轴承行业深度报告：从国产化到全球化，中国轴承产业有望崛起

（报告出品方/作者：国泰君安证券，徐乔威，曾大鹏）

1. 全球轴承市场规模超千亿美元，我国五大产业集群各具特色

1.1. 轴承历史悠久，是机械设备中的重要零部件

轴承是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转 体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。按运动元件的 摩擦性质不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类，其中滚动轴承最 为常见。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，内 圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合， 起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈 之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持 架能使滚动体均匀分布，引导滚动体旋转起润滑作用。

世界轴承的发展经历了三个阶段。 第一阶段：世界轴承工业的初创阶段，时间是十九世纪末期至二十世纪 初期。主要特点是生产规模极小、设备简陋、技术落后，属于手工作坊 式生产；材料以碳钢为主，精度不高，价格却昂贵；品种极少，用途十 分有限。当时轴承生产技术只掌握在英国、德国、瑞典、美国等少数企 业手中。

第二阶段：世界轴承工业的成长阶段，时间大约是在第一次世界大战结 束至第二次世界大战以后。两次世界大战刺激了军事工业的发展，轴承 在军事工业中的地位日益提高，加之科学技术飞速发展，一战后的短暂 稳定和二战中的军火急需，促使世界轴承工业迅速发展。主要特点是： 生产规模急剧扩大，产量迅速提高，主要轴承生产国家年产量超过 3500 万套；生产设备完善,技术手段先进，普遍采用了机群式批量生产；轴 承材料发展到以铬钢等合金钢为主，产品质量大为提高；轴承品种增加， 广泛用于汽车、飞机、坦克、装甲车、机床、仪器、仪表、缝纫机等众 多领域。

第三阶段：世界轴承工业的发展阶段，时间是二十世纪五十年代至今。 经过二次世界大战以后，人们迎来了和平时代，国际经济复苏繁荣，使 人类开创了和平发展的新纪元。伴随航空航天、核能工业、电子计算机、 光电磁仪器、精密机械等高新技术的飞速发展，体现当代科学技术水平 的世界轴承工业进入一个全面革新制造技术,迅速发展品种，轴承精度、 性能、寿命日益成熟完善的历史新时期。

这个时期的特点是：轴承企业 规模超级化、集团化，形成了大型企业集团和跨国公司，如日本的 NSK轴承、NTN 轴承，瑞典的 SKF 轴承，德国的 FAG 轴承、INA 轴承等；轴 承产量猛增。轴承品种繁多，用途日益广泛，既有传统的单列、双列、 多列球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承等，又有万向节 轴承、超薄壁轴承、空气轴承、各种在高速/高温/低温/防磁/耐腐蚀等 特殊工况下使用的专用轴承等等；设备先进，自动化程度高，测试手段 完善，工序间电脑管理，技术水平高，生产效率高。轴承材料高级化、 复合化、多样化，因而轴承质量有较大提高。轴承材料不仅包括高碳铬 钢、渗碳钢、不锈钢、耐热钢、工具钢等金属材料，而且还有陶瓷、塑 料、石墨和碳纤维等非金属材。轴承国际贸易空前发展。可以说世界轴 承工业促使所有使用轴承的工业、行业,领域发展繁荣起来,对于整个世 界经济和人类社会进步做出了巨大贡献。

1.2. 全球轴承市场规模超千亿美元，八大集团占据主要市场

1.2.1. 全球轴承市场规模超千亿美元，亚洲为主要消费市场

全球轴承行业规模超千亿美元。2019 年全球轴承市场规模为 1075 亿美 元，2020 年全球轴承市场规模达 1187 亿美元/+10.5%。预计未来轴承市 场规模将持续增长。

亚洲为主要消费市场。以中国、日本为代表的亚洲地区，占据了全球轴 承消费的半壁江山，成为了全球最大的轴承消费市场。欧洲和北美地区 紧跟随后，分别为 25%和 20%。

1.2.2. 八大集团占据主要市场，疫情下收入增速放缓

全球八大跨国轴承企业占据全球 70%的市场。世界八大轴承企业包括斯 凯孚（SKF）、舍弗勒（Schaeffler）、恩斯克（NSK）、 捷太格特（JTEKT）、 恩梯恩（NTN）、铁姆肯（TIMKEN）、日本美蓓亚（NMB）、 不二 越（NACHI）。其中斯凯孚轴承行业市场占有率为 7.6%，为第一大轴 承供应商。舍弗勒市场占有率为 4.4%。

全球八大跨国轴承企业体量大，近年来增速放缓。全球八大跨国轴承企 业体量巨大，多数企业营收在 300 亿以上，近年来合计营收增速放缓甚 至转负，源于疫情对于跨国公司生产、贸易造成的负面影响。

1.2.3. 轴承应用广泛，几乎涵盖所有工业板块

轴承应用领域几乎涵盖所有工业板块。轴承制造是我国体量较大的高端 装备零部件市场，从产业链环节来看，轴承制造产业的上游产业链包括 原材料、设备供应商等，上游原材料主要是轴承钢以及少部分的非金属 材料，轴承粗钢产量逐步上升。中游市场的大多数轴承厂商会选择采购 部分零部件以生产轴承，零部件主要包括内圈外圈、滚动体、保持器和 密封圈。全球轴承中游市场几乎被瑞典、德国、日本、美国四个国家的 八家大型轴承企业垄断，市场占有率合计达到 70%以上，而国内企业主 要占据中低端市场。下游应用与汽车行业、重型机械行业、家电和电机 行业、工程机械行业等相关联。汽车、电工、机床为轴承的前三大应用 领域。整体来看，轴承制造产业上下游所涉及的领域范围非常广泛。

1.3. 中国轴承市场突破 2000 亿，五大产业集群各具特色

1.3.1. 中国轴承市场突破 2000 亿，行业集中度偏低

2021 年中国轴承市场规模突破 2000 亿。自 2006 年以来我国轴承市场规 模逐步扩大，据中国轴承工业协会，2021 年中国轴承市场规模为 2278 亿元/+8%。无论是从市场规模还是销售收入来看，我国都已经是世界第 三大轴承生产大国。

中国轴承出口金额高于进口金额。自 2011 年以来中国轴承出口金额超 过轴承进口金额，出口金额稳步提升。2021 年进、出口滚动轴承金额为 43.9 亿美元/+21.1%、51.5 亿美元/+42.0%，均创历史新高。价格上看， 出口均价约为进口均价的一半，代表我国（出口）主要占据中低端市场， 整体看进口价格差距有缩小的趋势。

汽车是轴承最大的下游应用。2020 年占比 37.4%。2015 年新能源车产量 中国占比整体保持在 50%以上，全球汽车产业，尤其是新能源车产业重 心正在移向中国，利好中国轴承产业。

国内轴承头部企业体量偏小，但增速较高。轴承行业集中度低，CR10 仅为 28.0%。2021 年中国规模以上轴承企业营收合计 2278 亿元，行业 规模较大，但参与者众多、同质化现象严重，行业集中度低，CR6 仅为 24.1%。2021 年中国轴承企业仅有人本和万向产值超过 100 亿，产值分 别为 200 亿和 130 亿元左右，体量分别与铁姆肯和不二越相近，前十大 轴承企业平均产值约 60 亿，整体体量较小。2021 年前十大产值合计增 速在 17%，增长较快。

