问题描述

轴承钢被公认为是对材料质量要求最高的钢种，号称“钢中之王“。高端轴承主要包括航空发动机轴承、海工装备轴承、汽车轴承、医疗器械轴承、高速列车轴承、盾构机轴承、高档数控机床与机器人轴承、风电轴承等。目前，我国此类轴承大量依赖进口，属于“卡脖子”瓶颈难题，国产轴承的服役寿命和可靠性，与国外先进水平相比差距巨大，进口轴承的价格也是数倍甚至数十倍于国产轴承。轴承的服役水平和可靠性严重依赖于轴承钢材料的性能，而轴承钢材料性能的关键则受限取决于轴承钢材料的冶金技术，即熔炼及精炼技术、凝固成型技术、宏微观组织控制技术等。

我国轴承钢材料与国外的差距主要集中在三个方面。首先是洁净度低，目前国际上应用量最大的代表性轴承钢为GCr15系列，此类轴承钢的控制关键指标为全氧含量、Ti含量、夹杂物类型、尺寸、数量等。其次是均质性差，轴承钢均质性差突出表现为成分偏析严重，碳化物呈网状、团簇分布等等，导致性能波动大，甚至产生较大内部残余应力。上述多种原因耦合导致轴承极易产生早期失效。最后是材料组织粗大，导致轴承钢的强韧性不足，耐磨性差，这也是高端轴承自主化能力弱的另一个重要原因。特别是航空用M50轴承钢，由于合金含量和碳含量高，其液析碳化物问题尤为显著，通过后续锻造与热处理很难细化。另外从产学研角度而言，国外著名轴承制造企业包括瑞典 SKF、德国 FAG、美国 TIMKEN、日本NSK 等，均属于“百年老店”， 标准体系完备，研发力量强大，而且有著名院校支撑。但国内企业数据积累不足，制造过程标准体系不健全，研发力量薄弱。特别是，行业院所转制后成为科研型生产企业，自顾不暇，难以对行业形成支撑。

问题背景

实现轴承钢的高洁净、高均质以及组织细化对其服役性能的提高意义重大，是国内外材料冶金学家研究热点领域。目前，采用VIM、ESR和VAR等冶炼技术以及先进的精炼和连铸技术，国外轴承钢中含氧量已降低至5ppm，甚至可达3ppm，使轴承钢的疲劳寿命大幅度提高，但工艺高度保密。我国轴承钢的氧含量平均水平可达8~10ppm，最好可到 5ppm 以下，但不稳定。另外，Ti含量仍然很难小于20ppm。另外离散大尺寸夹杂物对轴承寿命影响巨大，采用电渣重熔等能解决这一问题，但当电渣锭直径增大时，离散大尺寸夹杂物问题仍将凸显。国内也尚未掌握钙处理软化夹杂物技术。连铸中电磁搅拌技术的应用能在一定程度上提升材料的均匀性，但仍然无法实现高洁净度、超细化的连铸坯材制备。而对于高碳的轴承钢而言，其基体组织和碳化物的细化也很重要，提高冷却速度能取得一定的效果，但当连铸坯、钢锭或者电渣锭尺寸增加时，碳化物仍然粗大。采用高热处理温度，也很难细化液析碳化物。为解决轴承钢的冶金质量问题，目前采用的手段已趋极限，迫切需要开发出全新的高洁净、高均质、超细晶和超细碳化物的轴承钢母材制备技术。

最新进展（截止问题发布年度）

近年来，上海大学近年来围绕特殊钢、轴承钢、工模具钢以及高温合金、难混溶合金、铜及其合金的凝固组织控制，采用交变、直流电流复合强磁场作用形成电磁振荡效应，对上述金属及合金体系的铸坯和连铸坯的凝固枝晶细化和等轴晶化，起到了非常好的促进作用。提出在传统电渣重熔的过程中外加多模式静磁场，发现复合具有特征分布的多模式静磁场能够显著地强化电渣重熔过程的除杂作用，并且能够减轻电渣锭宏观偏析，实现凝固枝晶组织以及液析碳化物的细化。而围绕高性能轴承钢的制备全流程，拟提出轴承钢电磁高效精炼技术、轴承钢连铸坯洁净度及凝固组织新型控制技术、轴承钢磁控电渣重熔技术、轴承钢磁控

电弧重熔技术等，以期实现轴承钢材料高洁净、高均质以及基体组织和碳化物的双细化的全流程制备路径。

为达到此目的，问题未来面临的关键难点在于： 1、上述技术中，多模式静磁场、交变磁场单独或者复合作用对夹杂物演变、熔体均匀化、枝晶生长和液析碳化物析出的控制机制；2、多模式磁场对电渣/电弧重熔熔化过程、凝固过程和传输过程的强化机理；3、上述全流程制备技术的关联性和最佳磁场参数；通过上述基础问题的解决，有望获得轴承钢制备新技术路径，对提升轴承钢材料的洁净度、均质性以及基体组织和碳化物的双细化，最终提升轴承钢的服役性能，具有重要的现实意义。

重要意义

轴承是机械传动轴的支承，是工业领域重大装备和军工武器装备等核心零部件之一。轴承直接或间接影响着数万亿规模的经济总量。高精密、高可靠性的金属基高端轴承，对国民经济和国防安全具有战略意义，代表一个国家高端制造的整体水平。按服役特征高端轴承基本可以分为低速重载大型轴承、高速高精密轴承、高速/高温高可靠性轴承三大类。这三类轴承的典型代表为大型盾构机主轴承、高档机床主轴轴承、航空发动机主轴承。这些高端轴承属于重要的战略物资，而轴承产业也是国家基础性、战略性产业。目前，我国5m以上直径盾构机主轴承、高铁轴承、高档数控机床主轴承以及三代机以来的航空发动机主轴承、高铁轴承等大量依赖进口甚至完全依赖进口，且受制于人。

我国轴承制造目前面临的瓶颈问题即在于轴承钢材料制备水平低下，洁净度、组织控制、服役评价等远低于国外水平，关键轴承一直依赖进口，将对我国的中长期发展规划战略的实现、制造业强国战略的实施产生巨大的阻碍，也将严重影响到我国的国防、航空、航天、高速轨道交通、运输、能源、智能制造等众多领域，因此，开展高性能轴承钢材料的全流程制造技术研究，解决“卡脖子”问题，具有重要的现实和战略意义。