科技新进展：工业机器人精密减速机用关键材料的研发和应用

一、研究的背景与问题

近年来劳动力成本的上涨和人口老龄化的加速给传统制造业带来了巨大压力，国内领先的制造型企业已经开始逐步升级智能化来取代传统制造方式，以此来提高生产效率和降低成本，工业机器人产业已经成为全球制造业的发展方向，得到了蓬勃的发展。

工业机器人被誉为“制造业皇冠上的明珠”，作为现代工业发展的重要基础，已成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志，广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗器械、精密机床、半导体制造等行业。工业机器人是典型的机电一体化系统，与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。工业机器人中有三大核心部件：运动控制器、伺服驱动电机和精密减速机，机器人的驱动源通过传动部件来驱动关节的移动或转动，从而实现机身、手臂和手腕的运动，因此，精密减速机作为传动部件是构成工业机器人的核心零部件，其制造成本占比在35%以上。

我国制造业规模连续五年居世界第一，但我国工业机器人智能制造的核心竞争力仍然与美、德等发达国家存在较大差距。目前，我国的工业机器人制造产业尚处于初级发展期，虽然国内对机器人减速机的设计和制造已有一定发展，但是高端精密减速机依然采用进口产品，这极大提高了国内智能工业机器人的生产成本，严重制约我国智能化制造的发展。

二、解决问题的思路与技术方案

机器人精密减速机的质量除了受结构设计、制造精度的影响外，核心材料的冶金质量对机器人精密减速机的质量、使用寿命和可靠性能具有至关重要的作用。国外进口材料主要采用电渣重熔、模铸工艺生产的钢材，由于电渣重熔、模铸工艺生产的钢材在纯净度和组织均匀性方面分别具有一定优势，能生产出高稳定性的机器人精密减速机核心材料，但这两种工艺存在生产效率、成材率、产能非常低，能耗和生产成本高等明显的劣势，

在全球双碳战略目标的驱动下，以绿色高效连铸技术代替模铸或电渣重熔是钢铁产业低碳化发展的必经之路。工业机器人精密减速机用关键材料的质量控制水平对精密减速机产品的加工质量、使用寿命和可靠性起着至关重要的作用。为了满足工业机器人在苛刻环境下的长期可靠服役要求，精密减速机用关键材料应具备高超高疲劳寿命、高硬度、高强韧性和一定的淬透性等优良的综合性能。

为了达到上述性能要求，本项目从以下三方面对材料的质量进行严格控制，主要包括：

① 通过对特殊轧制工艺的研究，超细化控制渗碳钢的高温晶粒度；

② 在高纯净度冶炼的基础上严格控制材料中夹杂物尺寸和分布，提高材料的纯净度；

③ 通过对连铸工艺的改善，控制高合金钢的带状组织带宽，从而满足了零件精密加工和性能可靠性的要求。

结合国家“双碳”战略背景，本项目以工业机器人精密减速机为焦点，利用绿色低碳、经济高效的连铸连轧工艺，通过提高材料的晶粒度和纯净度、降低氧含量和残余有害元素的含量，改善钢材组织均匀性，提高产品尺寸精度，研制和生产一系列成套的RV减速机和谐波减速机用关键材料，提高国产工业机器人的核心竞争力，与国外进口材料相比，我司提供的钢材综合质量更优，制造的产品疲劳寿命更可靠，产品质量达国际先进、国内领先的水平，实现了替代进口的目的，促进国产化工业机器人体制造水平的快速提升，具有重要的社会效益和经济效益。

三、主要创新性成果

1、超细化晶粒度控制技术

优良的本质细晶粒特性可以节省渗碳钢的渗碳热处理时间，是实现“双碳”的有效途径。本项目通过对特殊轧制工艺的研究，超细化控制精密减速机用渗碳钢的高温晶粒度，满足渗碳钢的高温晶粒度≥7级，从而保证钢材具有较高的组织均匀性。

首先结合第一性原理计算研究了结合Cr 、Mn 、Si 等主要合金元素间的交互作用及内在机理，优化精密减速机用关键材料的成分设计，通过快速取样分析、精确计算并配合合金料添加系统料来精确控制熔炼成分，从而有效控制精密减速机用关键材料的化学成分，满足细晶粒渗碳钢的化学成分要求。

其次研究了加热温度、轧钢温度和冷却工艺对精密减速机用渗碳钢的奥氏体晶粒度的影响。通过控制合理的加热温度，保障钉扎奥氏体晶粒的析出物能够全部溶解，然后在轧制及冷动过程中弥漫析出形成足够的析出物质点来实现最大程度的钉扎奥氏体晶粒的作用，并通过控制轧制温度可防止晶粒粗化。

实施效果：国产RV减速机用渗碳钢的传统国产材料存在严重的混晶现象，能发现0级~3级的粗大晶粒，进口RV减速机用渗碳钢的晶粒度混晶现象得到很大改善，但也能发现5级~6级的局部粗晶粒。本项目开发的RV减速机用渗碳钢完全解决混晶现象，并实现了高温奥氏体晶粒度≥7级，不存在混晶组织。

