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中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2020）：軌道交通高速運(yùn)轉(zhuǎn)體系關(guān)鍵材料

2022-08-02 16:10:54 作者：李殿中來源：今日新材料分享至：

12.1　發(fā)展該產(chǎn)業(yè)的重要性和緊迫性

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，我國高速鐵路蓬勃發(fā)展，已建成“四橫四縱”的高速鐵路網(wǎng)，現(xiàn)在正在建設(shè)覆蓋中西部地區(qū)“八橫八縱”高速鐵路網(wǎng)。截至 2019 年，我國高速鐵路總里程達(dá) 3.5 萬千米，居世界第一位。“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組已經(jīng)達(dá)到 350km/h 的運(yùn)行速度，居于世界首位。

在高速鐵路快速發(fā)展的同時(shí)，我國自主研發(fā)了大量的核心技術(shù)，目前已經(jīng)系統(tǒng)掌握了各種復(fù)雜地質(zhì)及氣候條件下高鐵建造的成套技術(shù)，全面掌握了時(shí)速 200 ～ 250km、300～ 350km 動(dòng)車組制造技術(shù)。高速鐵路不僅是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大支柱，也帶來了巨大的社會(huì)效益，對(duì)我國區(qū)域融合、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。同時(shí)，高鐵技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)鐵路基礎(chǔ)的重大突破，也帶動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域綜合科學(xué)技術(shù)能力的發(fā)展，反映了一個(gè)國家的科技實(shí)力和工業(yè)水平。

然而，值得注意的是，盡管高速列車國產(chǎn)化在我國基本實(shí)現(xiàn)，但其核心的走行系統(tǒng)中高速運(yùn)轉(zhuǎn)體系的部分關(guān)鍵零部件，例如車輪、車軸和轉(zhuǎn)向架軸承，仍然大量甚至完全依賴進(jìn)口，在采購、技術(shù)、供貨周期與價(jià)格上受制于人，成為我國高速列車快速發(fā)展的瓶頸。

根據(jù)《中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 2019 年統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，截至 2019 年底，全國鐵路機(jī)車擁有量為 2.2 萬臺(tái)，其中，內(nèi)燃機(jī)車 0.80 萬臺(tái)，占 36.9% ；電力機(jī)車 1.37 萬臺(tái)，占 63.0%。全國鐵路客車擁有量為 7.6 萬輛，其中，動(dòng)車組 3665 標(biāo)準(zhǔn)組、29319 輛。全國鐵路貨車擁有量為 87.8 萬輛。按照每輛動(dòng)車組裝備 2 個(gè)轉(zhuǎn)向架計(jì)算，僅動(dòng)車組就有近 24 萬片車輪、12 萬根車軸、幾十萬套軸承在使用。隨著“八橫八縱”高鐵網(wǎng)的進(jìn)一步建設(shè)，每年新增以及更換車輪、車軸以及轉(zhuǎn)向架軸承的數(shù)量將會(huì)進(jìn)一步增加，形成了極大的市場(chǎng)容量。同時(shí)，除高鐵之外，現(xiàn)在國內(nèi) 160km/h 以上列車、地鐵列車中高速運(yùn)轉(zhuǎn)體系使用的軸承、車輪和車軸等也大量依賴進(jìn)口，隨著國內(nèi)各城市地鐵建設(shè)的加速推進(jìn)，未來相關(guān)市場(chǎng)將會(huì)迎來更大的需求。

軌道交通高速運(yùn)轉(zhuǎn)體系關(guān)鍵零部件主要包括車輪、車軸和軸承等。涉及的關(guān)鍵材料分別為中碳低合金鋼（ER8 等）、低碳合金鋼（EA4T 等）和高品質(zhì)軸承鋼（GCr15、20CrNi2Mo 等）。目前除了少量低轉(zhuǎn)速的車輪鋼可以實(shí)現(xiàn)部分國產(chǎn)化外，高速列車的車軸和運(yùn)轉(zhuǎn)體系的軸承全部依賴進(jìn)口。

除市場(chǎng)因素外，車輛高速運(yùn)轉(zhuǎn)體系使用的關(guān)鍵材料也是高端金屬材料的典型代表，其中的軸承鋼被稱為特鋼之王，軸承產(chǎn)業(yè)也是國家基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。我國中長期發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)、制造業(yè)強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，均需要突破上述關(guān)鍵部件的自主可控制造。同時(shí)，高鐵作為中國高端制造的靚麗名片，在對(duì)外出口時(shí)也不應(yīng)長期依賴從國外進(jìn)口關(guān)鍵零部件。

此外，在當(dāng)前逆全球化趨勢(shì)和貿(mào)易保護(hù)主義抬頭的國際形勢(shì)下，在某些極端情況下，上述關(guān)鍵零部件的進(jìn)口穩(wěn)定性可能會(huì)受到影響，甚至阻礙、限制高鐵全行業(yè)發(fā)展。而這些車輛高速運(yùn)轉(zhuǎn)體系中的關(guān)鍵零部件的短缺將直接影響高鐵的運(yùn)行，從而給已經(jīng)習(xí)慣于依賴高鐵出行的國人帶來出行上的不便，以及極大的心理沖擊甚至恐慌，造成不可估量的負(fù)面影響。

因此，解決以車輪、車軸和轉(zhuǎn)向架軸承為代表的車輛高速運(yùn)轉(zhuǎn)體系中關(guān)鍵零部件的國產(chǎn) 化自主可控制造問題，是當(dāng)前面臨的迫切的科技和產(chǎn)業(yè)任務(wù)。

12.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)

12.2.1 車輪用鋼

車輪是高速列車運(yùn)行過程中承受載荷最大的部件，盡管高速列車國產(chǎn)化在我國基本實(shí)現(xiàn)，但高速車輪依然大量依賴進(jìn)口，這已經(jīng)成為我國高速列車快速發(fā)展的瓶頸。我國鐵路網(wǎng)建成之后，高速車輪需求量巨大，達(dá) 2.8 萬片每年，用鋼量約 1 萬噸 / 年。而高速車輪服役 2 ～ 3 年就要全部更換一次，預(yù)計(jì) 2025 年之后，全球每年高速車輪需求量超過 8 萬片。我國僅有馬鋼股份有限公司和太原重工能夠批量生產(chǎn)高速車輪，目前能生產(chǎn)適用于中低時(shí)速的高速車輪。日本住友、法國 Valdunes、德國 BVV 和意大利 Lucchini 是世界上少數(shù)可以批量生產(chǎn)高速車輪的廠家，幾乎壟斷了我國高鐵的車輪市場(chǎng)。

