軸承常在尚未達到其額定壽命就發生失效。該公司近期的研究成果表明，只有在軸承服役期間遭遇某些附加載荷時才會發生這樣的早期破壞。比如在風電軸承中，可能由于散亂電流的作用導致潤滑油分解出氫進入軸承鋼，導致氫脆。國內軸承企業不應該依然停留在幾十年前那些陳舊的概念和知識上，而是需要大力加強相關的基礎研究，能夠從自身所面向的各種服役場景中，提取出針對軸承失效的不同科學原理機制以及共性要求，這樣才能夠向鋼鐵企業提出具體的技術要求，或組織國內的相關科研力量進行攻關。只有通過深入的相關基礎研究，才能對材料提出具體、準確的要求，才能形成軸承設計與制備技術不斷進步的知識儲備和技術來源，否則還是要依賴于國外成套裝備和相關技術的再次引進。

 

與軸承行業不同的是，國內鋼鐵行業的煉鋼裝備和工藝水平自改革開放以來取得巨大進步，軸承鋼的O、N、S、P、Ti等眾多雜質元素含量，與幾十年前相比，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；同時連鑄工藝技術日趨成熟完備，通過中間包感應加熱、浸入式水口優化、結晶器和凝固末端電磁攪拌和輕壓下等各種全球領先的先進工藝技術的應用，大幅度改善了鑄坯的偏析程度。

 

2.3 產用兩端密切合作，以提高軸承壽命為抓手進行技術研發

 

軸承廠和鋼廠的合作，首先要避免相互甩鍋，不能只要是軸承壽命低，就簡單地推到軸承鋼冶金質量不過關，而不進行科學分析和研究論證，否則無法突破高端軸承國產化的技術瓶頸。軸承廠和鋼廠在提高軸承服役壽命這一目標上是一致的，因此建議國內軸承和特鋼企業都以提高壽命為抓手進行相關技術研發。軸承企業要針對不同應用工況，建設大量的臺架疲勞試驗機，如針對我國目前“卡脖子”的風力發電機齒輪箱和主軸軸承、鐵路機車牽引電機軸承、交流發電機軸承、無級變速箱軸承、工業齒輪箱軸承等，要補上過去欠缺的科學試驗的舊賬，如斯凱孚或舍弗勒一家公司的臺架疲勞試驗機數量就超過全國的臺架疲勞試驗機數量，正是通過這些大量的臺架疲勞試驗，才能獲得相關的可靠和準確的數據，從而確定影響軸承壽命的關鍵因素，指導軸承的設計和制備技術升級；而鋼廠，除了對鋼材進行常規的冶金質量檢驗、檢測外，應進行和臺架試驗結果關聯度高的、針對鋼材性能的相關滾動接觸疲勞試驗，以期在排除軸承設計、加工和潤滑等因素外，對不同鋼材的服役疲勞性能進行先期評價，尤其是在潔凈度水平大幅提高、鑄坯偏析有效控制的情況下，軸承鋼的傳統冶金質量因素，如夾雜物和偏析，對滾動接觸疲勞壽命的影響機制是否發生了變化，以及如何建模進行量化，并據此來更新和升級針對高潔凈度軸承鋼冶金質量的檢驗和檢測標準，最終實現將冶金質量的控制水平直接用于軸承的設計。

 

軸承廠和鋼廠只有基于各自大量的疲勞試驗數據，經過充分的科學論證和研究，才能最終形成關于軸承鋼冶金質量的具體技術指標的一致要求，作為面向全球鋼廠統一采購的依據。（ 作者羅海文：北京科技大學冶金與生態工程學院教授、中組部萬人計劃科技領軍人才，從事新型超高強鋼、電工鋼、軸承鋼等先進鋼鐵材料的設計與開發研究）