《是什么卡了我们的脖子——高端轴承钢,难以补齐的中国制造业短板》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-05-25
  • 亟待攻克的核心技术

    “高端轴承依赖进口,为什么我们自己造不出来?”在调研了东三省、浙江、山东等五六个省份之后,中国科学院山东技术转化中心常务副主任王东升找到了答案:最大的问题出在材质上,“没有好钢,永远造不出高端轴承”。

    作为机械设备中不可或缺的核心零部件,轴承支撑机械旋转体,降低其摩擦系数,并保证其回转精度。在他看来,无论飞机、汽车、高铁,还是高精密机床、仪器仪表,“凡是旋转的部分,都需要轴承”。

    毫不夸张地说,发动机中的轴承一直在“炼狱”中工作——它不仅要以每分钟上万转的速度长时间高速运转,还要承受着各种形式的应力挤压、摩擦与超高温。这对轴承的精度、性能、寿命和可靠性提出了高要求,而决定这四点的关键因素,在于其材质。

    遗憾的是,虽然我国的制轴工艺已经接近世界顶尖水平,但材质——也就是高端轴承用钢几乎全部依赖进口。

    最近,科技日报记者到华东某大型国有钢铁集团采访,了解到后者的尴尬。作为“中国企业100强”,这家钢铁集团拥有自己的精品钢基地,但却做不出轴承用高端钢,只能依赖进口,前不久,花了近1亿元进口轴承用钢。

    “PPM”在炼钢中是氧含量的单位,意指百万分率或百万分之几。中国科学院金属研究所专家告诉科技日报记者,一般而言,在钢铁行业,8个PPM的钢属于好钢;5个PPM的钢属于顶级钢,正是高端轴承所需要的。高端轴承用钢的研发、制造与销售基本上被世界轴承巨头美国铁姆肯、瑞典SKF所垄断。前几年,他们分别在山东烟台、济南建立基地,采购中国的低端材质,运用他们的核心技术做成高端轴承,以十倍的价格卖给中国市场。

    炼钢过程中加入稀土,就能使原本优质的钢变得更加“坚强”。但怎么加,这是世界轴承巨头们的核心秘密。

    稀土被称为“工业维生素”,稀土钢是指含有一定量稀土的钢。上世纪80年代,我国曾掀起稀土钢的研发和应用高潮,科学家们普遍认为,炼钢过程中加入稀土是解决高端轴承用钢的技术方向,但是在钢中加入稀土后,钢的性能变得时好时坏,在大规模生产过程中也极易堵塞浇口,虽经多年攻关仍未能突破技术瓶颈,这也导致稀土在钢铁行业应用中由热变冷。

    如同一盆水中滴入一滴墨水,1吨钢加入多少微量稀土比较合适?怎么加?

    难题悬而未解,导致的后果是:目前,除少量钢种外,钢铁企业在实际生产中几乎放弃了稀土的应用。

    不过,研发高端轴承用钢的道路上,不全是坏消息。

    前一阶段,中国科学院金属所材料加工模拟研究团队通过对单重百吨级大钢锭的实物解剖和计算,发现杂质是导致成分不均匀的主要根源,据此提出新的钢中缺陷形成机理,在行业内引起很大反响并迅速获得应用。此后,该团队开发了商用稀土合金的纯净化制备技术和稀土在钢中特殊加入技术,从而突破了稀土在钢中进行工业化应用的技术瓶颈,实现了在钢中添加稀土后的工艺顺行和性能稳定。