12.2.1.1 國外車輪鋼發(fā)展態(tài)勢(shì)

目前只有日本和歐洲少數(shù)廠商能夠生產(chǎn)高速車輪鋼，它們依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)分別是日本的 JIS E5402《鐵道車輛整體車輪質(zhì)量要求》和歐洲的 EN13262《鐵路規(guī)范—輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架—車輪— 產(chǎn)品要求》。日本的 JIS E5402 標(biāo)準(zhǔn)列出的七大類車輪用鋼化學(xué)成分見表 12-1。

在車輪制造與性能要求方面，JIS E5402 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)成型工藝要求比較寬松，除了 SSW 鋼車輪僅適用于碾壓車輪，其他鋼種可同時(shí)適用于碾壓車輪和鑄造車輪。對(duì)于車輪的熱處理， SSW 鋼采用不熱處理和輪輞淬回火處理兩種工藝，C44GW-C74GW 鋼采用正火和輪輞回火處理兩種工藝。正火后車輪性能要求：①輪緣位置抗拉強(qiáng)度為 800 ～ 940MPa ；②輪緣邊緣沖擊功 AkV 不低于 10J；③輪緣表面硬度為 233 ～ 285HB。淬火后車輪性能指標(biāo)要求較高，但檢測(cè)內(nèi)容與正火后車輪一致：①輪緣位置抗拉強(qiáng)度為 940 ～ 1140MPa ；②輪緣邊緣沖擊功 AkV 不低于 10J；③輪緣表面硬度為 277 ～ 341HB。

歐洲 EN13262 標(biāo)準(zhǔn)包含了碳含量不超過 0.60% 的 4 種中碳低合金鋼，其化學(xué)成分見表 12-2。

在車輪制造與性能要求方面，EN13262 標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)碾壓并經(jīng)淬回火熱處理的車輪，相比于日本 JIS E5402 標(biāo)準(zhǔn)，EN13262 對(duì)每一種鋼提出了不同的性能要求，并增加了沖擊韌性和斷裂韌性的要求。由此可見，歐洲標(biāo)準(zhǔn)更加強(qiáng)調(diào)車輪的韌性。除了力學(xué)指標(biāo)之外，歐洲標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)非金屬夾雜物、超聲波探傷、外形尺寸公差均有嚴(yán)格的要求。總體上看，日本和歐洲車輪標(biāo)準(zhǔn)在鋼的質(zhì)量水平、尺寸精度要求方面具有共性，而在車輪材料及性能要求上存在較大的差異。

相比于普通車輪，高速列車動(dòng)力學(xué)條件顯著變化，接觸應(yīng)力更加復(fù)雜，其安全性主要受踏面剝離和輪輞裂紋兩種失效機(jī)制的影響。踏面剝離是車輪在運(yùn)行過程中由于輪 / 軌滾動(dòng)接觸疲勞的作用和熱機(jī)械作用而在踏面局部產(chǎn)生裂紋萌生和金屬剝落的現(xiàn)象。國外研究者們通常把輪軌接觸疲勞產(chǎn)生的這種損傷定義為剝落。將由于熱損傷產(chǎn)生的這種現(xiàn)象稱為剝離。局部接觸疲勞導(dǎo)致踏面剝離的原因是車輪輪輞的各種缺陷，包括非金屬夾雜物，加工缺陷在輪軌接觸應(yīng)力作用下萌生裂紋并擴(kuò)展導(dǎo)致輪輞表面金屬剝離。產(chǎn)生踏面剝離的另外一個(gè)原因是熱機(jī)械交互作用，在車輪制動(dòng)過程中，由于蠕滑等原因使車輪表面溫度急劇升高到奧氏體溫度以上，局部產(chǎn)生的奧氏體組織在隨后滾動(dòng)過程中急劇冷卻，產(chǎn)生高硬度馬氏體“白層”組織；在反復(fù)應(yīng)力作用下馬氏體 / 基體界面產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致剝離發(fā)生，踏面剝離已成為我國動(dòng) 車組車輪失效的主要形式，占所有失效原因的 90% 以上。輪輞裂紋的產(chǎn)生是由于車輪表面附近的缺陷，一般是材料中的非金屬夾雜物，如 Al2O3、SiO2 等，在周期應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋，疲勞裂紋擴(kuò)展基體形成裂紋，由于裂紋起源于車輪內(nèi)部，很容易形成貫通于整個(gè)輪緣的裂紋，嚴(yán)重威脅了高速列車的行車安全。

國際上通常把運(yùn)行速度超過 200km/h 的列車稱為高速列車，國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果表明，運(yùn)行速度超過 120km/h 后，車輪與鋼軌之間的摩擦加劇，并在制動(dòng)過程中產(chǎn)生大量摩擦熱，加劇了車輪與鋼軌因疲勞、剝離等引發(fā)的失效問題，給高速列車的安全運(yùn)行帶來極大的隱患。歐洲早期普遍采用 UIC812-3 標(biāo)準(zhǔn)中 R7 鋼，R7 鋼含碳量在 0.52% 左右，采用 Si、Mn 作為強(qiáng)化元素，屬于中碳系鐵素體 - 珠光體鋼。1998 年，德國下薩克森州 Eschede 高速列車脫軌，列車一個(gè)車輪輪箍斷裂，引起車頭車身分離，造成 101 人死亡、81 人受傷。此后，歐洲加大了對(duì)新型高速列車用車輪鋼的研究，重點(diǎn)研究在保證材料的強(qiáng)度和硬度降低不大的情況下，提高車輪鋼的韌性。同時(shí)研究者提出了改進(jìn)車輪鋼的冶煉工藝，提高材料的潔凈度。并提出了高速車輪鋼降碳、微合金化和低碳貝氏體車輪研究新思路。例如，法國 Valdunes 公司對(duì) R7 鋼進(jìn)行了改進(jìn)，碳含量降低至 0.50% 以下，并嚴(yán)格控制硫和磷的含量，增加微合金化元素 Cr 的含量，同時(shí)加入少量的 Al、Cu 合金元素進(jìn)行強(qiáng)化。另外 20 世紀(jì) 80 年代末，英國劍橋大學(xué) Bhadeshia 教授與英國鋼鐵公司合作，研制 Fe-0.5C-1.5Si-2.0Mn 貝氏體鋼，Bhadeshia 教授稱之為無碳化物貝氏體鋼，并對(duì)其成分和組織優(yōu)化；研究中還采用了含碳量 0.04%、0.10%、 0.52% 及 0.77% 四種鋼對(duì)比，研究結(jié)果表明，貝氏體鋼有著比珠光體更優(yōu)良的抗磨損性能。可見，有必要深入對(duì)貝氏體鋼作為高速車輪材料的研究。

