轴承钢是“特钢之王”，是诸如航空发动机、高速铁路、高速精密机床、冶金轧机、风电和盾构等各种高端装备的关键基础件，是高端装备国产化的战略需求。我国是轴承钢及轴承大国，年产约400万吨轴承钢和200亿套轴承，均占到世界产量的1/3以上。但作为工业皇冠的航空发动机、中国名片的高速铁路、工业母机的高速精密机床以及新型战略产业的机器人用高端轴承与国外轴承钢及轴承强国还有很大差距，引发了国人之问，国产轴承中低端过剩和高端严重依赖进口到底是轴承钢的质量性能问题还是轴承的制造工艺技术问题？

　　为了降低轴承疲劳失效概率，国内外开展了近百年的引起轴承疲劳失效的夹杂物疲劳机理与夹杂物控制技术的化学冶金研究，也取得了重大进步，接触疲劳寿命达到了L10≥1.0x107次水平。然而到目前为止，人们对轴承钢中夹杂物、碳化物以及基体组织对疲劳寿命影响机制和定量关系，尚未开展系统研究，无法指导未来超长寿命轴承钢的研制。轴承钢及轴承长寿命发展也遇到了瓶颈：即轴承钢纯净度与夹杂物控制水平已接近工业控制能力极限，需要全新思路指导长寿命轴承钢及轴承研发，实现高端轴承钢及轴承国产化。

　　百年轴承钢发展经验及疲劳机制研究表明，循环载荷作用下的夹杂物/碳化物等硬质颗粒与基体间界面处应力集中是造成裂纹形核与扩展的主要根源，是导致轴承钢疲劳剥落的重要的条件。轴承钢的亚表层剥落可以归结为赫兹应力下夹杂物周围应力集中所导致的裂纹形核与扩展。解决轴承钢GCr15的疲劳失效问题能归结为两个层次，一是怎么来降低轴承钢中夹杂物含量与尺寸，二是怎么来降低夹杂物周围应力集中以减少裂纹形核能力与裂纹扩展速率。目前国内外高性能轴承钢主流研究还停留在第一个层次，即纯净度与夹杂物的化学冶金理论与技术探讨研究。在目前超纯净控制已达到氧含量≤5ppm和钛含量≤10ppm的化学冶金极限水平情况下，如何调控轴承钢GCr15组织架构和降低夹杂物周围应力集中等物理冶金理论与技术，成为继轴承钢夹杂物细化与少量化的化学冶金之外的重要发展方向。

　　本项目基于超长寿命轴承钢国产化需求，本项目提出了夹杂物、碳化物、基体组织协同调控和合金化精细设计的超长寿命轴承钢研发思路，拟在优势化学冶金基础上开展轴承钢组织性能调控的物理冶金理论技术探讨研究，形成新一代长寿命轴承钢技术，将GCr15等室温接触疲劳寿命提升到L10≥1.0x108次，推动国产轴承钢及轴承的跨越式发展等研发目标。

　　针对我国轴承钢及轴承的抗疲劳理论不系统、组织性能调控技术缺乏和强塑性与国外差距大问题，本项目开展了影响轴承钢疲劳因素的理论与实验研究、新型长寿命热处理工艺技术探讨研究、新型大原子冶金理论技术探讨研究以及新一代轴承钢工业化批量试制与推广应用等系统创新探索，发展了轴承钢的多因素抗疲劳理论，研发出新型长寿命热处理技术，创新提出了大原子冶金思路，形成了新一代长寿命轴承钢工业化集成技术，实现了轴承钢GCr15和G20CrNi2Mo等传统轴承钢接触疲劳寿命大幅度提升。具体创新成果可归纳为以下四个部分：

　　基于基于界面应力集中模拟和基本物理冶金理论，构建了多因素交互结构模型，推理出疲劳寿命与赫兹应力、晶粒尺寸、碳化物以及夹杂物理论关系。通过传统的位错塞积模型和裂纹扩展速率公式，提出了应力集中的多因素交互结构模型，理论推导出了轴承钢中晶粒尺寸、夹杂物尺寸、析出强化以及外加应力与疲劳寿命间的定量关系。表明可以在夹杂物尺寸一定的情况下，通过碳化物细化、基体组织细化和轴承钢强塑化而大幅度提升轴承钢接触疲劳寿命。该理论研究成果得到了夹杂物、碳化物、基体组织以及外加应力对轴承钢疲劳寿命系统实验结论的强有力支撑。

