打破壟斷!中國攻克核心裝備:高端軸承,他國曾十倍高價賣給我們

1840年,第一次鸦片战争爆发,清政府实行“闭关锁国”政策已久,面对英军的长枪短炮,清军节节败退、伤亡惨重。

 

 

最终,在1842年,这场英国单方面碾压中国的战役落幕,清政府被迫签订《南京条约》,接受不公平的协议,并割地赔款。

 

 

这场惨痛的战争让国民意识到,一味固步自封只会招致国家的毁灭。一时间,举国上下掀起了一股变革浪潮。

 

 

人们萌生了先进思想,比如其中的代表人物魏源,就曾在《海国图志》中提出“师夷长技以制夷”的观念尘封百年的科技之门终于再度被中国人打开。

 

 

自此之后,随着清政府灭亡、新中国成立,中国一步步摆脱了“东亚病夫”的蔑称,综合国力迅速发展,科技实力蓬勃向上,如今已跻身世界强国之列。

 

 

然而,在科技领域屡次取得突破的中国,至今却仍未攻克一种叫做“高端轴承”的核心装备,不得不高价从国外进口。

 

 

随手可见无处不在,零件虽小要求颇多

 

 

乍一听,“轴承”像是一个相当陌生的词汇,离普通人的生活似乎十分遥远,但其实在日常中,我们常常会接触到与之相关的事物。

 

 

从小孩爱不释手的玩具,到商务人士常在手腕上佩戴的机械表,再到声声轰鸣的工厂、飞驰的列车、阅兵式亮相的军火武器以及翱翔高空的卫星。

 

 

在制造它们的过程中,如果没有安装上轴承,都会导致效率和安全性大为降低。由此,轴承的重要程度可见一斑。

 

 

顾名思义,轴承是一种助力各部分机械转动、承托转轴或直线运动轴的零件。

 

 

当轴上有部件产生了相对运动时,就需要轴承来控制这些运动,降低摩擦系数、保证回转精度,让运动保持在相对恒定的范围内。

 

 

如果做个比较浅显的比喻,轴承就相当于人体的各个关节,既能让人活动自己的四肢头颅,又会保证活动范围不超出肢体可承受的极限。

 

 

轴承的种类繁多,总体而言,可以分为“滚动轴承”和“滑动轴承”。

 

 

而无论是哪一种轴承,为了保证效率和精度,都需要其在与轴摩擦的过程中产生尽可能微弱的振动,避免轴承与轴之间产生过多磨损和发热。

 

 

而轴承所处的工作环境往往十分严苛,导致其对制作时的精细度和原材料的要求都极高,因此,其生产难度极大,专业人员必须考虑众多因素。

 

 

以滚动式轴承为例,因为它的滚动体和套圈间的接触面积十分窄小,所以一旦开始运行,轴承滚动体的单位面积上就会承受巨大的压力。

 

 

最多高达5000帕斯卡,相当于几吨重物压在每平方毫米的滚动体表面上。

 

 

且由于高速运转,轴承内外会遭到高频变应力和离心力的作用,轴承表面极易出现应力疲劳,最后表面便会出现裂纹,整个零件直接报废;

 

 

除此之外,为了应对不同的实际应用场合,轴承还要具有耐腐蚀、耐高温等特质。

 

 

可以看到,为了适应严峻的工作环境,轴承的质量必须过硬,且在设计上也要尽力提高轴承的耐受度。

 

 

为了满足轴承在精度和寿命上的要求,除了合理的设计之外,还需要可靠的材料。

 

 

仍旧以滚动轴承作例子,它一般由四部分组成:保持器、外套圈、内套圈和滚动体(滚针、珠或滚柱)。除去保持器外,轴承的其余部分都必须使用“轴承钢”打造。

 

 

轴承钢也分多种,其中高碳铬钢占主体,因其含碳量高达1%左右,又在此基础上加入1.65%左右的铬,大大提高了钢体的热处理性、均匀性和稳定性。

 

 

在轴承钢的合成过程中,其化学成分分布的匀称性、碳化合物的分布密度以及非金属夹杂量等方面都被赋予极为严格的要求。

 

 

因此轴承钢是国际钢铁生产中要求最为严苛的钢种之一,具有极高的制造难度。

 

 

国内研发曲折前进,尖端技术遭遇瓶颈

 

 