日本早期高速車輪和歐洲車輪在選材上存在較大的差異，日本采用的是高碳碳素鋼，代號(hào) SSW，SSW 鋼在強(qiáng)度上遠(yuǎn)高于歐洲的 R7 鋼，但在斷裂韌性和抗斷裂能力方面明顯低于 R7 鋼，由此可見日本早期采用的是高強(qiáng)度路線。后來，日本研究者為了提高車輪高速行駛時(shí) 抗裂損能力，開發(fā)了 V2 鋼，將碳含量由 0.65% 降低至 0.55%，并加入 0.18% ～ 0.21% 的 V，從而使鋼的沖擊韌性、斷裂韌性顯著提高，抗裂損性能也得到改善。從日本和歐洲的研究方向上不難看出，高速車輪鋼發(fā)展趨勢(shì)是在保證鋼的強(qiáng)度和硬度沒有明顯降低的情況下減少 C 含量，同時(shí)采用微合金化的方法提高韌性，最終提高材料的抗裂損能力。隨著冶煉工藝和技術(shù)的改進(jìn)，材料的潔凈度也得到了提高，非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸和形態(tài)得到了優(yōu)化，對(duì) 改善車輪的抗裂損性能有利。

12.2.1.2　國內(nèi)車輪鋼發(fā)展態(tài)勢(shì)

國內(nèi)很早就對(duì)高速車輪材料進(jìn)行研究，1990 年，馬鋼股份有限公司參考蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)研制了一種含釩微合金化車輪鋼。該鋼種的各項(xiàng)性能都優(yōu)于原來的 CL60 鋼，鐵道部的實(shí)驗(yàn)也證明含 V 鋼的實(shí)際應(yīng)用性能優(yōu)于普通碳素鋼。2000 年，馬鋼股份有限公司技術(shù)中心與西安交通大學(xué)聯(lián)合研制了微合金化車輪用鋼，用于速度 200km/h 的列車，該鋼降低了含碳量，增加了合金元素的含量，并用 V 進(jìn)行微合金化。研究表明，新鋼種強(qiáng)度、硬度較高，其他各項(xiàng)性能均比原來鋼種優(yōu)異。2001 年起，鋼鐵研究總院與馬鋼股份有限公司合作，系統(tǒng)開展了碳含量對(duì)車輪綜合性能的影響的研究，在含量 0.7% ～ 0.4% 的范圍內(nèi)研究了不同成分材料的力學(xué)性能、抗滑動(dòng)摩擦、抗疲勞以及抗接觸疲勞性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著碳含量的降低，材料的耐滑動(dòng)摩擦性能、耐滾動(dòng)摩擦性能以及材料的耐接觸疲勞性能降低，材料的耐熱疲勞性能顯著上升。綜合所有結(jié)果表明，碳含量在 0.5% 左右可以獲得最好的綜合性能。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN13262，馬鋼股份有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)出 CL50A 材質(zhì)高速車輪鋼，并建成了國內(nèi)第一條車輪連鑄圓坯生產(chǎn)線，該車輪成功運(yùn)用到秦沈客運(yùn)專線，試驗(yàn)運(yùn)行最高速度超 300km/h。2014 年，中國鐵路總公司設(shè)立重大課題“動(dòng)車組關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新深化研究— 時(shí)速 350km 中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組輪軸設(shè)計(jì)研究”，馬鋼股份有限公司開發(fā)出一種中碳 Si-V 微合金化 D2 材質(zhì)車輪，該鋼種抗疲勞性能、抗磨損性能優(yōu)于進(jìn)口車輪 30% 以上，該材質(zhì)車輪現(xiàn)已在復(fù)興號(hào)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組上裝配 48 件，完成考核并投入使用，累計(jì)里程已超過 120 萬千米。

12.2.2 車軸用鋼

車軸是列車運(yùn)行過程中的另一個(gè)重要承重零件，它通過過盈連接與車輪組成一個(gè)輪對(duì)，列車的整體重量幾乎都加載在車軸上，其在運(yùn)行過程中受力十分復(fù)雜。列車車軸基本是按照無限使用壽命來設(shè)計(jì)的。但是，即使如此也無法保證車軸在整個(gè)使用期間的絕對(duì)安全性，高速行進(jìn)中的列車，車軸一旦出現(xiàn)問題，將會(huì)給人民生命和財(cái)產(chǎn)安全造成不可估量的損失。

對(duì)于提高車軸的可靠性，世界各國都十分重視。車軸質(zhì)量的影響因素主要包括車軸鋼的種類、熱處理工藝及裝配工藝等。對(duì)于車軸選材而言，最主要的指標(biāo)是保證其良好的強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度和韌性。目前，對(duì)于高速列車用車軸，國內(nèi)主要采用歐洲進(jìn)口合金鋼 EA4T，在制造工藝方面與國外存在較大差距，缺乏相關(guān)領(lǐng)域核心技術(shù)及知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

12.2.2.1　國外車軸鋼發(fā)展態(tài)勢(shì)

國際上因?yàn)椴煌瑖业募夹g(shù)水平存在較大差異且各國國情不同，所以各國使用的車軸鋼也有較大差異。列車使用的車軸鋼一般可以兩大類：碳素鋼及合金鋼。日本、韓國和美國多采用中碳碳素鋼，歐洲國家多采用合金鋼。從碳含量來說這兩種車軸用鋼都屬于中碳鋼，合金化的目的是提高鋼材淬透性、改善強(qiáng)韌性等綜合性能，特別對(duì)于大截面的車軸用鋼更是如此。鉻、鎳、鉬、錳等合金元素是車軸鋼合金化的主要元素。通常還會(huì)控制鋼中鋁元素含量和添加釩等，以獲得細(xì)小組織，改善韌性特別是低溫韌性。此外經(jīng)濟(jì)性也是選材和鋼種成分設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的因素之一。從含碳量來看，日本采用的車軸用鋼 SFA55 及 SFA60 的含碳量為 0.35% ～ 0.45%。蘇聯(lián)在 1967 年前車軸用鋼的含碳量為 0.43%，到 1971 年降為 0.41%，由于含碳量的降低，使鋼的強(qiáng)度下降 25MPa，但韌性有所提高。為了保證強(qiáng)度，又于 1974 年將車軸用鋼的含碳量恢復(fù)到 0.43%。法國為 0.34% ～ 0.38%，美國為 0.45% ～ 0.59%，德國采用含碳較低的 EA4T 鋼，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用。