　　在以上理论指导下，项目团队开展了轴承钢双细化热处理和表面超硬化热处理技术探讨研究，实现了轴承钢接触疲劳寿命大幅度提升。(1)研究之后发现双细化热处理后，GCr15轴承钢原始奥氏体晶粒尺寸从约16 μm细化到约5 μm和轴承钢中碳化物平均尺寸也从0.6 μm细化到了0.3 μm，而4.5GPa下的轴承钢室温接触疲劳寿命则从从L10≥1.1x107次提高到L10≥5.9x107次，大幅度的提高轴承钢接触疲劳寿命5倍以上。(2)通过对高碳轴承钢进行表面真空渗碳处理和后续组织调控，将轴承钢表层碳化物含量提高到了30%和残余奥氏体含量提高了20%，实现了轴承钢表面组织细化和韧化，将轴承钢接触疲劳寿命从L10≥1.1x107次提高到L10≥10x107次，大幅度的提高轴承钢接触疲劳寿命10倍以上。

　　图4 新型热处理技术大幅度的提高轴承钢接触疲劳寿命(a)双细化和(b)表面超硬化

　　基于轴承钢超纯化、细质化、均质化、强韧化和稳定化的组织性能调控思路，提出了Nb、Mo、Zr、W大原子冶金合金化设计思路。拟通过凝固过程中大原子的拖曳效应，细化铸态组织；通过轧制过程中的动态析出，细化基体组织与碳化物；通过热处理过程中的强碳化物析出，细化基体组织和促进纳米析出。以上Nb、Mo、Zr、W合金化设计思路，得到了Thermal-calc和实验验证，实现了凝固、轧制和热处理等三阶段碳化物与基体组织细化。通过大原子冶金理论与中试研究，成功开发出GCr15A，接触疲劳寿命超过电渣与双线Mo。新研发的轴承钢GCr15A，相对传统GCr15接触疲劳寿命L10提升5-10倍，形成了长寿命轴承钢的原型钢。

　　图5 Nb、Mo、Zr、W大原子冶金思路与新一代轴承钢合金化设计及Thermal-Calc验证

　　通过将优势化学冶金的纯净度与夹杂物控制技术，与本项目的大原子冶金、铸态组织细化、非均温轧制、双细化热处理与表面超硬化热处理等技术集成，集成出轴承钢BERIDS全流程集成技术。通过与大冶特钢和兴澄特钢合作，实现了新一代长寿命轴承钢的批量生产。根据结果得出新一代轴承钢基体组织与碳化物大幅度细化、抗拉强度提升到Rm≥2500MPa、4.5GPa下室温接触疲劳寿命实现了L10≥1.0x108次，达到了普通轴承钢的10倍以上。轴承台架考核表明，新一代轴承钢制轴承的疲劳寿命领先国外同种类型的产品10倍以上疲劳寿命。通过与国内外轴承制造企业合作，批量试制了高铁轴箱轴承、铁路货车轴承、高速机密机床轴承和冷轧轧机轴承等高端轴承，实现了高速精密机床轴承和冶金轧机轴承推广应用。

　　图6 通过6大技术集成形成新一代长寿命轴承钢BERIDS全流程集成技术及疲劳寿命评价

　　本项目研发的新一代长寿命轴承钢技术在国内外轴承钢及轴承企业得到了推广应用。新型热处理技术先后应用于洛轴、轴研所和慈兴集团等轴承企业，实现了国产轴承寿命大幅度的提高；新一代长寿命轴承钢BERIDS也用于大冶特钢和兴澄特钢，成功生产约千吨L10≥1.0x108次轴承钢；利用新一代轴承钢产品，完成了高铁、铁路货车、高速精密机床和冶金冷轧轧机等批量制造、考核验证与推广应用，取得了国产轴承寿命提升10倍的优异效果。

　　本项目研发成果取得了重大经济与社会效益：（1）基于主流工艺和成本基本不增加前提，实现了轴承钢寿命提升10倍的突破性研究成果；（2）制定了国家标准8项和行业标准8项，获批了包括美国和日本等国内外发明专利20项和发表了60余篇高水平论文；（3）项目经济效益显著，三年内新增利润达4.3亿元，(四)中国金属学会组织成果鉴定，给出了研究成果总体达到国际领先水平的评价结论。

　　图7 新一代轴承钢高铁轴箱轴承批量制造及国产标准轴承与Nachi轴承台架试验对比

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