1.3.2. 中国已形成五大轴承产业集群，集中于东北和中、东部

从区域竞争来看，我国轴承行业已经形成了产业集群。包括辽宁瓦房地 区、河南洛阳地区、浙东地区、山东聊城地区和长三角地区，每个地区 产业集群都各有特色，如辽宁瓦房地区轴承产业基地是中国最大的轴承 产业基地，基地依托中国最大的轴承生产企业——瓦轴；河南洛阳轴承 产业聚集区是我国技术积淀最深厚的轴承产业集聚区，是中国轴承行业 规模最大的综合性轴承制造企业之一；长三角是我国轴承生产主要地 区，轴承生产主要分布于苏州、常州、无锡、上海等地；浙东轴承产业 基地以常山县、杭州、宁波、绍兴为核心，北部与江苏轴承产业基地相 邻。聊城轴承产业基地以山东聊城为中心，是我国最大的轴承保持架生 产基地和最大的轴承贸易基地。

2. 风电轴承：市场规模超 300 亿，大兆瓦机型逐步实现进口替代

2.1. 装机需求：风电装机量逐季提升，风机轴承市场广阔

2021 年全球风电装机新增 94GW，风电下游市场广阔。近年全球风电产 业进入快速发展阶段，拉动风电轴承市场规模提升。GWEC 调查显示， 2021 年全球新增风电装机量达 93.6GW/-1.8%，2018-2021 年 CAGR 为 22.2%，中国新增风电装机量 55.8GW/-3.46%，新冠疫情和海风退补压力 下，风电行业显现强大韧性和上升态势。2021 年风电招标旺盛，全球风 电招标量达 88GW/+153%，陆风和海风分别为 69GW 和 19GW，加快风 电配置仍然是众多国家的重要部署战略。

预计未来 5 年全球将新增 557GW 装机量，即每年新增超 110GW。据 GWEC 调查显示，虽然过去 2 年风电增量处于历史高位，但目前装机增 量远不足以实现本世纪末全球升温<1.5℃及 2050 年净零排放目标。为实 现上述目标，预计未来 5 年全球新增风电装机量年均超 110GW，2030 年风电装机量翻 4 倍。2022 年海风装机量将回归正常水平，全球新增海 风装机量 2022-2026 年 CAGR 为 37.8%，未来 5 年全球新增海风装机 90.6GW，整体装机量占比 16.3%。全球和国内风电新增装机容量的稳定 增长，将拉动风电轴承需求稳定增长。

中国是全球最大的风电市场，中国和北美风电增长放缓。2021 年中国是 全球最大的风电装机市场，整体风电新增装机量为 47.6GW/-13%，全球 占比 51%，补贴滑坡导致风电增长放缓；中国海上风电装机占全球 （21.1GW）的 80%，赶超英国成为全球海上风电累计装机最多的国家。 欧洲新增装机量 17.4GW/+18% ，全球占比 19% ，赶超 北美地区 （12.7GW/-21%）成为全球第二大风电市场。拉丁美洲、非洲和中东地 区的风电装机创下历史新高，分别为 6.5GW/+17%和 1.8GW/+120%，反 映全球市场的强劲增长。

全球多国积极推出陆风和海风建设规划，政策扶持利好风电增长。 2022-26 年风电装机热潮仍将延续，随着中国黑龙江、内蒙古各省陆续 出台“十四五”可再生能源发展规划，未来 5 年中国陆风和海风新增装 机将达 244GW 和 47.3GW，海风迈入平价改革时代。全球沿海国家和地 区海上资源丰富，发展潜力大，海上风电将是其能源产业的重点之一， 是建设海洋强国的重要举措。例如，德国大力发展海上风电，改革气候 变化法案，计划 2026 年起每年风电装机超 10GW；美国能源部出台《海 上风能战略》延长海风税收抵免，计划到 2030 年海风装机容量达 30GW。

中国风电装机需求旺盛，2025 年新增装机容量有望超过 80GW。受益于 各省十四五新能源规划，预计 2022-25 年风电装机继续升温，截至 2025 年累计风电装机容量达 629.7GW。抢装潮后海风进入平价改革时代，海 风装机短期滑坡、长期增长，预计 2022-2025 年新增海风装机量 CAGR 为 30%，截至 2025 年累计海风装机容量达 91.3GW，海风装机量占风电 整体装机量达 14.5%。

中国风电招标向好，2022-2025 年有望高增。招标一般领先装机约 1 年， 2022Q1 全国公开招标量 17.6GW/+24%，判断 2022、2023 年装机量有望 超过 60GW。

中国主要省份十四五规划海风装机量达 65GW。双碳目标指引下，福建、 山东、广东、浙江等沿海省份多省出台“十四五”海风发展规划，加强海 上风电政策补贴，着力建设海上风电新能源基地，广东省到 2025 年底 力争达到 18GW，在全国率先实现平价并网；江苏省到 2025 年新增海上 风电 8GW，新增投资 1000 亿元海风装机规划。十四五期间海风装机容 量合计有望达 65GW。

2.2. 价值量：大型化下轴承难度更高，单 GW 价值量有望提升

轴承在风电机组中价值量占比约 10-15%，属于毛利率较高的环节。综 合三一重能、运达股份、电气风电、明阳智能公告，我们判断轴承（含 主轴、偏航变桨、齿轮箱、发电机四类轴承）价值量占比约 10-15%，其 中，由于齿轮箱轴承国产化率较低，价值量占比仍较高，国产价格比进 口价格低 40%，随风电轴承国产化推进，轴承成本占比有望进一步下降。 叶片、齿轮箱、主轴、法兰毛利率 21%、15%、39%、37%，主轴轴承毛利率达 48%，属于毛利率较高的环节，偏航变桨轴承毛利率较低，约 22%。

风机平价加快风电机组大型化，提高整体技术要求。近年国内风电机组 招标价格快速下降，3MW 机组均价从 2021 年 1 月 3043 元/kW 到 2021 年 6 月 2616 元/kW，下降 17.3%，从 2021 年 10 月 2524 元/kW 到 2022 年 3 月 2241 元/kW，下降 11.2%。风机平价推动机组大型化，2020 年中 国起机组基本皆为 2MW 以上机型，3MW 以上机组装机量占比提高至 37.9%。全球新增陆风机组平均功率达到 2.9MW，新增海风机组突破 6MW。风电机组大型化不但要求风电轴承按比例扩大尺寸，对轴承径向 负载、稳定性提出更高的要求。海上风电规划快速增加，对风电轴承耐 腐蚀性、密封性带来更大考验。

预测 2026 年 8MW 以上机型占比达 45%。根据金风科技出货量变化趋 势，2020 年 3-5MW 机型占比 11%，2021 年占比 42%，风机大型化进展 十分迅速。假设 2021 年 3MW 以下机型占比 39%，2025 年 3MW 以下 机型停产，2022 年 8MW 以上机型占比 10%，2026 年 8MW 以上机型占 比达到 45%。

各类轴承单 MW 价值量随风机大型化增加。风电机内部使用的轴承包 括主轴轴承 1-2 个、偏航轴承 1 个、变桨轴承 3 个、发电机轴承 1 套和 齿轮箱轴承 1 套。据三一重能公告和新强联公告，主轴承、齿轮箱、偏 航变桨轴承等单 MW 价值量随风机功率增加而增加，主要由于大兆瓦风 机轴承技术壁垒高，轴承耐损耗性能要求更高。