日本高速列車用車軸選用的材料是普通碳素鋼（SFAQA/S38C），采用感應(yīng)淬火熱處理對(duì) 其表面進(jìn)一步強(qiáng)化。在表面淬硬層內(nèi)獲得細(xì)小的馬氏體組織，使材料的表面強(qiáng)度得到顯著提高，并使材料表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這種熱處理工藝可以顯著提高材料的疲勞性能。其熱加工制造的具體工藝路線為：鍛造成形—調(diào)質(zhì)熱處理—表層感應(yīng)快速加熱—噴水淬火—低溫回火處理。該材料的特點(diǎn)為：原材料價(jià)格較低，但其熱處理工藝比較復(fù)雜，參數(shù)控制精度高。我國引進(jìn)的 CRH2 型號(hào)動(dòng)車組使用的車軸材料就是該型鋼。

歐洲各國多采用合金鋼 EA4T，主要用于制造高速、重載鐵路車軸，其熱加工制造工藝為鍛造成型 - 調(diào)質(zhì)處理，為了進(jìn)一步提高車軸材料的使用壽命，最終會(huì)采用表面熱處理及噴丸處理使車軸表面產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力。合金鋼 EA4T 原材料成本比較高，但是其生產(chǎn)工藝相對(duì)簡單，更加適合中國國情。表 12-3 為國外主要車軸鋼牌號(hào)及標(biāo)準(zhǔn)。

盡管各國使用的車軸鋼材料及制造工藝存在較大差異，但有如下趨勢(shì)：

① 發(fā)展精煉工藝，凈化鋼水，以提高材料的純凈度，從而減少車軸的裂紋源。

② 鍛造方面主要采用徑向鍛造機(jī)和大噸位高速精鍛機(jī)進(jìn)行鍛造，空氣錘和水壓機(jī)鍛造只適用于小批量的生產(chǎn)。

③ 隨著高速重載車軸的發(fā)展，選用淬透性好的中碳低合金鋼，在進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后還開展表面淬火、滾壓及噴丸等處理。實(shí)踐證明，車軸經(jīng)表面淬火處理可以提高疲勞強(qiáng)度極限 30% 以上，而表面經(jīng)噴丸強(qiáng)化處理可以使疲勞極限提高 25% 以上。

12.2.2.2　國內(nèi)車軸鋼發(fā)展態(tài)勢(shì)

國內(nèi)鐵路是世界鐵路運(yùn)輸總量最大的國家之一，中國也是鐵路車輛輪軸生產(chǎn)和需求量最大的國家之一。鑒于鐵路發(fā)展歷程的特殊性，政府始終把鐵路放在優(yōu)先發(fā)展的地位，但鐵路車輛輪軸的使用工況仍舊相對(duì)惡劣。主要呈現(xiàn)出的特點(diǎn)有：

① 運(yùn)輸負(fù)荷重；

② 線路條件復(fù)雜；

③ 鐵路覆蓋面積大，大氣環(huán)境差異大，氣溫在 -40 ～ 40℃之間，既有高溫、濕熱地區(qū)，又有高寒、干燥地區(qū)，且橋梁、涵洞多。

上述這些外部因素，無疑都對(duì)國內(nèi)鐵路車輛輪軸的設(shè)計(jì)、制造和維修保養(yǎng)提出了較為苛刻的條件。近年來，重載技術(shù)和提速戰(zhàn)略都給國內(nèi)鐵路車輛輪軸技術(shù)提出了新的要求。

我國列車車軸主要以 LZ40 鋼和 JZ45 鋼為主，前者含碳稍低，為 0.37% ～ 0.45%，含錳也稍低，為0.45%～0.8%；后者含碳及含錳均稍高，分別為0.4%～0.48%及0.55%～0.85%。顯然這是為了保證車輛用車軸鋼具有較好的韌性及較低的冷脆轉(zhuǎn)折溫度，但其強(qiáng)度低、耐磨性差和疲勞壽命短的缺點(diǎn)無法滿足近些年鐵路提速的要求。根據(jù)四方車輛研究所對(duì)軌道列車車軸普查的結(jié)果顯示，由于強(qiáng)度低、耐磨性差導(dǎo)致報(bào)廢的車軸每年平均將近一萬根。為此，我國參照 AAR 標(biāo)準(zhǔn)研制了力學(xué)性能優(yōu)于 LZ40 車軸鋼，并且壽命比 LZ40 延長一倍以上的 LZ50 車軸鋼，經(jīng)歷了十年的裝車考核后現(xiàn)已在軌道列車上推廣使用。雖然 LZ50 車軸鋼解決了行業(yè)部分難題，但現(xiàn)今我國動(dòng)車組所用空心車軸主要還是依賴于進(jìn)口，并且在相關(guān)車軸制造的核心技術(shù)方面缺少自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。值得一提的是，目前我國在鋼鐵冶煉方面技術(shù)較為成熟，車軸鋼坯質(zhì)量穩(wěn)定性及氧含量和夾雜物控制水平處于世界先進(jìn)水平。

目前國內(nèi)高速鐵路車軸用鋼主要采用進(jìn)口的合金鋼 EA4T，其化學(xué)成分與國產(chǎn) 25CrMoA 鋼相近，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗罂色@得優(yōu)良的強(qiáng)韌性，是目前最合適的高速、重載車軸材料，主要應(yīng)用于地鐵車軸和準(zhǔn)高速機(jī)車車軸。國內(nèi)對(duì)于 EA4T 鋼所采用的熱處理工藝大多是調(diào)質(zhì) 處理工藝，得到的組織為回火索氏體組織，該組織具有良好的綜合力學(xué)性能。但由于原始材料的成分不均勻以及材料本身淬透性不足等問題，在熱處理過程中往往會(huì)產(chǎn)生“遺傳現(xiàn)象”，導(dǎo)致最終產(chǎn)物中含有大量的塊狀鐵素體，這些鐵素體嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能。