轴承最初的理论体系和建造模型都由国外科学家提出,我国科技研发之路起步较晚,等我们意识到工业发展的重要性时,国外早已将轴承的核心技术研究透彻,遥遥领先。

 

 

为不被世界的洪流吞没,中国只能迅速开荒,一步一步摸索。

 

 

因为轴承在军事装备中占据着绝对重要的地位,坦克、军舰、导弹、飞机,这些武器装备如果没有配备优良的轴承,就会大大缩短使用寿命。

 

 

因此在二战中,制造轴承的工厂往往会被优先攻打,以掐断敌对国家的武器生产命脉。

 

 

二战结束后,西方世界抱团联合,美国与苏联陷入冷战,为了打击苏联及以其为首的社会主义国家的军事力量和经济实力,轴承专用设备被美国列入了资本主义国家对社会主义国家的禁运物资之一。

 

 

这对投身于轴承研发的中国而言无异于当头棒喝,然而中国坚韧不拔的传统意志让当时的科研工作者们咬牙坚持着自己的事业。

 

 

于是,在老一辈工作者的努力和党的引领下,中国的工业技术领域逐渐脱离了原本的颓唐之境。

 

 

改革开放后,中国经济迅速腾飞,工业领域的技术也有了重大突破,实现了历史性的跨越。

 

 

而今,中国成为了全世界唯一一个拥有所有联合国工业产业门类的国家,成为了超级制造大国。

 

 

在轴承领域,中国的表现也十分优异。据2014年中商产业研究院的数据统计,中国已成为世界第三轴承生产大国,轴承年产量高达196亿套

 

 

从无到有、由弱到强,中国的轴承发展事业无疑开展得如火如荼。

 

 

然而,虽然中国的轴承产量已大幅提升,足够应对一般需求,但从中国轴承行业结构来看,主体仍是技术含量较低的普通轴承。

 

 

中国仍未成为“轴承制造强国”,在高端轴承质量的可靠性与寿命方面,国产的轴承与西方国家仍存在较大差距。

 

 

事实上,比起普通轴承的批量化生产,高端轴承的生产制造问题更亟待中国解决。

 

 

最初,我们在高端轴承的研制之路上频频受挫。

 

 

1984年,改革开放政策实行之初,中国科研人员倾注全部心血,成功自主研发了歼8II战机,该型号战机装配了中国第一批拦射雷达,是当时的空军主力之一。

 

 

但是因为高端轴承的质量不过关,歼8II战机配套的发动机的寿命极短,只有不到200个小时。

 

 

而同一时间,西方国家的主流战机的发动机寿命可达数千小时,与国产战机拉开了极大的差距。

 

 

随后,在大型军用轴承上,我们取得了初步的成功。

 

 

1999年的阅兵式上,新型主战坦克99A缓缓驶过天安门广场。

 

 

其炮塔座圈和坦克座圈均是由我国自主研发的高端轴承,不仅可供几十吨重的炮塔自由转动,还能承受开炮时产生的巨大后坐力,此等技术即使放眼全球也极为少见。

 

 

不过,光是研制并实装99A的座圈,就几乎耗尽了举国之力。

 

 

研制高端轴承耗费的精力实在过多,且对于容错率极低的轴承来说,一旦出现细微的失误,都会导致整个高端设备直接报废。

 

 

因此我国并无法像研制大型军用轴承一样,将同等的心血投入到微小高端轴承的研发制造之中。

 

 

导致中国在小型高端轴承批量生产技术上陷入了瓶颈,不得不依赖进口轴承来完成高端设备制造。

 

 

德日趁危牟取暴利,不甘落后决心赶超

 

 

由于在工业制造商上存在大量对于高端轴承的需求,如近年着重发展的高铁与客机制造,而国内又缺乏批量生产高端轴承的技术,中国每年都需要从国外进口高端轴承。

 

 

而在轴承制造领域,德国和日本的技术位于世界前列——在世界十大轴承供应商排名中,分别有3家德国公司4家日本公司

 

 

因此,近年来,我国的高端轴承主要都从德国FAG、日本NTN等公司引进。

 

 

德国和日本看到了我国在高端轴承制造方面的劣势,于是野心愈发膨胀。

 

 

为了让更多资金从中国人的口袋流入他们囊中。

 

 