    记者了解到,近段时间,国家有关部委正在酝酿相关政策,推动高端轴承用钢的国产化进程。可以说,解决高端轴承用钢的“卡脖子”难题,我们又向前迈进了一步。

  • 原文来源:http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2018-05/25/content_674318.shtml
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液压系统是装备制造业的关键部件之一,一切工程领域,凡是有机械设备的场合,都离不开液压系统。高压柱塞泵是高端液压装备的核心元件,被称作液压系统的“心脏”。中国液压工业的规模在2017年已经成为世界第二,但产业大而不强,尤其是额定压力35MPa以上高压柱塞泵,90%以上依赖进口。国内生产的液压柱塞泵与外国品牌相比,在技术先进性、工作可靠性、使用寿命、变量机构控制功能和动静态性能指标上都有较大差距,基本相当于国外上世纪90年代初水平。   20 、航空设计软件   《航空软件困窘,国产飞机设计戴上“紧箍咒”》(科技日报5月30日) 自上世纪80年代后,世界航空业就迈入数字化设计的新阶段,现在已经达到离开软件就无法设计的高度依赖程度。设计一架飞机至少需要十几种专业软件,全是欧美国家产品。国内设计单位不仅要投入巨资购买软件,而且头戴钢圈,一旦被念“紧箍咒”,整个航空产业将陷入瘫痪。据媒体报道,设计歼-10飞机时,主起落架主承力结构的整个金属部件是委托国外制造。但造完之后,起落架的收放出现问题,有5毫米的误差,只好重新订货制造。仅仅是这一点点的误差,影响了歼-10首飞推迟了八九个月。没有全数字化的软件支撑,任何一点细微的误差,都可能成为制造业的梦魇。   21 、光刻胶   《中国半导体产业因光刻胶失色》(科技日报5月31日) 我国虽然已成为世界半导体生产大国,但面板产业整体产业链仍较为落后。目前,LCD用光刻胶几乎全部依赖进口,核心技术至今被TOK、JSR、住友化学、信越化学等日本企业所垄断。就拿在国际上具有一定竞争实力的京东方来说,目前已建立17个面板显示生产基地,其中有16个已经投产。但京东方用于高端面板的光刻胶,仍然由国外企业提供。光刻胶主要成分有高分子树脂、色浆、单体、感光引发剂、溶剂以及添加剂,开发所涉及的技术难题众多,需从低聚物结构设计和筛选、合成工艺的确定和优化、活性单体的筛选和控制、色浆细度控制和稳定、产品配方设计和优化、产品生产工艺优化和稳定、最终使用条件匹配和宽容度调整等方面进行调整。因此,要自主研发生产,技术难度非常之高。   22 、高压共轨系统   《高压共轨不中用,国产柴油机很受伤》(科技日报6月4日) 电控柴油高压共轨系统相当于柴油发动机的“心脏”和“大脑”,其品质的好坏,严重影响发动机的使用。柴油机产业是推动一个国家经济增长、社会运行的重要装备基础。中国是全球柴油发动机的主要市场和生产国家,而在国内的电控柴油机高压共轨系统市场,德国、美国和日本等企业占据了绝大份额。和国外先进公司的产品相比,国产高压共轨系统在性能、功能、质量及一致性上还存在一定的差距,成本上的优势也不明显。   23、 透射式电镜   《我们的蛋白质3D高清照片仰赖舶来的透射式电镜》(科技日报6月6日 冷冻电镜可以拍摄微观结构高清3d“彩照”,是生命科学研究的利器,透射式电镜的生产能力是冷冻电镜制造能力的基础之一。目前世界上生产透射电镜的厂商只有3家,分别是日本电子、日立、FEI,国内没有一家企业生产透射式电镜。匹配冷冻电镜使用的工具都需要原装,零件坏了找不到人修理,只能等待零件邮寄到货后进行更换。对于中国的冷冻电镜使用者们来说,这样的体验可能还要持续不短的时间。   24 、掘进机主轴承   《自家的掘进机却不得不用别人的主轴承》(科技日报6月7日)   主轴承,有全断面隧道掘进机的“心脏”之称,承担着掘进机运转过程的主要载荷,是刀盘驱动系统的关键部件,工作所处状况十分恶劣。与直径仅有几百毫米的传统滚动轴承相比,掘进机主轴承直径一般为几米,是结构最复杂的一种轴承,制造需要上百道工序。就掘进机整机制造能力而言,国产掘进机已接近世界最先进水平,但最关键的主轴承全部依赖进口。德国的罗特艾德、IMO、FAG和瑞典的SKF占据市场。   25、 微球   《微球:民族工业不能承受之轻》(科技日报6月12日)   微球,直径是头发粗细的三十分之一。手机屏幕里,每平方毫米要用一百个微球,撑起了两块玻璃面板,相当于骨架,在两块玻璃面板的缝隙里,再灌进液晶。少了它,你正盯着的液晶屏幕将无法生产。没有微球,芯片生产、食品安全检测、疾病诊断、生物制药、环境监测……许多行业都会陷入窘境。仅微电子领域,中国每年就要进口价值几百亿元人民币的微球。2017年中国大陆的液晶面板出货量达到全球的33%,产业规模约千亿美元,位居全球第一。