解決熱處理過程中“遺傳現(xiàn)象”的關(guān)鍵是改善材料的組織均勻性。鄭業(yè)方等設(shè)計(jì)了針對(duì) EA4T 鋼的熱處理方案，通過研究發(fā)現(xiàn)：如果在調(diào)質(zhì)處理前進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可以顯著改善材料的組織均勻性，減少塊狀鐵素體的含量，并能有效提高材料的綜合性能。張昌裕等在 EA4T 鋼調(diào)質(zhì)處理之前，首先對(duì)原始組織進(jìn)行了高溫回火處理，他們認(rèn)為高溫回火可以使原始組織的成分更加均勻，并能夠減少元素分布不均產(chǎn)生的成分偏析，進(jìn)而能夠減少塊狀鐵素體的生成。劉曙蓉等針對(duì)原始組織成分不均勻現(xiàn)象，運(yùn)用二次正火工藝和高溫長時(shí)間奧氏體化處理，使材料中的合金元素和碳元素在熱處理過程中得到更充分的擴(kuò)散，并最終得到了較細(xì)的晶粒尺寸，確定了最佳的熱處理工藝。

國內(nèi)學(xué)者在成分分析、鍛造與熱處理工藝、金相組織與力學(xué)性能等方面進(jìn)行探索，在材料特性、工藝參數(shù)等方面取得一些成果。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口的合金鋼 EA4T 仍有存在非金屬夾雜物以及組織不均勻等缺陷，性能及疲勞壽命潛力有待進(jìn)一步發(fā)掘。但目前的研究工作主要集中在了傳統(tǒng)工藝改善等方面，對(duì)新工藝的探索仍相對(duì)較少。雖然近年來開展了大量對(duì) EA4T 鋼的研究，國內(nèi)鋼坯質(zhì)量也較高，但由于在車軸制造相關(guān)領(lǐng)域缺少核心技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，且無完善的考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，目前合金鋼 EA4T 車軸主要依賴于歐洲進(jìn)口。對(duì)于 EA4T 鋼，在材料特性、生產(chǎn)工藝、疲勞壽命預(yù)測(cè)等方面的研究，在實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，發(fā)掘材料潛力等方面，仍然具有重要價(jià)值。

12.2.3 轉(zhuǎn)向架軸承用鋼

軸承是列車走行系統(tǒng)的核心轉(zhuǎn)向架中的關(guān)鍵部件，其性能和安全性直接影響高鐵的運(yùn)行安全。高速列車轉(zhuǎn)向架軸承主要包括電機(jī)軸承、齒輪箱軸承和軸箱軸承等，電機(jī)軸承尺寸小于齒輪箱軸承和軸箱軸承。從軸承類型上看，轉(zhuǎn)向架軸承均為滾動(dòng)軸承，由內(nèi)外套圈、滾動(dòng) 體、保持架和潤滑油脂組成。

當(dāng)前，在普通機(jī)車車輛用軸承研究與制造領(lǐng)域，我國的總體技術(shù)水平基本與世界先進(jìn)水平相當(dāng)，國內(nèi)中信特鋼、西寧特鋼等鋼鐵企業(yè)能夠生產(chǎn)滿足中國鐵路總公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的軸承鋼鋼材，瓦軸、洛軸和天馬等軸承企業(yè)能夠生產(chǎn)出滿足使用要求的相關(guān)軸承，并已穩(wěn)定供貨。轉(zhuǎn)向架軸承作為典型的高端軸承代表，受軸承行業(yè)整體技術(shù)水平的影響，目前我國生產(chǎn)的軸承僅能適用于運(yùn)行速度 140km/h 以下的車輛。因此，在高速鐵路領(lǐng)域，由于受設(shè)計(jì)開發(fā)能力和制造水平等諸多因素的限制，現(xiàn)階段我國的高速鐵路列車均采用進(jìn)口配套軸承，主要從瑞典 SKF、德國 FAG、日本 NSK/NTN 和美國 Timken 等國際著名軸承公司采購軸承，急需實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

12.2.3.1　國外軸承鋼發(fā)展態(tài)勢(shì)

如前所述，高速列車轉(zhuǎn)向架軸承主要包括電機(jī)軸承、齒輪箱軸承和軸箱軸承等，雖然均為滾動(dòng)軸承，但因服役條件不同，不同部位使用的軸承類型、大小均不相同，而且不同軸承廠家根據(jù)各自的技術(shù)特色在內(nèi)外套圈和滾動(dòng)體上使用的軸承鋼材質(zhì)也不盡相同。隨著列車運(yùn) 行速度的提高和載重的增加，各國廣泛使用滲碳鋼制造的圓錐滾子軸承。瑞典 SKF 公司、美國 Timken 公司、日本 NSK 公司和 NTN 公司等采用表面滲碳鋼制作圓錐滾子軸承，有效地提高了軸承免維護(hù)運(yùn)行里程及其安全可靠性。

盡管世界各國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軸承鋼的具體合金成分要求有所差別，同時(shí)各軸承廠也根據(jù)自身技術(shù)特點(diǎn)在國標(biāo)范圍內(nèi)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)了內(nèi)控材料成分范圍和 / 或特殊制造工藝，但整體上仍然可以把現(xiàn)用的國外進(jìn)口高鐵轉(zhuǎn)向架軸承用鋼歸屬到全淬透性的高碳鉻軸承鋼和滲碳軸承鋼兩大類軸承鋼。從檢測(cè)數(shù)據(jù)來看，目前進(jìn)口高鐵轉(zhuǎn)向架軸承使用的軸承鋼可以對(duì)應(yīng)到我國軸承鋼牌號(hào) GCr15、GCr18Mo、GCr15SiMn 等高碳鉻軸承鋼和 G20CrNi2Mo 滲碳軸承鋼。這說明國外軸承公司針對(duì)高鐵轉(zhuǎn)向架軸承的應(yīng)用特點(diǎn)，并沒有超出傳統(tǒng)材料的范圍而另行開發(fā) 新的材料，而是在這些傳統(tǒng)材料的基礎(chǔ)上，通過提高材料純凈度、均質(zhì)性并結(jié)合后續(xù)差異化熱處理工藝提升性能，滿足使用需求。我國國標(biāo)對(duì)上述牌號(hào)的軸承鋼成分要求如表 12-4 所示（以特優(yōu)級(jí)鋼為例）。