海外企业纷纷来中国建厂,雇佣中国劳动力,在中国采购技术含量较低的材料运回国外,而后再在加工成高端轴承后以十倍的价钱卖给中国。

 

 

西方国家不仅从中国这里赚足金钱,还对中国的工业技术大肆嘲讽。

 

 

德国工业家曾不屑地发表评论,表示中国人永远做不出质量优越的滚珠轴承,当个世界加工厂还差不多。

 

 

明明已经具备了足够的工业生产能力和最大的劳动力市场,却因缺乏尖端技术而在高端轴承领域被西方国家掐住咽喉甚至受尽嘲笑,中国不甘被肆意牟取暴利,决心奋力追赶。

 

 

为了让高端轴承技术比肩世界强国,中国出台了一系列激励性政策,支持并鼓励高端轴承产业的发展,从轴承钢本身到轴承的加工,都进行了极大程度的优化。

 

 

轴承钢的好坏很大一部分程度上取决于它的纯净度。只有纯净度高的轴承钢,才能拥有足够的韧性,从而让轴承承受较大的压力。

 

 

而为了提高轴承钢的纯净度,需要重点关注其含氧量。

 

 

炼钢时,含氧量的单位为ppm,而高端轴承钢中的含氧量需控制在5ppm以下。

 

 

在过去很长一段时间内,国内的轴承钢产量虽然保持在较高水平,但质量并不使人满意,钢中微量杂质偏高,含氧量也高出国际标准两到三倍。

 

 

经过多年努力,我国科研人员攻克了含氧量的难题,成功让轴承钢的钢中含氧量低于5ppm;

 

 

同时,科研人员还额外破解了西方国家轴承巨头视为核心机密的技术——在钢中加入“稀土”,就能使高端轴承钢的硬度更上一层楼。

 

 

通过此技术,科学家们让轴承钢中影响疲劳寿命的大尺寸杂物减少了50%。

 

 

在解决了材料问题之后,中国开始着手轴承的设计加工问题。

 

 

除去延长高端轴承钢寿命的技术以外,西方国家还掌握高超先进的润滑密封技术以及细质化热处理技术,并凭借这些尖端技术生产出了顶级的高端轴承。

 

 

我国潜心研究轴承的加工处理技术,在这几年取得了重大突破。

 

 

2020年10月14日,河南洛阳举行了自主化高速铁路轴承研究会。

 

 

在会上,官方宣布,中国洛阳LYC轴承公司已经研制出通过了时速250公里与350公里考验的高铁轴承。

 

 

还进行了120万公里耐久性台架试验,产品指标符合要求,更重要的是,这些高铁轴承已经符合了批量生产的条件。

 

 

此次研发出来的高端轴承具有复杂的结构,加工难度也十分之高,研发人员累积收集了数万种数据,经过了87道工序才完成了轴承外套圈的加工削磨。

 

 

最终将轴承内外套圈精度控制在了千分之一毫米内,比国外轴承精度提高整整一倍。

 

 

这个好消息意味着,将来在我国的高铁制造业上,极有可能用国产高端轴承取代国外进口轴承。

 

 

根据LYC的产业报告分析,一旦完成取代,每生产一节车厢,都将省下3.2万人民币。

 

 

高铁高端轴承的研发进展意义重大,为其他领域的研究提供了新思路,同时也表明,中国打破了西方国家长久的技术垄断。

 

 

目前,中国造出的高端轴承钢已反向出口到日本、瑞典等西方国家,国产高端轴承钢的疲劳寿命已超过了轴承钢强国的同期水平;同时,在轴承加工上,中国也进步颇多。

 

 

我国已能造出好钢,接下来要做的就是如何将其运用在轴承上,造出世界级的好轴承。

 

 

高端轴承涉及更多技术难题,还会牵扯到一些交叉学科,如疲劳与破坏、润滑学等,但从近代到现在,我国已奠定了良好的基础,在价值链处于底端的中国制造已站在了高处。

 

 

终有一日,我国定会从“师夷长技”转变为“夷师吾技”,制造出顶尖的高端轴承,全面突破西方国家的技术封锁。

 

 

参考资料

 

 

1、中国知网;打造高端轴承领域“洛阳标杆”;郭学锋;郭建立;洛阳日报;2021年07期;

 

 

2、中国知网;国内外轴承钢的现状与发展趋势;李昭昆;雷建中;王存宇;俞峰;钢铁研究学报;2016年03期;