海外风电轴承厂商加速并购扩产，研发大兆瓦风电轴承。为应对风机大 型化压力，海外轴承厂商正在加速并购和扩产能，研发适应大兆瓦风电 机组的轴承工艺。例如，2022 年 4 月 SKF 最新研发的高耐久性风电齿 轮箱轴承，采用量身定制的钢材和热处理工艺优化组合，将轴承寿命提 高到行业标准的 5 倍以上，这对新一代大兆瓦多级风电机组设计至关重 要。在 6MW 风电齿轮箱行星级中，SKF 高耐久性齿轮箱轴承尺寸缩小 多达 25%，可降低打滑擦伤风险，显著减少齿轮箱停机和维护时间，降 低风能的能源均等化成本（LCOE）。

2022 年中国风电轴承市场预计超 180 亿。主机厂商正在加快风机大型化 和海上风电规划，我们假设： 1）据三一重能招股书、新强联公告，2021 年主轴轴承、偏航变桨轴承、齿轮箱轴承、发电机轴承加权均价分别是 8.1 万元/MW、11.2 万元/MW、9.9 万元/MW、2.3 万元/MW；2）量产技 术成熟带来的规模优势下，单位容量风电轴承价格年降 5%。基于此， 我们预计 2022 年中国风电轴承市场规模超 180 亿，2021-25 年 CAGR 为 15.2%。

2.3. 竞争格局：大兆瓦轴承为海外厂商垄断，国产轴承正在崛起

风电整机厂商有直驱、半直驱和双馈 3 条技术路线。直驱风机不使用齿 轮箱，采用永磁发电机。直驱路线原是国际公认最可靠的路线，近年由 于永磁材料价格大幅上涨超 10 倍，直驱机型成本比双馈机型成本高 5%~10%。受制于双馈风机齿轮箱的国产化难度，国内部分风电厂商（如 金风科技）正在考虑采取降本增效措施，从直驱向半直驱风机转型，即 采用介于直驱和双馈之间、仅有低速齿轮的机型。

风电轴承是风机所有运动部位的枢纽结构件，技术壁垒高。苛刻的载荷和恶劣的运行条件下，风电轴承需要承受的温度、湿度和载荷变化范围 很大，是风电机组中的薄弱环节。风电轴承对于轴承的精度保持性、性 能稳定性、寿命和可靠性要求高。在风机大型化背景下，风机轴承是少 有的单位价值量提升的零部件。

风电轴承分为 4 类应用类型，大型化推动滚子轴承逐步取代球轴承。风 电机组涵盖 1 套主轴轴承、1 个偏航轴承和 3 个变桨轴承、1 套发电机 轴承、1 套齿轮箱轴承。双馈风机、半直驱风机有齿轮箱轴承，直驱电 机发动机有多级变速功能，无需齿轮箱。偏航变桨轴承在 4MW 以下小 型机组以球轴承为主，5MW 以上独立变桨轴承以三排圆柱轴承为主。 由于滚子轴承受力优越、体积小、重量轻，圆锥、圆柱滚子轴承未来会 占据主导，除偏航轴承外，其余部位将逐渐被滚子轴承取代。

全球风电轴承市场集中，为海外轴承厂垄断。风电轴承是我国风机完全 国产化的最后一环，我国高端市场被瑞典 SKF、德国舍弗勒、日本 NTN、 日本 KOYO、美国 Timken 等海外轴承厂上垄断，2019 年德国舍弗勒、 瑞典 SKF、日本 NTN 的全球市占率分别达 29%、24%、12%，市场竞争格局集中。国产轴承厂仅瓦轴、洛轴合计市占率 8%。

风电轴承国产化率低，国产厂商进口替代空间较大。由于我国轴承行业 与国际企业存在技术差距，我国需进口大量高端轴承，轴承零部件国产 化率低。据中轴协统计，2020 年全国风电机组装机 20401 台，共需配套 轴承 479424 套，天马、洛轴、新强联等国内轴承企业共产销风电轴承 77975 套，占比 16.3%，海外轴承供应商占比 83.7%。风电轴承国内供需 差距大，国产轴承多为变桨轴承，价值量较低，主轴轴承、齿轮箱、发 电机轴承几乎全部依赖进口，国内企业只有瓦轴批量供应少量齿轮箱轴 承，风机平价背景下风机厂商降本意愿强烈，国产替代需求旺盛。

海外厂商先发优势明显，轴承企业具备订单示范效应。海外厂商在轴承 零配件的加工与检测、高端冶金技术、热处理工艺等具备数十年技术积 累，如 SKF、舍弗勒等，供货经验较为丰富，目前大功率机型的主轴轴 承几乎被海外品牌垄断。我国轴承生产制造设备和产品质量相对落后， 未来主机厂的技术扶持对轴承厂商进口替代非常重要。一旦轴承厂商大 规模供前三家风电主机厂，则更容易拿到其他主机厂订单，发挥订单示 范效应。

2.4. 主轴轴承：轴承技术壁垒较高，大兆瓦进口替代进程加速

各类风电轴承有特殊技术要求。风力发电机在野外阵风环境下工作，工 况条件恶劣，风速低于切入风速（发电所需最低风速）时，主轴怠速低 负载运行，风速高于切入风速时，风速可达 23m/s，主轴在额定转速以 上运行。由于主轴轴承会不规则重复启动、加速、减速和停止操作，常 处于负载和转速波动环境，需针对最小载荷、平均载荷、最大载荷测试 出最佳规格。在小体积、大扭矩的偏航系统内，偏航变桨轴承需紧凑且 具有高负载能力，需具有对润滑油所含污染物的高耐受性和高抗剥离 性。发电机轴承应当有较强的绝缘性能，防止电化腐蚀。

单列圆锥轴承是大兆瓦主轴轴承的未来主流。承载性能上，滚子的线型 接触面优于钢球的点型接触面，可承受海啸震动时侧风 3~10°的摆动， 滚子优势明显。单列圆锥轴承有 3 点优势：1）比双列圆锥轴承体积更 小、成本更低、适用范围更广；2）比三排圆柱轴承游隙更小，径向承 载力（单向）更强；3）比调心滚子轴承的径向承载能力、刚性更强； CWEA 预计 3~5 年后圆锥滚子轴承占 80%，调心滚子轴承缩减至 10%~15%，调心滚子在大兆瓦风机上的使用将存在局限性。一旦单列圆 锥轴承安装困难的缺点被克服，未来单列圆锥轴承在 5MW 以上机型会 逐步占据主导。

单点式支承越来越多应用于大兆瓦风机主轴承。目前风机主轴承支撑方 式依据支承数量分为三种：三点式支承、两点式支承、单点式支承。其 中，三点式支承多用于小兆瓦风机；两点式支承选用单列圆锥、双列圆 锥为主，广泛用于中兆瓦机型；单点式支承选用双列圆锥滚子轴承，能 承受较大的径向和轴向载荷，越来越多应用于大兆瓦风机主轴承。未来 轴承支承方式的选择会向更低应力的支承轴承结构、更高自调控能力的 智能化轴承、更优载荷分布的柔性化系统发展。

2022 年国内主轴轴承市场规模约 50 亿元。根据新强联中标公告，并考虑到大功率 轴承存 在一定技 术溢价，2021 年<3MW、3-5MW、 5-8MW、>8MW 主轴轴承均价分别是 7.8 万元/MW、7.8 万元/MW、9 万元/MW、16.7 万元/MW，据此估算 2022 年国内主轴轴承市场规模约 50 亿元。