雖然進(jìn)口高鐵轉(zhuǎn)向架軸承均采用現(xiàn)有牌號(hào)軸承鋼制造，但其普遍具有較高的潔凈度，多數(shù)高碳鉻軸承鋼和滲碳軸承鋼的氧含量控制在 6ppm 以下， Ti 含量控制到 15ppm 以下，達(dá)到了我國國標(biāo)中規(guī)定的特優(yōu)級(jí)軸承鋼的要求，但部分軸承也存在氧含量超過 6ppm、Ti 含量達(dá) 到 20ppm（滲碳軸承鋼）的現(xiàn)象。在嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素含量的同時(shí)，國外進(jìn)口高鐵軸承中的夾雜物控制也體現(xiàn)出了較高的水平，尤其是對(duì)于對(duì)疲勞性能影響較大的 DS 類夾雜物控制較為嚴(yán)格，一般在 0.5 級(jí)，很少有達(dá)到 1.0 級(jí)的情況。使用 ASPEX 夾雜物自動(dòng)檢測(cè)分析技術(shù)對(duì)進(jìn)口高鐵軸承進(jìn)行大面積的夾雜物統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其中夾雜物最大尺寸一般小于 20μm，且最大尺寸夾雜物一般為硫化物。

值得注意的是，從目前公開的數(shù)據(jù)分析，國外進(jìn)口高鐵軸承并未使用瑞典 Ovako 的 IQ 鋼（主要指標(biāo)為氧含量 4~6ppm，鈦含量 8~12ppm，最大夾雜物 DS<15μm，同時(shí)具有各向同性特征）等軸承領(lǐng)域口碑較好、公認(rèn)品質(zhì)較高的頂級(jí)軸承鋼。由于鋼中夾雜物含量、形狀和尺寸對(duì)鋼材疲勞極限強(qiáng)度的高低有著很大的影響，世界各國都在努力提高鋼材純凈度。Ovako 在冶煉時(shí)不但能控制鋼中夾雜物的含量，還能控制鋼中夾雜物的形狀和尺寸，目前 Ovako 生產(chǎn)的 BQ 和 IQ 等級(jí)鋼材在 10MHz 水浸超聲探傷已經(jīng)很難發(fā)現(xiàn) 0.2mm 平底孔當(dāng)量的宏觀夾雜物，微觀夾雜物更是比 ASTM A295 和 ASTM E45 標(biāo)準(zhǔn)低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

除純凈度之外，軸承鋼中和鋼材冶金質(zhì)量相關(guān)的指標(biāo)還有液析碳化物、網(wǎng)狀碳化物和帶狀碳化物，以及成分均勻性。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，國外進(jìn)口高鐵軸承中液析碳化物控制水平很好，基本上在 0.5 級(jí)以下，很少能夠觀察到軸承中存在液析碳化物；網(wǎng)狀碳化物通常控制在 1.0 級(jí) 以下，帶狀碳化物一般控制在 1.5 級(jí)以下，同時(shí)整個(gè)軸承的硬度均勻性也控制得很好，硬度差都在 ±1HRC 之內(nèi)，體現(xiàn)出較好的組織均勻性。

軸承是較為特殊的一類零部件，鋼材的冶金質(zhì)量僅僅是一個(gè)基礎(chǔ)的性能指標(biāo)，軸承最終的服役性能還直接受最終熱處理以及機(jī)加工過程表層和近表層顯微組織變化的影響。由于高鐵轉(zhuǎn)向架中電機(jī)軸承、齒輪箱軸承和軸箱軸承三大類軸承的服役載荷特征不同，因此國外軸承企業(yè)也針對(duì)不同的服役載荷特征選用不同軸承材料，并對(duì)其實(shí)施不同的熱處理工藝，以獲得最適合服役載荷特征的顯微組織和性能。以軸箱軸承為例，某企業(yè)雖然使用高碳鉻軸承鋼制備軸箱軸承的內(nèi)外套圈和滾動(dòng)體，但依然在根據(jù)軸承內(nèi)外圈和滾動(dòng)體的尺寸，合理選用了不同牌號(hào)的高碳鉻軸承鋼制備內(nèi)外套圈和滾動(dòng)體；在熱處理和顯微組織控制方面，考慮到軸箱軸承需要承受較強(qiáng)的沖擊載荷，內(nèi)外套圈的顯微組織為馬氏體 + 貝氏體復(fù)合組織，在保證較高的硬度情況下仍然維持了良好的韌性。而另外一家軸承企業(yè)，則根據(jù)自己的軸承設(shè)計(jì)和技術(shù)特長，選用滲碳軸承鋼制造軸箱軸承的內(nèi)外套圈，選用高碳鉻軸承鋼制備滾動(dòng)體。

從對(duì)高鐵轉(zhuǎn)向架軸承的解剖分析結(jié)果來看，國外著名軸承公司已經(jīng)掌握了大量高鐵軸承臺(tái)架以及實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，從而可以綜合考慮軸承設(shè)計(jì)、軸承制造和軸承材料之間的相互配合，以達(dá)到穩(wěn)定服役為目標(biāo)，雖然沒有使用行業(yè)內(nèi)最著名的軸承鋼，但其軸承鋼潔凈度也達(dá)到了非常高的水平。

12.2.3.2　國內(nèi)軸承鋼發(fā)展趨勢(shì)

高鐵轉(zhuǎn)向架軸承是高端軸承的典型代表，其研究和使用狀況也直接受我國軸承的整體發(fā) 展?fàn)顩r的影響和制約。在軸承鋼方面，國內(nèi)軸承鋼方面近些年也做了很多工作，建立了合理的軸承鋼生產(chǎn)流程，在氧含量、夾雜物、碳化物控制方面都有很好的進(jìn)展，尤其是以興澄特鋼、大冶特鋼等為代表的一些國內(nèi)特殊鋼廠近些年在高端軸承鋼的研發(fā)與生產(chǎn)方面取得了巨大的進(jìn)步。從雜質(zhì)元素含量指標(biāo)來看，興澄特鋼等鋼廠的鋼材質(zhì)量控制水平已經(jīng)達(dá)到國外進(jìn) 口高鐵軸承用鋼的水平。在夾雜物控制方面，國內(nèi)鋼廠的控制水平經(jīng)過十余年的不斷改善，也已經(jīng)達(dá)到很高的水平，在嚴(yán)格控制的情況下鋼材的純凈度可以達(dá)到進(jìn)口高鐵軸承用鋼的純凈度水平。