2、超纯净冶炼控制技术

通过超纯净冶炼控制技术，工业机器人精密减速机关键材料达到了氧含量≤6ppm、Ti含量≤10ppm，最大颗粒夹杂物DS≤0.5级的超高纯净度水平。

长寿命高稳定性机器人关键材料对钢中的氧、钛等杂质元素控制及夹杂物要求及其严格。在液态冶炼阶段，调控杂质元素与夹杂物的理化条件最为优越，应尽可能在此阶段去除氧、钛等杂质元素与非金属夹杂物，加上对非金属夹杂物的精准调控，实现杂质元素及非金属夹杂物的深度脱除；对非金属夹杂物无害化改性使得其细小且弥散分布。

本项目通过对夹杂物定量检测技术与旋转弯曲疲劳试验，发现了夹杂物归一化总体分布规律和大颗粒夹杂物分布规律，为夹杂物定量表征奠定方法和理论。基于此理论，开发全流程分段控氧冶炼技术，通过对原材料控制、高炉铁水含钛量控制、转炉除渣技术、精炼渣与耐火材料选择和炉外精炼工艺调整等全流程冶炼工艺与装备的研究，形成成套的钢中夹杂物去除与调控技术，实现夹杂物能除尽除，并对剩余无法彻底去除夹杂物进行无害化处理，形成超纯净高稳定性机器人关键材料全流程超纯净冶炼控制关键技术。

实施效果：通过超纯净冶炼技术的研究，满足工业机器人精密减速机用关键材料的氧含量≤6ppm，Ti含量≤10ppm。

本项目保证了B细≤1.0级，B粗≤0.5级，DS≤0.5级，材料超高纯净度保证了工业机器人精密减速机的超高疲劳寿命和高稳定性。

3、窄带状组织带宽控制技术

针对工业机器人精密减速机用关键材料的长寿命与高稳定性需求，改善连铸工艺参数，形成了特大型断面轴承钢铸坯均质化高效连铸集成技术。并通过窄带状组织带宽控制技术的研究，满足精密减速机关键材料的微观带状组织≤2级，带状组织间硬度极差≤4HRC，从而保证钢材热处理后较高的组织均匀性。

连铸坯凝固过程偏析引起夹杂物、碳化物和基体组织的不均匀，导致材料的强韧性差异和疲劳寿命短等问题。本项目通过特大型断面连铸坯凝固过程数值模拟，揭示锭型偏析的形成机理，为连铸坯均质化控制提供科学依据。通过对连铸配水、电磁搅拌、轻压下、过热度等连铸工艺参数进行了优化设计，构建生产稳定大断面铸坯质量动态控制，并进一步演化连铸坯的枝晶形貌、解构碳化物和析出物的尺寸、形貌、分布等规律，突破了连铸坯到成品偏析严重的难题，解决精密减速机用关键材料的均质性差及热处理变形问题。

实施效果：谐波减速机用进口材料的带状组织控制达3级~3.5级左右，本项目能保证材料的带状组织控制≤2级，且无贯穿视场的带状组织。进口工业机器人谐波减速机用关键材料的带状组织之间硬度极差控制在6HRC之内，部分控制较好的材料，带状组织之间硬度极差仍高于5HRC，经过本项目的窄带状组织带宽控制技术，兴澄材料能稳定控制在4HRC之内。

四、应用情况与效果

精密减速机作为工业机器人的核心部件其关键材料全部进口，这制约了我国智能制造进程。本项目突破了传统国产材料晶粒尺寸大、纯净度差、微观组织不均匀等短板，首创超细化晶粒度控制、超纯净冶炼技术和窄带状组织带宽控制等关键技术，产品具有超细化晶粒度、超高纯净度以及超高组织均匀性，疲劳性能优于进口材料，实现了替代进口的目的，打破了我国工业机器人精密减速机用关键材料被“卡脖子”的窘境，并确立了国际领先地位。

在2023年“科创江苏”创新创业大赛新材料领域总决赛的舞台上，兴澄特钢《智能机器人核心零部件关键材料的研制及应用示范》项目在“新材料创新”组获得总得分第一名，荣获省级决赛一等奖，见图1。

图1.兴澄特钢《智能机器人核心零部件关键材料的研制及应用示范》获得2023年“科创江苏”创新创业大赛新材料领域一等奖

通过《机器人谐波减速机柔性轴承用钢》江苏省新产品投产鉴定，产品质量和技术水平达到国际先进水平，疲劳寿命国际领先水平，见图2。

图2.兴澄特钢《机器人谐波减速机柔性轴承用钢》通过江苏省新产品投产鉴定

兴澄特钢《工业智能化机器人用关键材料的研发》项目获得无锡市科协“金桥工程”的立项支持，见图3。

图3.兴澄特钢《工业智能化机器人用关键材料的研发》获得“金桥工程”的支持

经国际领先企业对江阴兴澄材料制造的机器人精密减速机整机评价，疲劳寿命超过12000小时，表现出色。

工业机器人精密减速机用关键材料经江苏省产品质量监督检验研究院检测，有害元素低、纯净度高、材料均质性高，见图4。

图4. 江苏省产品质量监督检验研究院检测报告

项目成果获授权发明专利1篇，实质审查专利6篇，发表相关论文3篇。

信息来源：江阴兴澄特种钢铁有限公司