主轴轴承国产化率逐年提高。据 CWEA 数据，国产品牌市场份额（陆 上风电）逐步提高至 32%，洛轴等轴承厂商已批量供货 3~6.25MW 主流 机型主轴轴承，10MW 以下的海风主轴轴承进入研发、样机试用阶段。 国产调心轴承价格较进口产品低 40%~50%，三排滚子轴承价格低 20%~30%，故障率也更低。由于国产轴承具备价格优势、物流运输距离 更短、交付能力受保障，2022 年国产陆风主轴轴承国产化率有望突破 40%，3~5 年内与国外品牌并驾齐驱。

国内企业已经逐步掌握无软带淬火技术。主轴轴承的热处理方式主要有 两种：1）渗碳淬火，主要是国外厂商采用，将轴承在渗碳介质中加热 并保温，使工件获得一定深度的硬化层，增强韧性，可提高轴承的耐磨性和抗压强度，缺点是变形大、生产工期长、能耗高。2）无软带淬火， 国内轴承厂商以感应淬火为主，新强联等厂商采用无软带淬火技术，即 改良的感应淬火，配备预热感应器和加热感应器 2 个感应器，能耗更低、 生产工期更短。该技术有望克服传统感应淬火的回火软带缺陷，替代传 统渗碳工艺，提高国产设备和产品的渗透率。

国产轴承厂商推进大兆瓦主轴轴承进口替代进程，有望填补国产空白。 主轴轴承是风电机组中技术壁垒最高、最难突破国产化的轴承，5MW 以上的风电轴承尺寸放大带来技术难度几何级增加，对主轴轴承的热处 理变形、滚动体修形、滚道凸度等提出了全面升级的要求。目前新强联 5.5MW 主轴轴承处于样机交付；洛轴自 2005 年起完成 2.8 万套主轴配 套，7.0MW、8.0MW 配套风电主轴轴承研发成功，预计 2022 年供货数 量超过 6000 套，装机量全国第一；瓦轴、大冶轴陆续参与大兆瓦主轴 轴承的研发，国内主轴轴承与国外产品的差距正在缩小。

部分国内轴承厂商绑定头部风电主机厂，未来 2-3 年有望诞生国内龙头。 风电轴承测试严格，需在风机上长时间试装测试，打入供应链需十数年。 一旦公司获取头部整机厂认可，则会发挥先发优势，持续吸引新客户。国内新强联等头部厂商技术研发投入力度较大、产能扩张激进、产品进 入主机厂的验证环节。随着市场认可度提升，头部轴承厂商有望在未来 2-3 年内抢占可观的市场份额，加快国产市占率，开拓市场空间。

2.5. 齿轮箱轴承：所需轴承数量多，国产化进程开启

齿轮箱运行条件苛刻，内部结构复杂，所需轴承数量多。2020 年齿轮箱 轴承国产化率为 0.58%，亟需国产化。齿轮箱轴承载荷会突然变化、温 度变化范围大，运行条件比较苛刻。每个齿轮箱内部均需要齿轮箱轴承 支承，以 3-6MW 的风电齿轮箱精密零部件为例，一个齿轮箱中需要约 20 个齿轮箱轴承，9 个齿轮和 1 个输出轴。外径基本均在 0.5 米以内， 以 3-6MW 的风电齿轮箱精密零部件为例，20 个齿轮轴轴承中，10 个外 径为 0.31 米，7 个外径为 0.48 米，2 个外径为 0.95 米，1 个外径为 1.64 米。齿轮箱轴承外径小，转速快以及精度高，对轴承有更高的技术要求， 关键生产设备需要国外进口。

齿轮箱轴承增速快、外径小，技术壁垒较高。齿轮箱的主要作用是将低 速的叶轮增速，传递给发动机使之运转。由于齿轮箱轴承外径小、转速 快、精度高，齿轮箱轴承加工车床的规格尺寸和精度与其他风电轴承的 加工设备均不同，大部分关键设备需要国外进口。 2022 年中国齿轮箱轴承市场规模超 50 亿元。据新强联公告，齿轮箱零 部件在风电机组价值量中的占比为 18.87%，陆风、海风齿轮箱零部件均 价 60 万元/套、127 万元/套，而齿轮箱轴承在零部件中的占比为 71%， 据此测算，陆风、海风齿轮箱零部件单 MW 价值量为 9.5 万元/MW、11.3 万元/MW，2022 年全球齿轮箱轴承市场规模约 90 亿元，其中，中国齿 轮箱轴承市场超 50 亿。

齿轮箱市场集中度高，CR3 占比约 70%。风电齿轮箱行业集中度较高， 三大齿轮箱供应商南高齿、采埃孚和 Winergy 已占全球齿轮箱市场份额 的近 70%。轴承生产商不会直接供货给风电主机厂，而是供货给齿轮箱 厂商，风电机主机厂则会向齿轮箱厂商采购整个齿轮箱。伴随大兆瓦风 机和海上风电的发展，配套风电齿轮箱的研发和批量化生产难度进一步 提高，头部供应商抢先积极布局大兆瓦产品开发，目前中国高速传动能 够提供涵盖 1.5MW-11.XMW 的全系列风电齿轮箱产品。

齿轮箱轴承市场被国外厂商垄断，开启国产化进程。国内轴承厂商在高 端技术方面相较海外厂商仍有不小差距，国内齿轮箱轴承基本依赖进 口，齿轮箱轴承市场被舍弗勒、斯凯孚等国际轴承巨头企业占据。国内 厂商方面，瓦轴于 2015 年实现齿轮箱轴承的小规模销售，2021 年研发 并配套 5MW 海风齿轮箱轴承；新强联于 2022 年 4 月拟募集资金，将业 务横向扩展至齿轮箱轴承及精密零部件业务，轴承年产量 37500 个。

2.6. 偏航变桨轴承：国内技术成熟，独立变桨大势所趋

偏航、变桨轴承国内技术成熟，毛利率较低。偏航轴承：2020 年国产化 率为 63.3%，位于塔筒顶端，常使用双排球轴承，主要功用为将机舱与 塔筒连接在一起，并允许机舱相对于塔筒旋转。变桨轴承：2020 年国产 化率为 86.6%，有 3 个，位于轮毂和叶片根部的交接处，常使用三排圆 柱轴承，用于控制主轴的旋转速度。据新强联 2021 年募集说明书，偏 航与变桨轴承的毛利率约为主轴轴承的一半。偏航变桨轴承技术含量比 主轴轴承更低，国产化率较高，天马、瓦轴、洛轴、新强联等厂商已具 备相关技术经验。

独立变桨系统可平衡不均匀风场带来的不对称负载，大风机显著受益。 不同高度风速不同，贴近地表的风速低，远离地表的风速高，这就形成 了不均匀的风场。大型化下风电叶片更长，不均匀风场影响更大。为降 低不均匀风场的影响，独立变桨系统应运而生。普通变桨系统是集中控 制，所有叶片角度都是相同角度，从而不均匀风场会使风机上下部承受 不同的力，产生较大的倾覆力矩。独立变桨系统的特征是每个叶片均可 动态而独立地调节角度，使处于不同位置的叶片受力均衡，平衡由于不 均匀风场引起的不对称负载，进而降低叶片、轮毂、主体框架和塔架的 疲劳负载。

使用独立变桨系统有实现轻量化设计和延长风机使用寿命两点优势。风 机的重要部件一般根据疲劳负载来设计，独立变桨系统降低疲劳负载可 显著节省叶片和塔筒的成本和材料，而叶片和塔架是风机中成本最高的 部件。同时，不对称负载造成的载荷冲击减轻后，风机寿命得以延长。