此外，中國科學(xué)院金屬研究所通過多年研發(fā)，發(fā)明了鋼液和稀土金屬中的“雙純凈技術(shù)”，與西王、天馬等多家企業(yè)合作，解決了鋼中添加稀土導(dǎo)致鋼的性能不穩(wěn)定、時(shí)好時(shí)壞的問題，取得了稀土鋼工業(yè)化應(yīng)用的飛躍。在其他常規(guī)冶金手段無法提高軸承鋼的品質(zhì)的情況下，每噸鋼只需加入 200g 微量鑭、鈰稀土金屬，5μm 以上較大尺寸的夾雜物可減少 30% 以上，將硬脆的氧化鋁變質(zhì)為與基體匹配良好的稀土氧硫化物，這些稀土氧硫化物在疲勞加載過程中可以發(fā)生塑性變形，從而降低了夾雜物與基體界面處的應(yīng)變集中，延緩了疲勞裂紋的萌生。同時(shí)也顯著降低了軸承鋼中 MnS 的含量，將長條形 MnS 變質(zhì)為球狀的稀土氧硫化物。夾雜物數(shù)量、尺寸的大幅降低，以及夾雜物屬性的改變，顯著提升了軸承鋼的疲勞壽命。這些進(jìn)展都為高鐵轉(zhuǎn)向架軸承的國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

為解決鐵路系統(tǒng)用軸承的國產(chǎn)化問題，我國已經(jīng)開展過多次攻關(guān)研究，取得了一定的成績。如前所述，在普通機(jī)車車輛用軸承研究與制造領(lǐng)域，我國的總體技術(shù)水平基本與世界先進(jìn)水平相當(dāng)，中國鐵路總公司已經(jīng)制定了 Q/CR 592《鐵路貨車軸承用滲碳軸承鋼》和 Q/ CR593《鐵路貨車軸承用高碳鉻軸承鋼》兩個(gè)專用的材料標(biāo)準(zhǔn)，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在材料純凈度和冶金質(zhì)量方面的要求已經(jīng)非常嚴(yán)格，依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)大冶特鋼、西寧特鋼等鋼鐵企業(yè)已經(jīng) 獲得生產(chǎn)資質(zhì)，穩(wěn)定提供相關(guān)鋼材，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)軸承在鐵路貨車上的成功應(yīng)用。

如前所述，軸承是一類極為特殊的零部件，軸承制造企業(yè)從特鋼廠購買軸承鋼之后，還要經(jīng)過后續(xù)重新的加熱鍛造、球化處理、淬火 + 回火處理、機(jī)加工等工藝流程才能最終制造出成品軸承，最終決定成品軸承服役性能的關(guān)鍵通常是軸承滾道的表面和近表面材料性能，而這些區(qū)域材料的性能雖然受特鋼廠出廠時(shí)軸承鋼的成分、潔凈度和顯微組織的影響，但更受后續(xù)工藝流程的影響，因此對(duì)軸承鋼品質(zhì)的控制不應(yīng)僅僅局限在特鋼廠關(guān)注的冶金質(zhì)量上，而是應(yīng)該延伸到軸承制造過程，乃至軸承服役過程。

正是因?yàn)槿绱耍覈鴩@高鐵轉(zhuǎn)向架軸承國產(chǎn)化也曾經(jīng)安排過協(xié)同攻關(guān)研究。國家科技部在 2011 年支持了由軸研科技牽頭申報(bào)的國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“高速鐵路和城市軌道交通車輛軸承關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”，針對(duì)高鐵軸承開展了科技攻關(guān)，同時(shí)在國家 863 項(xiàng)目支持下，由洛陽 LYC 軸承有限公司、青島四方車輛研究所、中國鐵道科學(xué)研究院、浙江大學(xué)及河南科技大學(xué)共同承擔(dān)了 863 計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域“大型專用軸承試驗(yàn)臺(tái)研制”重點(diǎn)項(xiàng)目中“大型高速鐵路軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)”課題，針對(duì)高鐵軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)架開展了研究。目前洛軸制造出了速度 250km/h 和 350km/h 的高鐵軸承，并在上述試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

12.3 目前制約該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題與面臨的挑戰(zhàn)

12.3.1 高速車輪材料

降低碳含量并結(jié)合微合金化是國內(nèi)高速車輪用鋼發(fā)展的主要趨勢(shì)，在碳含量基本確定的情況下，研究 Cr、V、Mo、Nb 等微合金元素的固溶強(qiáng)化機(jī)理，從碳當(dāng)量的角度綜合考慮 Si、 Mn、Ni 對(duì)車輪材料強(qiáng)韌性指標(biāo)的影響，確定 C 及微合金元素的最佳成分匹配。

冶煉工藝的改善有利于鋼的潔凈度的提高。我國必須大力開展不同鋼種二次精煉工藝研究，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)二次精煉工藝的高效化、高速化及智能化控制。

車輪與軌道在服役過程中的相互作用關(guān)系十分復(fù)雜，目前對(duì)高速車輪鋼在服役過程中組織變化和裂紋萌生、擴(kuò)展過程不夠清楚，必須深入對(duì)高速運(yùn)行狀態(tài)下車輪的疲勞與斷裂行為研究。

無碳化物貝氏體鋼具有良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、抗熱裂能力和強(qiáng)韌性配合，是極具潛力的新型高強(qiáng)韌車輪鋼。在冶煉工藝、成分控制方面需與現(xiàn)有車輪工藝銜接。在合金元素上需選擇我國豐富的合金元素，如 Si、Mn 等。研究表明，在 Si、Mn 適當(dāng)提高的基礎(chǔ)上，降低 C 含量，并調(diào)節(jié)熱處理參數(shù)獲得無碳化物貝氏體組織是可行的。

我國在評(píng)價(jià)高速車輪鋼服役壽命和狀態(tài)上尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，必須深入分析各類材料的服役壽命和受損情況，從而建立新型車輪服役壽命和服役狀態(tài)的評(píng)價(jià)體系。

12.3.2 高速車軸材料

合金鋼 EA4T 是目前最合適的高速、重載車軸材料，也是目前國內(nèi)高速鐵路主要采用的車軸材料。國內(nèi)在合金鋼冶煉、成型、熱處理方面已經(jīng)較為成熟，該材料的制造不存在無法克服的技術(shù)難題。但由于在車軸制造相關(guān)領(lǐng)域缺少核心技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，且無完善的考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，目前合金鋼 EA4T 車軸主要依賴于歐洲進(jìn)口。進(jìn)口的合金鋼 EA4T 仍存在非金屬夾雜物以及組織不均勻等缺陷，性能及疲勞壽命潛力有待進(jìn)一步發(fā)掘。

