科技新进展：精密谐波柔性传动薄壁件用特殊钢研发及应用

一、研究的背景与问题

谐波减速器凭借高精度、大减速比和小体积优势，成为机器人关节、航空航天伺服系统等精密传动机构的核心部件。谐波减速器由薄壁齿轮、薄壁轴承、凸轮和刚轮组成，如图1所示，椭圆形凸轮在旋转时迫使薄壁齿轮、薄壁轴承发生3000~10000r/min的高速周期性弹性变形，承受复杂交变载荷，通过齿数差实现大减速比运动传递。薄壁齿轮、薄壁轴承厚度仅为0.3~1.5mm的结构特点及承受高频周期性弹性变形和复杂交变载荷的服役特点，使得夹杂物、晶粒粗大及组织不均匀等缺陷影响被显著放大，进而急剧降低了综合性能。并且由于薄壁齿轮小模数特点，耐磨性不足引发微磨损即可导致精度急剧下降，进而过早失效。

图1 谐波减速器：（a）结构；（b）薄壁齿轮；（c）薄壁轴承；（d）传动原理

目前薄壁齿轮和薄壁轴承特殊钢，长期依赖进口或使用电渣/双真空通用牌号钢材替代。日本顶尖的专门化材料对华禁售，可供进口的商用牌号占据了约85%的国内市场，但价格昂贵。国内尝试用成材率低、成本高的电渣/双真空材料替代，但如图2所示仍存在晶粒粗大、钢材洁净度与均质性不佳的问题。

图2 国内谐波减速器薄壁件常见失效形式：（a）晶粒粗大；（b）洁净度不佳；（c）带状偏析

人形机器人、空间探测快速发展，高可靠、长寿命谐波减速器需求爆发式增长。如图3、4所示，人形机器人因其14~20个/台的巨大单机用量和迅速增长的市场规模，已然成为未来市场增长的关键驱动力；空间探测的超低温服役环境对薄壁齿轮、薄壁轴承提出了严苛的可靠性与长寿命要求。但目前薄壁齿轮40CrNiMoA-120℃冲击功AKU仅30J，薄壁轴承GCr15冲击功AKC仅7~20J，难以满足高负载机器人、深空探测等领域谐波减速器高可靠、长寿命要求。

图3 人形机器人（a）及航天探测器（b）使用谐波减速器情况

图4 人形机器人及谐波减速器数据统计及预测：（a）市场规模；（b）出货量

江阴兴澄特种钢铁有限公司、北京科技大学碳中和研究院“先进钢铁材料及其低碳制备”团队、广州小鹏汽车科技有限公司及北京中技克美谐波传动股份有限公司多年来深耕本领域，为本项目奠定了扎实的研究基础与先发优势。项目团队于2016年始长期开展产-学-研-用联合攻关，旨在突破三大关键技术瓶颈：钢质纯净度低、均质性差；生产成本高、效率低；韧性及耐磨性无法满足极端服役工况需求。

二、解决问题的思路与技术方案

针对机器人、空间探测及商业航天等领域对高可靠、长寿命精密谐波减速器的迫切需求，本项目开发了精密谐波柔性传动薄壁件用特殊钢技术及产品，填补了国内空白，为我国人形机器人、航空航天等战略新兴产业发展提供了关键保障。

图5 项目设计思路及关键技术

三、主要创新性成果

高可靠长寿命精密谐波减速器是机器人、航空航天、军工等高端装备核心传动部件。随着人形机器人、空间探测等快速发展，其需求爆发增长。关键零件薄壁齿轮和薄壁轴承厚度仅0.3~1.5mm，服役时承受复杂交变载荷，处于高频周期性弹性变形状态，对材质要求极高。高端材料长期被日本垄断，国内以电渣/双真空材替代，但寿命和承载能力仍差距较大。因此，开发了精密谐波柔性传动薄壁件专用特殊钢及其应用技术，为我国谐波减速器产业高质量发展提供了支撑。

1、通过“炉外精炼-连铸-连轧”制备技术，突破了低成本、高效化、高品质的制造瓶颈。针对电渣、双真空工艺成材率低、成本高等难题，开发并集成了夹杂物低熔点化精炼、中间包钢液电磁感应净化、连铸坯凝固末端轻压下及非均温定向轧制技术，实现了成材率≥97%；总氧含量≤5ppm、全系夹杂物级别≤0.5级的超洁净化；中心碳偏析指数≤1.05、带状组织≤1.0级的高均质化。