独立变桨系统成本更高，但整个生命周期看经济性更好。独立变桨系统 投资成本更高，源于控制方案更复杂，变桨电机要求更高，同时为了对 抗高空区的高速风，独立变桨系统所使用的变桨轴承和齿轮疲劳负载要 提升。因而独立变桨轴承结构为三排滚子结构，同直径情况下承载能力 是钢球结构轴承的 1.5 倍，由此价格更贵，6MW 机型独立变桨轴承价格 约 50 万元/套，比集中变桨轴承更高，其批量供货时净利率有望接近 20%，高于普通变桨轴承的利润率（毛利率约 20%）。但考虑独立变桨 系统的使用可在风机的整个生命周期节省更多的成本，例如设计阶段借助独立变桨系统降低负载，主机厂其余部分可沿用以往设计，缩短产品 上市时间。同时使用独立变桨系统的风机由于负载更低，在运行维护成 本上也更具有优势。整体上，随着风机大型化加速，独立变桨系统优势 愈发突出，其渗透率有望快速提升。

2022 年国内偏航变桨轴承市场规模约 60 亿元。据三一重能公告，单 MW 偏航变桨轴承价值量平均 11.23 万元/MW，不同功率的偏航变桨轴承单 MW 价值量区别不大。据新强联公告，独立变桨轴承使用三排圆柱轴承， 比传统变桨轴承价值量高 15%-30%，21Q1-Q3 独立变桨轴承在 5MW 以 上机型的渗透率从 0%提升到 7%。假设同等功率轴承价格年降 5%，独 立变桨轴承渗透率每年提升 10%。据此估算 2022 年中国偏航变桨轴承 市场规模约 60 亿元。

可生产独立变桨轴承的国产厂商较少。目前独立变桨轴承渗透率较低， 只有新强联、成都天马少部分厂商将三排圆柱轴承应用在变桨轴承上。 随着远景、金风、新强联等主机厂成功研制、量产独立变桨轴承，2022 年独立变桨轴承渗透率预计上升10%，国产厂商竞争力有望进一步提升。

2.7. 发电机轴承：海外企业垄断，市场规模较小

主机厂多完整采购发电机，发电机轴承由海外企业垄断。主机厂倾向完 整采购发电机，主要发电机供应商有南汽轮、湘电股份、江苏中车电机 等，部分风电主机厂采购西门子等进口品牌发电机。三一重能等部分厂 商选择自产发电机。国内发电机轴承基本被舍弗勒、SKF 垄断，两家合 计市占率 90%以上。

发电机轴承价值量较小，市场规模约 10 亿元。发电机是将机械能转换 为电能的部件，有鼠笼异步电机、双馈异步电机、直驱永磁同步电机、 半直驱永磁同步电机四类。据三一重能招股书，风电机组中发电机轴承 用量较小，价值量偏低，判断国内发电机轴承市场规模约 10 亿元。

2.8. 轴承滚子：属于轴承核心部件，高端滚子市场超 30 亿

滚子是轴承的核心部件，影响轴承性能。轴承滚动体是轴承的核心零件， 其产品性能指标影响轴承转速、负载、稳定性、摩擦损耗等重要性能。

国内风电滚子市场空间随装机量增长。据中轴协，2022 年国内风电轴承 销售额有望达 200 亿元，轴承滚动体约占轴承成本 10%-15%，其中约 80%使用风电滚子，预计 2022 年风电滚子国内市场空间约为 20 亿元。

海风和大型化趋势推动滚子单 MW 价值量提升。风电机组大型化推动 大尺寸轴承需求增加，大功率风机和海风机组对轴承有更高的负载要 求，轴承材料、机械加工工艺和密封、防腐、润滑方案进一步提升，据 此判断海风、大型化将使滚子生产更加复杂，单 MW 价值量提升。

风电滚子的技术优化主要依赖第三梯队。滚子市场竞争格局分四大梯 队，第一梯度为外资品牌，技术力强，可以自制但成本较高，部分企业 开始国内采购；第二梯度为国内头部轴承企业，可以生产滚子匹配公司 主轴、齿轮箱等产品，但是滚子成本占轴承总成本的 10-15%，而滚子研 发投入大，设备与轴承套圈等设备不匹配，因此国内头部轴承厂商投资 效率不高，投资积极性低；第三梯队为专业滚子生产厂，滚子研发投入最有效率。第四梯队为普通工业轴承滚子厂，规模小，数量多，国内超 1050 家，工艺技术无法达到一、二级滚子的技术要求。

国产滚子部分技术达国际领先水平，加速滚子大兆瓦进口替代进程。五 洲新春优化表面轮廓、热处理工艺，滚子产品达到 1 级精度，达到国际 领先水平；五洲新春、力星可供货 4MW 以上风电滚子，加速推动大兆 瓦国产化进程。

滚子与套圈尺寸相差较大，国内轴承厂商改进滚子工艺的积极性不高。 风电轴承滚子尺寸在 15-30cm，风电轴承套圈直径超 1m，而这尺寸差距 显著，在热处理、磨加工环节上设备不可共用，且风电滚子轮廓线加工、 磨加工工艺要求 高，需要企业投入大量研发精力，国内轴承厂商进入 积极性不高，未来国内风电滚子市场预计主要被专业滚子厂垄断。

高铁动车组轴承性能要求高。目前国内高铁轴承多为国外进口。高铁 CRH1 和高铁 CRH5 使用 SKF 轴承，高铁 CRH2 使用 NTN 和 NSK轴承， 高铁 CRH3 使用 FAG 轴承。高铁轴承主要是在高速重载运动状态下工 作，服役条件极为恶劣，对轴承要求高。以 CRH5 为例，平均值估算每 套轴承载荷约为 68.7kN，最大滚动体载荷约为 7.6kN，内圈滚道与滚子 的接触应力约为 810MPa，轴承转速约为 1730r/min。

高铁轴承为存量替换市场。对于最高运营速度不大于 200km/h 的轴承， 质保期为 90 万公里（或 4 年），最高运营速度大于 200km/h 的轴承， 有定期检修，240 万公里后必须报废。 高铁轴承滚子有近 7 亿市场空间。

盾构机轴承要求较高。刀盘是盾构机的关键部件，在隧道掘进过程中发 挥着重要作用。刀盘系统中的主轴承是传递掘进动力和运动的核心零 件，在工作中承受着巨大的轴向力、倾覆力矩和一定的径向力，其性能、 寿命和可靠性直接影响盾构机的施工进度、安全和掘进里程。盾构机主 轴承最主要技术指标为：10000h（或累计掘进 10 km 以上），轴向跳动 不大于 0.1 mm，使用转速 1～3 r/min。

盾构机主轴滚子年需求量约 1.4 亿元。国内地铁用盾构机需求量约 2000 台，年需求量约 400 台(其中国产约 300 台)。另有国内在役的盾构机约 1800 余台，在役盾构机主轴承超过设计寿命后均需要维修和更换。盾构 机主轴价值两大，一套价格约 300 万元。预计盾构机主轴承年需求量达 400 套、约 12 亿元，滚子占比 10-15%，以 12%计，盾构机主轴滚子年 市场需求量约 1.4 亿元。

3. 汽车轴承：全球产销重心移向中国，利好国内轴承产业链

汽车轴承的类型因其安装部位、车辆类型及生产厂家的不同而不同。同 一生产厂家、同一类型的车辆也会因车型的变化在同一部位使用的轴承 型号也会有所差异。其类型与型号的选择主要是依据轴承承受的负荷性 质、方向、大小，轴承安装部位的工作环境，以及对轴承的刚性、极限 转速、寿命、精度等方面的要求。

