【康沃真空網】近日，由李殿中研究員、李依依院士團隊牽頭攻關的超大型盾構機用直徑8米主軸承研制成功。該主軸承重達41噸，是目前我國制造的首臺套直徑最大、單重最大的盾構機用主軸承。
該主軸承將安裝在直徑16米級的超大型盾構機上，用于隧道工程挖掘。該主軸承的研制成功，標志著我國已掌握盾構機主軸承的自主設計、材料制備、精密加工、安裝調試和檢測評價等集成技術。
卡住脖子的高端軸承
盾構機是國民經濟建設的重大裝備。我國已實現了盾構機的國產化，但其核心部件——主軸承卻一直依賴進口。世界軸承市場70%以上的份額，被十大跨國軸承集團公司所占據，其中美國占23%、歐盟占21%、日本占19%。同時，世界軸承行業的高端市場被上述企業所壟斷。
作為機械設備中不可或缺的核心零部件，軸承不僅要以每分鐘上萬轉的速度長時間高速運轉，還要承受著各種形式的應力擠壓、摩擦與超高溫。比如上文提到的超大型盾構機，主軸承是盾構機刀盤驅動系統的核心關鍵部件，直徑8米的主軸承在運轉過程中承載的最大軸向力達到105千牛（大約相當于軸向受到2500頭亞洲象重力的作用）、徑向力達104千牛、傾覆力矩達105千牛·米。
在航空航天、高速公路、高檔轎車、大型盾構機等行業，軸承因質量和技術附加值要求高，因此高端軸承仍需大量進口。在2018年5月25日《科技日報》“卡脖子”技術的系列報道中，高端軸承被列為我國35項“卡脖子” 技術之一。
▲ 每一列從生產車間走出來的高鐵，只要時速超過每小時140公里，用的基本上是進口軸承。航空、高鐵等高科技領域采用的是P4等級軸承。現今我國高鐵所用的高端軸承主要是從SKF、德國FAG、美國TIMKEN等公司引進。
真空脫氣打造軸承鋼
“高端軸承依賴進口，為什么我們自己造不出來？”在調研了東三省、浙江、山東等五六個省份之后，中科院山東技術轉化中心常務副主任王東升找到了答案：最大的問題出在材質上，“沒有好鋼，永遠造不出高端軸承”。
決定軸承性能的關鍵因素，在于其材質。要制造高純凈、高均質、高強韌、高耐磨的軸承鋼材料，一定要從源頭解決材料制造的問題。氧是鋼中非金屬夾雜物的主要來源，所以氧含量是衡量軸承鋼質量的重要指標。爐外精煉是國內生產高純凈軸承鋼的不二選擇，通過使用鋁作為精煉過程中重要的脫氧元素，利用還原渣法進行鋼液脫氧，同時在冶煉過程中可以脫硫和細化晶粒。鋼包精煉及真空脫氣法（LF-VD）被國內主要軸承鋼廠家應用。
目前我們雖然能造軸承鋼，但質量和純度還有待提高，而國外采用的真空脫氣冶煉技術打造的超高純軸承鋼，是我們下一步的目標。
山陽特鋼和Ovako是世界一流的軸承鋼生產企業，山陽特鋼開發了一種超純鋼冶煉工藝SNRP（Sanyo New Refining Process）。SNRP精煉工藝（大功率電爐 → LF精煉爐 → RH 真空脫氣精煉爐 → 大斷面垂直型連鑄機）可控制夾雜物尺寸的同時降低夾雜物的聚集度，鋼中的夾雜物進一步降低，疲勞壽命大幅度提高，滿足高端領域軸承長壽化和可靠性的需求。
▲ 真空循環脫氣精煉法（RH）示意
隨著爐外精煉的發展，真空循環脫氣精煉法（RH）逐漸普及。RH精煉是將真空室直接通過插入管插入鋼液，利用真空泵和氬氣上升形成推力，從而使鋼液周而復始地在真空室內循環。RH 脫氣處理能夠脫氣、脫氧、調節化學成分等，處理速度快、反應效率高、操作簡單，可以滿足鋼材多樣化和高質量化的嚴格要求。而真空脫氣法（VD）由于渣層覆蓋鋼液，脫氣主要在“渣眼”處進行，VD的脫氣速度要比RH慢得多。且VD處理過程中，由于渣層依然保留在真空室內，渣中的氧還會被鋼液反吸收，出現回氧現象。所以對軸承鋼質量指標要求極高的企業，RH法是冶煉特優級軸承鋼的關鍵，經過RH法處理后，鋼中溶解氧可以控制到 2×10-6 以下。目前，國內生產軸承鋼企業可以將鋼中全氧控制到 5×10-6以下，與國際先進水平接近。
盾構機上的“中國心”
中國科學院于2020年啟動了“高端軸承自主可控制造”戰略性先導科技專項，中國科學院蘭州化學物理研究所等7家院內科研單位組成建制化團隊，聯合20余家單位進行協同攻關，先后解決了主軸承材料制備、精密加工、成套設計中的12項核心關鍵技術問題，如今已開發出直徑從3米級到8米級的盾構機高端主軸承共10套。
為發揮我國稀土資源優勢，解決軸承領域的重大需求，研究團隊歷經十多年的研究，發現稀土鋼性能波動、澆口堵塞問題的根源在于氧含量。經過大量的實驗、計算和表征，他們揭示了稀土在鋼中的主要作用機制，開發出“低氧稀土鋼”關鍵技術。該團隊通過控制氧含量，制備出性能優越、穩定性好的低氧稀土鋼，研制出的稀土軸承鋼拉壓疲勞壽命提高40多倍，滾動接觸疲勞壽命提升40%，相關基礎研究成果于今年發表在國際著名期刊《自然材料》（Nature Materials）上。
同時，有效解決了稀土軸承鋼工業生產時遭遇的澆口嚴重堵塞的問題及加入稀土性能不穩定的問題，牽頭制訂了多項稀土鋼標準。目前由相關合作企業生產的稀土軸承鋼綜合力學性能優異，好于進口產品。
