金屬零部件的制造過程涉及合金設計、原材料制備、冶煉、鑄坯、鍛軋、熱處理、精密冷加工等，研究工作理應貫穿金屬制造與服役的全生命周期。只有貫通全生命周期技術鏈，金屬的性能才能充分發揮。以往的工藝技術研究多注重“點”的突破，而在金屬材料與零部件的加工中間經常出現“斷鏈”現象，導致高端零部件的性能不合格、不穩定、不可靠，甚至大量依賴進口。為解決上述問題，本文以直徑8 m級盾構機主軸承研制為例，從套圈用軸承鋼的V、B、稀土共合金化設計出發，基于高純凈、高均質軸承鋼的制造和高性能軸承零部件精密加工，闡述了軸承制造全流程的關鍵技術及其關聯性，重點介紹了連接軸承材料到軸承零部件的熱處理技術和大型滾子的精密加工技術。在此基礎上，成功制造了性能優異的大型盾構機主軸承，具備進口替代能力?；诖?，本文提出了金屬鏈創制的學術思想，即從材料設計的源頭出發，對合金設計、原材料制備、冶煉、鑄坯、鍛軋、熱處理、精密冷加工、裝配制造、檢測評價、應用考核等全鏈條進行研發，通過從全鏈條角度識別各工序的關鍵數據，并對其進行調控和傳遞，迭代優化，貫通技術鏈，打造創新鏈，對接產業鏈，實現金屬材料與高端零部件的可控制造。

金屬鏈,  合金設計,  熱加工,  冷加工,  創制  

在中國科學院高端軸承先導科技專項的支持下，作者團隊總共研制了7996粒、精度等級為G1級的大型圓柱滾子成品，覆蓋直徑規格40~130 mm，分別用于10套盾構機直徑3~8 m主軸承的成套裝配。360粒直徑130 m大型圓柱滾子的直徑規值≤ 1 μm、端跳≤ 6 μm、滾動表面粗糙度≤ 0.1 μm、圓度誤差≤ 0.5 μm。特別是，弧面廓線符合真實對數曲線標準，滾動面粗糙度< 0.125 μm、端面粗糙度< 0.25 μm、分選直徑規值< 2 μm、長度規值< 10 μm，達到G1級尺寸精度。從每一規格自研大型圓柱滾子中抽取5粒成品，分別測試5個部位的凸度。測試結果顯示，所有規格的自研大型圓柱滾子凸度均在規定的誤差范圍之內。

采用自研大型套圈和圓柱滾子裝配的直徑8 m級主軸承，是我國自主研制的最大直徑等級的盾構機用主軸承。2022年9月30日和2023年6月9日，經國內外同類產品對比和專家組現場考察評審，認為國產直徑8 m級主軸承的各項技術指標達到了同類進口主軸承的先進水平，部分指標處于國際領先水平，具備進口替代能力，滿足大型盾構機裝機應用需求。專家組認為：“自研直徑8 m級主軸承是交通強國建設的支撐成果，是關鍵科技自立自強的重大成果，是世界水平的重大成果，對于盾構隧道和裝備制造領域具有里程碑意義”。自研的直徑8 m級主軸承實物如圖1所示。

圖1   盾構機用直徑8 m級主軸承實物

Fig.1 Photo of the 8-meter-diameter main bearing of shield tunneling machine

基于重大裝備關鍵零部件的生產實踐，本文作者首次提出了金屬鏈創制的學術思想，如圖2所示。其基本內涵是：首先分析零部件甚至是整機的性能需求以及其加工制造工藝流程特點，而后從合金設計源頭出發，研發工作貫通原材料制備、冶煉、鑄坯、鍛軋和熱處理等熱加工、零部件精密加工、裝配制造、檢測評價、應用考核等全鏈條，并從全鏈條角度識別各工序的關鍵數據，對其進行調控，在全鏈條內各環節間進行有效的數據傳遞和技術閉環迭代，解決金屬材料制備與零部件精密加工和服役之間的“斷鏈”問題，貫通關鍵零部件制造和評價全流程的技術鏈，打造創新鏈，對接產業鏈，從而實現金屬材料與高端零部件的可控制造。

圖2   金屬鏈創制示意圖

Fig.2   Schematic of metal chain creation

本文以直徑8 m級的盾構機主軸承為例，從材料源頭出發，進行了合金設計、稀土添加、高純凈高均質軸承鋼制造、熱處理、大型滾子精密加工等全鏈條的關鍵技術研發，貫通了技術鏈、創新鏈，對接了產業鏈，初步實現了盾構機主軸承的可控制造?；诖?，本文提出了金屬鏈創制的學術思想，即從材料設計的源頭出發，貫通合金設計、原材料制備、冶煉、鑄坯、熱加工、精密冷加工、裝配制造、檢測評價、應用考核全鏈條，通過關鍵數據識別傳遞與迭代優化等進行全鏈條控制，實現金屬材料與高端零部件的可控制造。

未來將深入開展金屬鏈創制的研究工作，結合人工智能等技術，進行金屬鏈的大數據挖掘，通過數據傳遞和迭代優化，對金屬制造的全生命周期進行數字化、智能化控制。在此基礎上，繼續拓展金屬鏈的研究應用，從以往的金屬研究和軸承制造，進一步延伸到主軸和高檔機床主機的制造，從而實現從材料到主機裝備的全產業鏈金屬鏈創制，滿足國家重大需求。

李殿中, 胡小強, 王培. 金屬鏈創制[J]. 金屬學報, 2025, 61(2): 203-210.
Dianzhong LI, Xiaoqiang HU, Pei WANG. Metal Chain Creation[J]. Acta Metall Sin, 2025, 61(2): 203-210.