中国是汽车轴承收入第二大市场。欧洲目前是全球领先者，其次是中国。 欧洲是最大的区域市场，按价值计算的份额接近 24%，未来中国将成为 最大的汽车轴承区域市场。

汽车发动机轴承市场占比最大。2020 年中国轴承市场约为 2000 亿元， 其中下游汽车行业占据 37.4%，约为 748 亿元。汽车轴承主要分为发动 机、传动部分以及行使系轴承。根据汽车发动机、传动部分以及行使系 的成本可以估算其轴承成本比例为 16：10：3。由此可得汽车发动机、传动部分、行使系轴承市场分别为 413 亿元、257 亿元、78 亿元。

3.1. 全球汽车产销重心移向中国，车型数量快速增长

中国汽车产量在全球占比整体提升。中国汽车产量居世界连续 13 年具 世界首位，且自 2014 年起，占比呈上升趋势，特别是在 2020 年新冠疫 情对制造业企业影响最大的一年，该占比提高到 32.50%，由此可见，世 界汽车行业产业链逐步向中国迁移。 中国新能源汽车销量整体在全球销量中占比超 50%。自 2014 年，中国 市场新能源汽车销量激增，此后，除 2020 年受疫情影响而导致中国厂 商的停工停产外，其余年份中国市场新能源汽车销量占全球销量的半数 以上，2021 年其占比再度恢复至 50%以上，由此可见，无论是传统汽车 还是新能源汽车，其产业链及市场都在一步步向中国迁移，未来世界汽 车产销活动都将以中国为主要基地，利好中国汽车轴承及零配件厂商。

中国每月申报新能源车生产型号数量平均超 250 种，利好国内汽车零部 件厂商。轴承供应商送样、配套的最佳时期是主机厂研发、生产新车型 期间，这期间轴承厂可以（通过一级供应商）和主机厂共同研发，在主 机厂的台架试验和路试中测试产品性能。一旦通过测试，其产品就可绑 定某款车型并具有较高的客户黏性。新能源汽车时代车型井喷式增长， 据工信部，每月新增申报新能源车生产型号的数量平均在 250 种以上， 给了国产汽车零部件更多的配套机会。

中国汽车轴承销量逐年上升。2016-2020 年中国汽车轴承销量逐年增加， 2019 年中国汽车轴承销量为 23.2 亿套，2020 年中国汽车轴承销量约为 25 亿套，同比增长率 7.8%。未来中国汽车轴承销量将持续增长。

3.2. 电动化显著改变零部件需求，而驱动模块轴承价值量变化较小

电动化使得汽车核心零部件明显改变。汽车的电动化导致发动机需求减 少，用于发动机的轴承市场也将萎缩。但汽车所需要的轴承数量总体不 会有太多变化，大部分变化基于轴承类型的改变——由于多数纯电动车 省去了变速箱配置，且增加了电机，故原有用于变速箱的轴承将会被替 换为满足电机需要的产品。对于电动汽车上增加的新的轴承产品需求， 汽车轴承供应商必须进行有针对性的创新研发。

电动化对轴承提出新的挑战。与传统汽车相比，新能源汽车要求电机具 有很高的极限转速，同时适应-40℃低温要求和 150℃以上高温要求，并 且要求轴承具有维护功能，适应频繁启停造成的轴向冲击。总体上，汽 车驱动电机的调速范围宽、启动转矩大、功率密度高、效率高的特性， 使其对轴承的高转速、高低温、耐久性、稳定性、低摩擦、低振动、可 靠性提出了更高的要求。

新能源汽车轴承配置数量减少，但价值量几乎不变。传统燃油车发动机 到轮胎这一条驱动链上的轴承主要包括变速箱、轮毂轴承等，轴承数量 在 20-30 个，整体价值量在 500-600 元，据光洋股份，新能源汽车这一 驱动链被大大简化，轴承数量变为 10-20 个，但单车价值量依然在 600 元左右，轴承价值量几乎不变。传统汽车上老牌轴承厂商的地位难以被撼动。相比于世界八大轴承企业 （全球汽车轴承市占率超 70%），中国企业在技术、市占以及成本方面 都具有不小的劣势。

具体地，1）资金及生产规模壁垒，汽车轴承行业 拥有较高的资金进入门槛，企业规模成为其发展成败的关键因素，只有 具有较强的资金实力才有可能进一步提升生产销售规模、生产效率并降 低生产成本。2）客户资源以及营销渠道，轴承作为与汽车安全性能相 关的部件，传统汽车轴承生产企业获得经销商的认可需要很长的一段时 间，对于新进入者十分不友好，其难以在短期内形成大量下游客户群。 此外，虽然销售渠道的建立成本高，但是维护成本极低，这就造成后进 企业难以与先入企业竞争市场份额。3）技术壁垒，随着客户对汽车轴 承的性能、精度、外观的要求越来越高，没有深厚的技术研发水平的积 累，就无法拓展新的业务。对于整车制造商而言，其对供应商往往会提 出很高的新技术和新产品研发能力，从而能够参与到整车产品的同步开 发或超前研发中去，以保证汽车轴承等零部件能与整车产品同步推出和 升级。

3.3. 人工成本及产业集群驱动，汽车轴承产业链转向中国是大势所趋

全球经济一体化下，汽车轴承产业链向中国转移是大势所趋。一个典型 的案例就是八大轴承厂商正将轴承的生产制造环节逐步向中国转移，驱 动力包括： 1）中国人工成本优势显著。中国轴承制造业人均月工资在 7600 人民币 左右，约为欧美的 1/4-1/6，而相比墨西哥、越南等发展中国家约为其 2-4 倍，但考虑到工人受教育程度和工作效率，同时考虑轴承制造业配套及 物流成本因素，中国在全球范围内有望凸显出轴承制造业成本优势。

2）中国轴承产业集群靠近汽车产销中心。经过多年发展，中国形成长 三角、珠三角、中部、东三省、京津冀、川渝等汽车产业集群地区。同 时，中国也形成了瓦房店（东北）、洛阳（中部）、苏锡常（华东）、 浙东（华东）、柳城等轴承产业集聚区，珠三角虽未形成规模较大的集 聚区，但附近仍有相关的轴承企业。整体上，中国轴承产业集群和汽车 产业集群重合较大，特别是长三角地区贡献了约 1/5 的汽车产量，而两 大轴承产业集聚区也坐落于此，有利于相关轴承供应商就近配套。

4. 投资分析

4.1. 风电轴承

风电装机高增下，轴承是综合国产化率最低的关键零部件，国产化对降 本的效果显著，内资风电轴承及配件份额有望快速提升。我们测算出 2022 年主轴轴承、偏航变桨轴承、齿轮箱轴承、发电机轴承加权均价分 别是 8.5 万元/MW、11.1 万元/MW、9.1 万元/MW、2.2 万元/MW。考虑 到同等功率轴承价格逐年降低，大功率趋势下各类轴承单 MW 价值量上 升，结合风电装机量预测，测算出 2022 年全球和国内风电轴承市场约 310 亿元、180 亿元，到 2025 年预计将达到约 350 亿元/22-25 年 CAGR 为 4.5%、270 亿元//22-25 年 CAGR 为 15.2%。