但这面板中的关键材料——间隔物微球,以及导电金球,全世界只有日本一两家公司可以提供。这些材料也像芯片一样,给人卡住了脖子。   26 、水下连接器   《水下连接缺国产利器,海底观测网傍人篱壁》(科技日报6月13日)  除了船舶、遥感卫星,海底观测网已成为第三种海洋观测平台——通过它,人类可以深入到水下观测和认识海洋。如果将各类缆系观测平台比作胳膊、腿,水下连接器就好比关节,对海底观测网系统的建设、运行和维护有着不可替代的作用。目前我国水下连接器市场基本被外国垄断。一旦该连接器成为禁运品,整个海底观测网的建设和运行将被迫中断。   27 、燃料电池关键材料   《少了三种关键材料,燃料电池商业化难成文章》(科技日报6月14日)   国外的燃料电池车已实现量产,但我国车用燃料电池还处在技术验证阶段。我国车用燃料电池的现状是——几乎无部件生产商,无车用电堆生产公司,只有极少量商业运行燃料电池车。多项关键材料,决定着燃料电池的寿命和性能。这些材料我国并非完全没有,有些实验室成果甚至已达到国际水平。但是,没有批量生产线,燃料电池产业链依然梗阻。关键材料长期依赖国外,一旦遭遇禁售,我国的燃料电池产业便没有了基础支撑。   28 、高端焊接电源   《国产焊接电源“哑火”,机器人水下作业有心无力》(科技日报6月20日)   我国是海洋大国,拥有300多万平方公里海域,正在大力发展高端海洋资源开发和海洋维权装备。海里的设备一旦出现开裂等故障,需要用有工业制造“缝纫机”之称的焊接装备修补。深海焊接的实现靠水下机器人。虽然我国是全球最大焊接电源制造基地,年产能已超1000万台套,但高端焊接电源基本上仍被国外垄断。我国水下机器人焊接技术一直难以提升,原因是高端焊接电源技术受制于人。国外焊接电源全数字化控制技术已相对成熟, 国内的仍以模拟控制技术为主。   29 、锂电池隔膜   《一层隔膜两重天:国产锂电池尚需拨云见日》(科技日报6月21日)   作为新能源车的“心脏”,国产锂离子电池(以下简称锂电池)目前“跳”得还不够稳。电池四大核心材料中,正负极材料、电解液都已实现了国产化,唯独隔膜仍是短板。高端隔膜技术具有相当高的门槛,不仅要投入巨额的资金,还需要有强大的研发和生产团队、纯熟的工艺技术和高水平的生产线。高端隔膜目前依然大量依赖进口。   30 、医学影像设备元器件   《拙钝的探测器模糊了医学影像》(科技日报6月25日)   目前国产医学影像设备的大部分元器件依赖进口,至少要花10年、20年才能达到别人的现有水平。在传统医学成像(CT、磁共振等)上,中国最早的专利比美国平均晚20年。在专利数量上,美国是我国的10倍。这意味着整个产业已经完全掌握在国外企业的手里了,所有的知识产权,所有的原创成果,所有的科研积累都在国外,中国只占很少的一部分。   31 、超精密抛光工艺 《通往超精密抛光工艺之巅,路阻且长》(科技日报6月26日) 超精密抛光工艺在现代制造业中有多重要,其应用的领域能够直接说明问题:集成电路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天。“它是技术灵魂”。美日牢牢把握了全球市场的主动权,其材料构成和制作工艺一直是个谜。换言之,购买和使用他们的产品,并不代表可以仿制甚至复制他们的产品。   32 、环氧树脂   《环氧树脂韧性不足,国产碳纤维缺股劲儿》(科技日报6月27日) 碳纤维质量能比金属铝轻,但强度却高于钢铁,还具有耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等特性,其中一个关键的复合辅材就是环氧树脂。但目前国内生产的高端碳纤维,所使用的环氧树脂全部都是进口的。目前,我国已能生产T800等较高端的碳纤维,但日本东丽掌握这一技术的时间是上世纪90年代。相比于碳纤维,我国高端环氧树脂产业落后于国际的情况更为严重。   33 、高强度不锈钢   《去不掉的火箭发动机“锈疾”》(科技日报6月28日) 用于火箭发动机的钢材需具备多种特性,其中高强度是必须满足的重要指标。然而,不锈钢的强度和防锈性能,却是鱼和熊掌般难以兼得的矛盾体。火箭发动机材料如果如果严重生锈,将带来很大影响。完全依靠材料自身实现高强度和防锈性能兼备,这是世界性难题。现在,我国航天材料大多用的是国外上世纪六七十年代用的材料,发达国家在生产过程中会严格控制杂质含量,如果纯度不达标,便重新回炉,但国内厂家往往缺乏这种严谨的态度。   34 、数据库管理系统   《数据库管理系统:中国还在寻找“正确打开方式”》(科技日报7月2日) 目前全世界最流行的两种数据库管理系统是Oracle和MySQL,都是甲骨文公司旗下的产品。竞争者还有IBM公司以及微软公司的产品等。甲骨文、IBM、微软和Teradata几家美国公司,占了大部分市场份额。数据库管理系统国货也有市场份额,但只是个零头,其稳定性、性能都无法让市场信服,银行、电信、电力等要求极端稳妥的企业,不会考虑国货。   35 、扫描电镜   《扫描电镜“弱视”,工业制造难以明察秋毫》(科技日报7月3日) 扫描电子显微镜,一种高端的电子光学仪器,它被广泛地应用于材料、生物、医学、冶金、化学和半导体等各个研究领域和工业部门,被称为“微观相机”目前我国科研与工业部门所用的扫描电镜严重依赖进口,每年我国花费超过1亿美元采购的几百台扫描电镜中,主要产自美、日、德和捷克等国。国产扫描电镜只占约5%—10%。