在國內(nèi)具備車軸制造能力的情況下，對(duì)車軸的制造標(biāo)準(zhǔn)、考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等方面急需完善，需建立一套獨(dú)立的制造標(biāo)準(zhǔn)與考核評(píng)價(jià)流程，才能實(shí)現(xiàn)車軸制造國產(chǎn)化。

12.3.3 轉(zhuǎn)向架軸承材料

軸承鋼是軸承結(jié)構(gòu)材料的主體，因此軸承鋼的研究始終是軸承發(fā)展中的重要主題。從目前進(jìn)口高鐵轉(zhuǎn)向架軸承用軸承鋼來看，高鐵轉(zhuǎn)向架軸承使用的材料均是成熟牌號(hào)的傳統(tǒng)軸承鋼。以應(yīng)用最為廣泛的高碳鉻軸承鋼 GCr15 鋼為例，發(fā)明 100 余年以來雖然其主合金成分變化不大，但圍繞其潔凈度、熱處理與顯微組織控制、精細(xì)機(jī)加工等方面卻在持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。值得注意的是，將軸承鋼制造成軸承，涉及眾多熱、冷加工環(huán)節(jié)，由于國產(chǎn)高鐵轉(zhuǎn)向架軸承缺乏大量的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，雖然國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)試制出高鐵轉(zhuǎn)向架軸承，但還未能實(shí)際裝車應(yīng)用。

軸承是匯集了冶金、材料和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的一個(gè)極為特殊的零部件，由于其加工制造流程長，且服役過程影響因素眾多，因此，雖然經(jīng)過不同學(xué)科的大量研究，在各自學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的研究取得了諸多進(jìn)展，但跨領(lǐng)域涵蓋整個(gè)加工制造流程和服役工況的研究較少，“軸承鋼組織和性能”與“軸承服役壽命”之間的關(guān)系尚不清晰，這也直接限制了國產(chǎn)軸承在高鐵轉(zhuǎn) 向架上的應(yīng)用。

雖然“軸承鋼組織和性能”與“軸承服役壽命”之間的關(guān)系尚不十分清晰，但軸承鋼的接觸疲勞性能與軸承服役壽命密切相關(guān)，且潔凈度影響軸承鋼的接觸疲勞性能的觀點(diǎn)受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可。僅從純凈度方面來看，基于國內(nèi)特鋼廠現(xiàn)有基礎(chǔ)，通過精細(xì)化控制，應(yīng)該可以滿足高鐵轉(zhuǎn)向架軸承的應(yīng)用需求。但需要指出的是，鋼材的純凈度提升是沒有止境的，中科院金屬所研發(fā)的稀土軸承鋼技術(shù)，以及國外采用的 Ca 處理技術(shù)等都可以進(jìn)一步提升軸承鋼的純凈度，為高品質(zhì)軸承的制造提供基礎(chǔ)。

在解決鋼材純凈度的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該樹立“全壽命周期軸承鋼材料研究”的理念，即不僅僅關(guān)注軸承鋼的冶金質(zhì)量，還要根據(jù)軸承的服役特征，有機(jī)地將軸承鋼的冶金質(zhì)量和后續(xù) 軸承鋼的熱處理、機(jī)加工乃至服役工況結(jié)合起來，針對(duì)不同軸承形成有針對(duì)性的調(diào)控策略，而這需要打破以往特殊鋼廠、軸承廠和軸承用戶之間的隔閡。

除上述研究思路的改變之外，現(xiàn)階段制約高鐵軸承國產(chǎn)化的問題還在于國產(chǎn)軸承缺乏令各方信服的、科學(xué)可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)。這方面需要從研發(fā)高鐵轉(zhuǎn)向架軸承測(cè)試臺(tái)架著手，需要研發(fā)大量能夠模擬真實(shí)服役狀況的臺(tái)架，對(duì)國產(chǎn)高鐵軸承進(jìn)行批量的性能評(píng)估和測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果不斷優(yōu)化改進(jìn)軸承設(shè)計(jì)與制造流程。

12.4 促進(jìn)該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對(duì)策與措施建議

從上述對(duì)制約該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題與面臨的挑戰(zhàn)分析可以看出，無論是車輪、車軸，還是轉(zhuǎn)向架軸承，都面臨著相似的困境，即：國內(nèi)相關(guān)材料研究和生產(chǎn)已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)，相關(guān)企業(yè)對(duì)于國產(chǎn)化有極高的熱情，但由于缺少足夠的、令人信服的接近實(shí)際服役狀況的數(shù) 據(jù)，終端用戶從保障絕對(duì)安全的角度考慮，無法采購國產(chǎn)產(chǎn)品，從而形成一種“無應(yīng)用業(yè)績，不能應(yīng)用”“不能應(yīng)用，無應(yīng)用業(yè)績”的死循環(huán)，導(dǎo)致國產(chǎn)化難以取得實(shí)質(zhì)性突破。

為解決上述問題，我們需要從基礎(chǔ)科研和應(yīng)用推廣兩個(gè)方面加強(qiáng)協(xié)調(diào)。在基礎(chǔ)科研方面，需要集合行業(yè)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)力量，從材料端牽引，建立“全壽命周期”材料研究理念，融合下游部件制造與服役評(píng)價(jià)，開展系統(tǒng)的研究工作，在材料純凈度提升等毫無爭議的領(lǐng)域研發(fā)具有我國特色的殺手锏技術(shù)，在材料顯微組織控制方面需要和轉(zhuǎn)動(dòng)核心部件設(shè)計(jì)、加工以及服役研究密切配合，針對(duì)不同基礎(chǔ)部件研發(fā)不同的顯微組織控制技術(shù)方案。

在應(yīng)用推廣方面，建議由國內(nèi)相關(guān)單位牽頭，組織國內(nèi)各科研機(jī)構(gòu)和制造廠的優(yōu)勢(shì)力量，進(jìn)行冶煉—鑄造—鍛造—熱處理—機(jī)加工全流程的制造與研發(fā)工作，建立相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在此基礎(chǔ)上，建立車輛高速運(yùn)轉(zhuǎn)體系材料的考核評(píng)價(jià)體系，通過臺(tái)架試驗(yàn)建立材料力學(xué)性能與服役壽命的映射關(guān)系，為國產(chǎn)車輪、車軸和轉(zhuǎn)向架軸承的應(yīng)用建立技術(shù)、制造、考核的全方位保障，打通國產(chǎn)車輪、車軸和轉(zhuǎn)向架軸承應(yīng)用的技術(shù)渠道，最終實(shí) 現(xiàn)全面的國產(chǎn)化，替代進(jìn)口，并最終形成出口。

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