（1）风电轴承是克服“通缩”的环节，大型化驱动风电轴承单 MW 价 值量提升。大型化趋势下各类风电轴承单 MW 价值量呈几何量级提升， 据三一重能数据，3-6MW 和 6-10MW 风机齿轮箱国产化零部件价格分 别在 60 万和 128 万，单 MW 价格呈上升趋势。随高毛利率的独立变桨 轴承、主轴轴承产品放量，产品结构持续改善。风电轴承公司拓展风电 设备产业链，如新强联上游子公司圣久锻件投产，公司掌握锻件自制技 术，有望持续降本、提高盈利能力。

（2）部分厂商掌握无软带淬火工艺，产品已获大型主机厂认可。技术 上，新强联是国内唯一一家掌握无软带淬火技术的厂家，感应淬火工艺 国内领先。客户方面，新强联、五洲新春等轴承厂商已进入东方电气、 远景能源和哈电风能等客户，新强联研制成功 5.5MW 和 6.25MW 等大 兆瓦主轴轴承产品，并开始为明阳智能批量供货。风电轴承测试严格， 打入供应链需十数年，且国产轴承可降本 30%-40%，一旦公司获取头部 整机厂认可，则会发挥先发优势，持续吸引新客户。

（3）持续补全风电轴承产品，轴承募投项目助力打开新增长极。新强 联拟募资 15 亿元，募投项目包括齿轮箱轴承及精密件业务，技术壁垒 较高，为国产化率 1%的部件，整体齿轮箱零部件市场规模约 100 亿， 国产替代空间巨大。3MW 以上大功率主轴轴承、偏航变桨轴承募投项 目已落地，预计 2023 年 100%达产后，公司将有 1500 个 3MW 以上主轴 轴承产能。未来伴随公司 3MW 以上大功率各类风电轴承产品放量，公 司业绩有望踏上新台阶。

（4）国产化下滚子性价比优势突显，利好国内专业滚子厂商。风电轴 承滚子技术难度不亚于轴承整体，国产风电滚子价格较外国品牌便宜 30%以上，在风机降本压力下，国外风电轴承厂商计划将滚子产能转移 到国内，五洲新春、力星股份等专业滚子厂有望深度受益。2021 年五洲 新春、力星股份滚子收入分别在 6000 万和 5000 万，相较于高端滚子超 过 30 亿的市占率仍小，份额提升空间巨大。

以上可比公司仅从风电零部件产业链中选取，并未充分反映风电轴承企 业当前及未来 2-3 年的行业地位以及风电轴承标的的稀缺性。我们认为 在考虑风电轴承企业估值时选取的可比公司应具备以下特征：1）公司 实现了某一特定环节的国产化，且行业规模在百亿级别；2）行业景气 度预计向上，公司市占率快速提升，且在未来 2-3 年都将有望保持较高 的市占率。基于此，我们选取 HJT 设备整线设备国产化龙头迈为股份、 工业机器人国产化领先企业埃斯顿、谐波减速器国产化龙头绿的谐波及 工程机械油缸和泵阀国产化龙头恒立液压。2022 年机械设备/零部件国 产化领域的头部可比公司的平均市盈率是 48.8 倍，考虑到工程机械目前 暂时处于行业低谷，拉低了整体均值，若剔除则 2022 年可比公司平均 市盈率为 56.8 倍。

4.2. 汽车轴承

传统燃油车轴承市场约千亿，但因具有较高的认证壁垒，中国轴承企业 鲜有配套且难以切入。随着新能源车普及，全球汽车产销重心向中国转 移，尤其是特斯拉上海工厂有望扩产一倍，带来较大的示范效应，降本 压力下，零部件本地化及劳动力密集环节的外包趋势让中国轴承企业拥 有了切入全球汽车产业链的机会。考虑到中国人工的性价比及靠近产中 心，我们判断这种转移趋势具有可持续性，国内汽车轴承供应商有望长 期、充分受益。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】未来智库 - 官方网站

分享：轴承套圈坯用热锻模顶柱失效形式及产生原因

摘 要: 顶柱(KO)是在高温、高频热锻工况下热锻组合模的关键易损件,其直接承受锻锤的冲 击载荷,约束高温坯料在型腔中的塑性流动,最后顶出套圈成形锻坯。在成形过程中,顶柱表层材 料发生的大压缩应变-恢复、高温加热-水冷却的循环热疲劳、高温加热的回火软化、表面高温氧化 起皮、表面上坯料塑性流动作用,会使顶柱发生早期失效。对顶柱的失效行为和形成机制进行分 析,可为延长热锻模的使用寿命提供理论支持。

关键词: 热锻组合模;顶柱;热疲劳;开裂;塌陷;氧化皮

中图分类号:TG115.2 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)09-0075-04

生产汽车零配件及重要主机配套用精密轴承套 圈锻坯的主要技术路线为:高速锻造→无氧球化退 火→冷辗扩工艺。采用高速锻制造套圈毛坯具有高 效、优质、环保、节能等优点。在高速锻制造套圈毛 坯时,热锻模在高温下持续承受高频率的镦压载荷、 挤压摩擦载荷和热循环冲击载荷,服役条件十分苛 刻,因此,热锻模的质量水平、服役寿命对整个生产 线效率有重要的影响。优质、高效的热锻模可直接 降低锻件的生产成本并增加企业的效益。因此,延 长热锻模寿命始终是热成形技术的研发热点[1-3]。

热锻模采用优质热锻模具钢制作,将热锻模具钢切 削成形后,经真空淬火+回火处理,得到热锻模。热锻模 是由前胎,后胎及顶柱(KO)构成的组合模,其中 KO的 服役工况最为严酷,因此笔者对热锻模 KO的失效形式 和失效机制进行分析,以提高热锻模的使用寿命。

1 KO概况

图1是热锻模的结构及其工作步骤。由图1可 知:KO 结构为一头封闭的带台阶中空圆柱体,在一 定高度上均匀分布着喷水孔,中间为冷却水孔;KO 顶面为下砧面,间接承受着锻锤的冲击载荷,圆柱面 承受着导向孔的滑动摩擦力。

一个完整的热锻成形工艺节拍为:棒料感应加热 到锻造温度→切成适当长度→送料机构输入锻模腔→ 冲头冲锻成套圈毛坯→KO顶出。KO的作用为,在成 形时作为下砧面和后胎、前胎及冲头构成型腔,成形后 KO上升顶出毛坯。工作时,KO 内部始终通有冷却 水,其顶面与坯料接触时,受高温坯料传导加热,脱离 接触时加热中断,导致 KO 顶面材料内层存在变动的 热梯度状态。工艺节拍过快(120件/min),使 KO顶面 与坯料接触时间长,冷却效果受限,因此,KO受到高节 拍、大载荷冲击时,会发生高温回火软化、坯料在顶面 上受迫流动摩擦、大气氧化等损伤作用。

为了适应上述工况,KO 采用进口 Duro-FZ钢 制作,该钢种生产工艺为:真空感应熔炼+电渣重熔 生产,其适用于以高韧性为特点的精密成形热锻模 具,该钢种具有杂质元素含量低、夹杂物和碳化物细 小均匀分布、组织致密、高韧性、高耐磨性等优点。 采用直读光谱仪对 Duro-FZ钢进行化学成分分析, 结果如表1所示。

Duro-FZ钢的热处理工艺为1150 ℃真空淬火 580 ℃高温回火3次,其硬度为55~57HRC,冲击 吸收能量为190J/cm 2。Duro-Fz的淬火+回火显 微组织为细晶粒回火马氏体基体+均匀分布的少量 粒状及短杆状的碳化物+少量残余奥氏体。