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    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2019-04-17
    • 这是一个飞速旋转的世界。从汽车到高铁再到飞机,它们都有一个共同的“灵魂”:轴承。 而用于制造轴承所需的轴承钢,被誉为“钢中之王”,其服役条件十分严苛,使用性能要求极高,是生产难度最大、产品质量要求最严、检验项目最多的特种钢之一。 如今,曾经被发达国家垄断的高端轴承钢,早已被中信泰富特钢集团兴澄特钢所攻克。兴澄特钢自主研发的新型轴承钢,在最重要的疲劳性指标上,实现国际领先。 坚定不移发展特钢 上世纪90年代初,兴澄特钢还是一个装备简陋、管理粗放,年产量不满20万吨的地方性普钢小厂。1993年与香港中信泰富公司合资办厂后,就把发展方向定位于生产全球最优质的轴承钢。 轴承钢是钢铁生产中要求最严的钢种之一。对化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都非常高。 “多年来,我们下定决心依托科技创新,坚定不移走精品特钢发展路线,当其他企业根据市场利润在特钢和普钢之间徘徊反复时,兴澄特钢始终如一,终于闯出一条具有自己特色的特钢之路。”中信泰富特钢集团兴澄特钢总经理李国忠说。 可以说,当时研发高端轴承钢,对于兴澄特钢来说,不是一件容易的事。用兴澄科研人员的话来说,“国际上一些能够生产高端轴承钢的企业,对中国企业技术封锁,我们开始也走了不少弯路。” 发现轴承钢疲劳寿命的“秘密” 困难并没有吓倒兴澄特钢人。科研团队立足自主创新,针对“卡脖子”难题,敢于打破传统,敢于对书本说不,对权威说不。 疲劳寿命是轴承钢最重要的一项指标,大多数钢企都将降低氧含量视为提高材料疲劳寿命的要诀。但兴澄特钢从2001年开始,每年进行各种轴承模拟实验,经过长期实验观察和研究分析,科研团队发现:疲劳寿命在同等氧含量下,还与夹杂物形态及组成有关,而这些夹杂物是不能用传统方法衡量和控制的。 在科技部和江苏省的支持下,兴澄特钢经过多年努力,攻克了一系列技术、工艺和生产难关,终于开发出高端轴承钢,使轴承钢氧含量控制在小于等于5ppm(parts per million,炼钢中用ppm作为氧含量的单位)的世界先进水平。 兴澄特钢总工程师许晓红告诉记者,当国内主流钢厂还在用模铸和电渣工艺生产轴承钢时,兴澄特钢顶住压力上马连铸,并用连铸轴承钢叩开世界顶级轴承制造商SKF的大门,成为获得SKF“采购绿色通道”的第一家中国钢铁企业。 2016年,兴澄特钢再次打破电渣轴承钢垄断局面,通过了中国铁路总公司CRCC认证,成为国内首家也是唯一一家采用“真空脱气+连铸”工艺生产铁路货车轴承用钢的钢厂。现在,法国高铁等多个国家铁路公司均将兴澄特钢的轴承钢纳入采购名录。 ASTM国际轴承主席、原SKF集团技术总监John Beswick评价说:“兴澄特钢从一个少量生产轴承钢的钢厂,发展成为当前领袖级地位的轴承钢生产商。” 志在产业链技术整体提升 让中国尽快由“钢铁大国”变成“钢铁强国”,是兴澄特钢人的梦想。 在过去的20多年,矗立在江尾海头的兴澄特钢,以科技创新和技术突破,不断引领中国特钢产业转型升级。 “作为中国特钢行业领军企业,兴澄特钢已先后承担了国家十五、十一五、十二五、863、火炬计划等多项冶金课题的项目攻关,并主持或参与多项国家和行业技术标准的起草修订。”李国忠说。 目前,兴澄特钢正在牵头承担国家十三五重点研发计划课题《轴承钢冶金质量控制基础理论与产业化关键共性技术研究》,与钢铁研究总院等共同攻关。 此外,兴澄特钢与英国剑桥大学等共同开发的长寿命超纯净轴承钢已经结题,建立了服役性能与轴承钢组织的模型,更好地指导和优化了当前的生产和制造工艺,并在此基础上形成了超长接触疲劳寿命轴承钢的生产技术。 正是凭借研发实力和不断提升产品品质,兴澄特钢经历了“普转优”“优转特”“特转精”的不断升级。2018年,中信泰富特钢集团营业收入超千亿元。未来,兴澄特钢更志在与更多的中国企业共同实现轴承领域从基础材料到工业应用的产业链技术整体提升,让中国制造傲立全世界。