2、开发了晶粒双级细化韧性-耐磨性协同提升技术，破解了薄壁齿轮低温韧性差、耐磨性不足的难题。设计了42CrNi2MoVE专门化特殊钢，制定了二次淬火+回火+深冷+低温回火热处理工艺，实现了原奥晶粒≥10.5级、马氏体板条宽度≤1.0μm的晶粒双级细化，-120℃冲击功AkU≥70J，磨损率≤0.3mm³/(N·m)。

3、开发了显微组织双细化增韧技术，攻克了薄壁轴承韧性不足易断裂的困局。针对粗大碳化物特别是晶界碳化物导致的韧性不足难题，设计了G8Cr20-VNb专门化特殊钢，开发了固溶时效+两相区保温-淬火+两相区保温-淬火+调质的组织双细化、晶界净化技术，实现了原奥晶粒≥10.5级、未溶碳化物直径≤0.38μm的显微组织双细化，晶界碳化物减少70%，室温冲击功Akc≥70J。

项目授权发明专利9件、实用新型专利2件；发表论文13篇；制定国际标准1项、企业标准2项。近3年生产薄壁齿轮、薄壁轴承钢突破万吨，新增销售收入9093.44万元。产品应用于绿的、中技克美、长城精工等12家国内谐波传动及薄壁轴承制造领军企业。薄壁齿轮用钢占国内市场10%，部分替代了进口材，打破了国际垄断；占国产材料的67%，成为国内领军者。薄壁轴承用钢占国内市场97%，实现全面自主可控。

四、应用情况与效果

本项目自2016年1月启动，初期从实验室研究起步，逐步完成产线设计与建设，于2018年8月成功建成低成本、高效化、高质量的“转炉冶炼→LF+RH精炼→连铸→初轧开坯→热连轧”专用产线并投产，并于2019年起实现产品正式交付。项目于2022年成功研发了“薄壁齿轮晶粒双级细化及韧性-耐磨性协同提升技术”与“薄壁轴承显微组织双细化及增韧技术”，显著提升了材料的核心性能。经过四年扎实的市场应用与推广，产品已赢得行业高度认可。薄壁齿轮用钢占国内市场10%、国产材料67%，部分替代了进口材，打破了国际垄断，成为国内领军者；薄壁轴承用钢占国内市场97%，实现了全面自主可控。

1.“转炉冶炼→LF+RH精炼→连铸→初轧开坯→热连轧”低成本、高效化、高质量制备技术推广前景

该技术打破了高端特殊钢制备工艺在“成本、效率、质量”难以兼顾的瓶颈，提供了一条兼具经济性与高性能的规模化生产路径。不仅实现了本项目谐波减速器薄壁件特殊钢低成本、高效化、高质量生产，更可作为标准范式向其他高端特殊钢领域推广，面对新能源汽车、精密机床等高端装备领域对高性能钢铁材料日益增长的需求和成本控制要求，该技术所代表的低成本、高效化、高质量工艺有巨大的市场潜力。

2.精密谐波柔性薄壁齿轮晶粒双级细化及韧性-耐磨性协同提升技术推广前景

该技术精准针对谐波减速器薄壁齿轮在极端工况下的两大核心失效难题—因低温韧性不足引发的断裂失效，以及因耐磨性不足导致的精度急剧下降。通过原奥晶粒与马氏体板条的晶粒双级细化，显著提升了材料的低温韧性与耐磨性。随着人形机器人、协作机器人对关节精度与寿命的要求实现数量级提升，以及航空航天伺服机构对极端环境下可靠性的需求日益严苛，该技术的应用前景极为广阔。

3.精密谐波柔性薄壁轴承显微组织双细化及增韧技术推广前景

该技术攻克了薄壁轴承因韧性不足导致的早期失效瓶颈，是实现谐波减速器高可靠、长寿命的关键。通过创新的组织双细化与晶界净化处理，将原奥晶粒细化至10.5级以上，并严格控制未溶碳化物尺寸，从而大幅提升冲击韧性。这一突破使得国产轴承材料强韧性达到国际先进水平。其推广前景在于，该技术可引领国产高端轴承钢的全面升级。除了谐波减速器轴承，其技术理念与工艺同样适用于对疲劳寿命和可靠性要求极高的航空发动机轴承、高速精密机床主轴轴承、新能源车驱动电机轴承等高端领域。

信息来源：江阴兴澄特种钢铁有限公司