2 KO的失效形式

2.1 正常失效

热锻模失效形式包括磨损、开裂、塑性变形和热 龟裂等[4],其中断裂失效约占热锻模失效事故中的 75%,因此热锻模的高温抗压强度是影响其服役寿 命的重要指标。正常失效的 KO 顶面宏观及微观形 貌如图2所示。由图2可知:KO表面外周侵蚀稍浅, 堆叠有薄层氧化皮;最外环表面平整,无氧化皮;整个 侵蚀表面形貌呈中心对称,无宏观滑动磨损迹象;KO 顶面中心部位发生薄层塑性变形、剥脱,存在显微裂纹;KO 顶面边缘部位因与后胎模壁存在摩擦阻力, 受力相对较小,材料损伤较少;中心与边缘过渡区表 面有显微塑性变形和磨损,呈下凹圆环槽。

KO 正常失效形式对应其最理想的正常服役寿 命,KO 正常失效的特点是材料表面热蚀,中心部位 在高温下受力最大、受力时间最长,材料受不均匀侵 蚀最严重,侵蚀深度约为0.4mm,并且伴随有局部塑性变形。

2.2 KO顶面的早期失效

2.2.1 热疲劳龟裂

热锻模表面受高节拍的锻打载荷,坯料受到反 复加热-冷却,其表层承受循环拉伸-压缩应力,晶粒 边界和显微缺陷部位会产生孔洞及微小裂纹,导致 KO 顶面产生热疲劳龟裂现象,其特征形貌如图3 所示。由图3可见:热龟裂发生部位与 KO 冷却水 内腔横截面尺寸相当,裂纹在扩展中呈网状,组织中 存在夹杂物、疏松,并且存在裂纹。

操作时因冷却水压力和流量不足,不能有效地 散发顶面吸收的热量,导致 KO 顶面发生回火软化。 因此,KO 顶面的抗压强度降低、塑性增加,KO 顶 面表层中位错和晶界到晶粒交汇处的滑动受阻,造 成了应力集中并产生裂纹,裂纹相互连接、扩展形成 了龟裂花纹,同时伴有明显的顶面塑性变形塌陷,顶 面发生接触疲劳,形成了热龟裂特征形貌。

2.2.2 顶面塌陷

KO 顶面塌陷 早 期 失 效 具 有 顶 面 塑 性 变 形 范 围更大、更 深、更 明 显,热 疲 劳 点 蚀 剥 脱 特 征 不 明 显,KO 服役寿命更短的特点。KO 顶面塌陷特征 宏观形貌如图4所示,可见除 KO 顶面中心部位有 大范围塑性变形外,其余部位表面光滑,无黏着或 剥脱现象,整个顶面无明显氧化迹象,外环面基本 保持着加 工 表 面 形 貌。发 生 顶 面 塌 陷 的 原 因 为: KO 冷却水内腔的水压、水量不足,导致冷却强度 降低,顶面 发 生 回 火 软 化,使 其 抗 压 强 度、硬 度 迅 速下降;淬火后回火操作不当,使 KO 顶面二次硬 化析出不充分,残余奥氏体转变不完全,显微组织 中残余奥 氏 体 含 量 过 多,导 致 KO 因 高 温 强 度 不 足而发生顶面塌陷。

2.2.3 脆性开裂

KO 顶面脆性开裂特征宏观及微观形貌如图5 所示,可见掉块留下的孔洞边缘呈曲折多边形,边缘 和孔洞底部无塑性变形,孔洞旁的裂纹与轧制方向 垂直。KO 顶面脆性开裂的原因为:钢水在凝固过 程中,冷却速率较慢,KO 顶面中心部位的合金元素 和杂质元素不均匀程度过大,且后续没有进行均匀 化退火或退火扩散时间不足,导致促进晶粒长大的 元素富集在中心部位;终轧温度高于钢材的动态再 结晶温度,变形破碎的细晶粒迅速再结晶长大,其中 富集促进晶粒长大元素部位的晶粒会异常长大,形 成混晶形貌;后期热处理温度一般低于轧制温度,这种混晶组织就无法通过热处理而被矫正,混晶组织 和粗晶粒组织的存在使材料产生应力集中,最终超 过材料的断裂强度而导致其发生穿晶断裂。

2.3 KO柱体塑性变形

KO 柱体塑性变形的原因是:在外力作用下,模 具内部产生的压应力大于其抗压强度,且模具因热 处理不当造成其硬度偏低,导致材料产生塑性变形 并失效。热处理操作不当使材料的回火抗力降低, 进而降低了热锻模的屈服强度,因此,在外载荷和后 胎孔壁表面摩擦力的反复作用下,KO 表面会产生 塑性流变,导致其柱体发生局部塑性变形,直径增 大,并与柱面摩擦而生成菱形花纹(见图6)。

菱形花纹反映了 KO 顶面在吸收坯料的热量 后,热量沿 KO 轴向传递时受喷水冷却干扰而产生 温度场。KO 顶面温度高,下端温度低,在喷水孔几 何位置的影响下,KO 轴向受冷却水影响大,周向受 影响小。KO 轴向冷 却 快、硬 度 损 失 少,周 向 冷 却 慢、硬度损失大,因此形成的塑性变形区具有独特的 菱形花纹。

2.4 KO根部断裂和底面断裂

图7为 KO 根部及底面断裂的宏观形貌。当 KO 根部过渡圆角和退刀槽半径过小时,在受大载 荷冲击下,KO 因应力集中而开裂。KO 图纸的要 求为:倒角半径不小于0.5mm,底面圆平面半径与 中心轴线成5°斜角。图7显示 KO 底面圆平面半径 与中心轴线的斜角小于 5°,不符合 KO 图 纸 的 要 求。在锻造过程中,当冲击应力与 KO 中心轴线发 生偏差时,KO 轴线在径向的调节空间不足,传递到 底面的负荷不均匀,从而降低了KO的抗弯曲及抗偏载能力,导致在使用过程中 KO 发生底面及根部断 裂或弯折断裂。

3 结论

(1)热锻模 KO 的工作载荷大、温度高、节拍 快,服役环境恶劣,其正常失效形式是顶面点状热蚀 剥脱。

(2)KO 的顶面早期失效形式有顶面热疲劳龟 裂、顶面塌陷、顶面脆性断裂,影响因素是材料冶金 质量(如结晶时的成分偏析)、热处理工艺(如淬火温 度偏高、回火不足)和操作规范(如冷却强度不足) 等。

(3)KO 的柱体早期失效形式是磨损,其产生 的原因是热处理后 KO 硬度偏低、冷却强度不足,导 致 KO 回火软化且发生塑性变形,并与后胎孔壁发 生摩擦磨损。

(4)KO 的底面失效形式是断裂,当 KO 底面 斜角过小,锻打载荷发生偏心时,KO 因失去调节空 间而使其底面发生过大弯曲,此时若过渡圆角过小 则在过渡圆角处形成应力集中,导致 KO 底面断裂。

参考文献:

[1] 吴晓春,施渊吉.热锻模材料的发展现状与趋势[J]. 模具工业,2015,41(8):1-10.

[2] 吴延昭,王华君,王华昌,等.长寿命热锻模的磨损分 析与寿命预测[J].锻压技术,2011,36(2):90-94.

[3] 陈建礼,张晓 琨.H13 钢 热 锻 模 开 裂 失 效 原 因 分 析 [J].锻压技术,2019,44(12):109-113.

[4] 包卫平.热锻模的典型失效形式及其原因分析[J].锻 造与冲压,2020(5):28,30-32.

<文章来源 >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 9期 (pp:75-78)>

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