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14. 高端轴承钢，难以补齐的中国制造业短板
“高端轴承依赖进口，为什么我们自己造不出来？”在调研了东三省、浙江、山东等五六个省份之后，中科院山东技术转化中心常务副主任王东升找到了答案：最大的问题出在材质上，“没有好钢，永远造不出高端轴承”。
作为机械设备中不可或缺的核心零部件，轴承支撑机械旋转体，降低其摩擦系数，并保证其回转精度。在他看来，无论飞机、汽车、高铁，还是高精密机床、仪器仪表，“凡是旋转的部分，都需要轴承”。
毫不夸张地说，发动机中的轴承一直在“炼狱”中工作——它不仅要以每分钟上万转的速度长时间高速运转，还要承受着各种形式的应力挤压、摩擦与超高温。这对轴承的精度、性能、寿命和可靠性提出了高要求，而决定这四点的关键因素，在于其材质。
遗憾的是，虽然我国的制轴工艺已经接近世界顶尖水平，但材质——也就是高端轴承用钢几乎全部依赖进口。
作为“中国企业100强”，这家钢铁集团拥有自己的精品钢基地，但却做不出轴承用高端钢，只能依赖进口，前不久，花了近1亿元进口轴承用钢。
“PPM”在炼钢中是氧含量的单位，意指百万分率或百万分之几。中科院金属研究所专家告诉记者，一般而言，在钢铁行业，8个PPM的钢属于好钢；5个PPM的钢属于顶级钢，正是高端轴承所需要的。高端轴承用钢的研发、制造与销售基本上被世界轴承巨头美国铁姆肯、瑞典SKF所垄断。前几年，他们分别在山东烟台、济南建立基地，采购中国的低端材质，运用他们的核心技术做成高端轴承，以十倍的价格卖给中国市场。
炼钢过程中加入稀土，就能使原本优质的钢变得更加“坚强”。但怎么加，这是世界轴承巨头们的核心秘密。
稀土被称为“工业维生素”，稀土钢是指含有一定量稀土的钢。上世纪80年代，我国曾掀起稀土钢的研发和应用高潮，科学家们普遍认为，炼钢过程中加入稀土是解决高端轴承用钢的技术方向，但是在钢中加入稀土后，钢的性能变得时好时坏，在大规模生产过程中也极易堵塞浇口，虽经多年攻关仍未能突破技术瓶颈，这也导致稀土在钢铁行业应用中由热变冷。
如同一盆水中滴入一滴墨水，1吨钢加入多少微量稀土比较合适？怎么加？
难题悬而未解，导致的后果是：目前，除少量钢种外，钢铁企业在实际生产中几乎放弃了稀土的应用。
不过，研发高端轴承用钢的道路上，不全是坏消息。
前一阶段，中科院金属所材料加工模拟研究团队通过对单重百吨级大钢锭的实物解剖和计算，发现杂质是导致成分不均匀的主要根源，据此提出新的钢中缺陷形成机理，在行业内引起很大反响并迅速获得应用。此后，该团队开发了商用稀土合金的纯净化制备技术和稀土在钢中特殊加入技术，从而突破了稀土在钢中进行工业化应用的技术瓶颈，实现了在钢中添加稀土后的工艺顺行和性能稳定。
了解到，近段时间，国家有关部委正在酝酿相关政策，推动高端轴承用钢的国产化进程。可以说，解决高端轴承用钢的“卡脖子”难题，我们又向前迈进了一步。
15. 算法不精，国产工业机器人有点“笨”
两台机器人分别控制双层托盘，让其不断地倾斜、转动，另一台机器人控制机械臂在托盘上十个障碍物间不停地穿行而不受阻碍。这段工业机器人演示视频让人看得眼花缭乱。“这可是人家2009年的技术，我们现在也无法做到”，资深机器人从业者马龙感慨地说。
想要完成如此复杂的动作，工业机器人的大脑——核心控制器必须足够聪明。但由于没有掌握核心算法，国产工业机器人“大脑”还不够聪明，稳定性、故障率、易用性等关键指标远不如工业机器人“四大家族”发那科、ABB、安川、库卡（以下简称“四大家族”）的产品。据统计，我国已经连续5年成为世界第一大机器人应用市场，但高端机器人仍然依赖于进口。核心算法的差距，是国产工业机器人向高端制造迈进的拦路虎。
算法欠账多，国产“大脑”爱出错
作为工业级产品，衡量机器人优劣主要有两个标准：稳定性和精确性。核心控制器是影响稳定性的关键部件，有着工业机器人“大脑”之称。而软件相当于语言，把“大脑”的想法传递出去。
要讲好这门“语言”，需要底层核心算法。“四大家族”可以出售伺服系统、减速器、编码器等关键部件，但对核心算法一直秘而不宣，绝不外泄。
核心算法差距过大，导致国产机器人稳定性不佳，故障率居高不下。“参数自整定，抑震算法，转矩波动补偿……”
“工厂里一百多台‘四大家族’设备，一年也出不了几次故障；如果用国产机器人，故障率可能是人家几倍。”沈阳霹雳科技有限公司技术合伙人、资深机器人软件工程师周超说。
因此，部分客户宁愿买二手进口机器人，缴纳一笔不菲的“重新开机费”，也不愿意使用国产机器人。
“好的算法，几千行就能让机器人稳定运行不出故障；差的算法，几万行也达不到人家的水准，”周超介绍，“就好比两个司机开车，刚拿驾照的新手和经验丰富的赛车手，上路之后差距一目了然。”
知其然，不知其所以然，正是核心算法多年来欠账的结果。
不掌握核心算法，生产精度需求不高的产品还勉强可以，但倘若应用到航天航空、军工等高端领域，就只能依赖进口工业机器人了。
“打个比方，底层核心算法好比手机操作系统，我们更多在做APP。虽然做基础研究投入大、回报低，做APP赚钱快，但只做APP，永远也无法超过苹果和谷歌，”周超说，“况且一旦别人对你封锁系统，APP做得再好用也无济于事。”
软件卡脖子，定价权拱手让人
算法的差距不只体现在核心控制器上，更拖慢了伺服系统响应的速度。机器人每完成一个动作，需要核心控制器、伺服驱动器和伺服电机协同作战。打个比方，就像一场“战争”，“将军”下令进攻；“传令兵”传递进攻信号；得令的“士兵”向指定位置冲锋。
现在“四大家族”的产品已经进化到“将军”通过4G信号直接指挥“士兵”；而国产机器人尚停留在传令兵时代，速度当然就慢了许多。
“如果不掌握核心算法，这一差距很难被缩小。”马龙说。据他介绍，对于单台伺服系统，国产机器人动态与静态精度都很高，但高端机器人一般同时有6台以上伺服系统，用传统的控制方法难以取得好的控制效果。
多台伺服系统需要“大脑”提前进行计算。通过底层算法，国外核心控制器可以通过伺服系统的电流环直接操作电机，实现高动态多轴非线性条件下的精密控制，因此“四大家族”的机器人响应速度更快、定位更准确。
由于算法、软件的差距，最终产品的售价也天差地别。以伺服系统为例，即使核心元器件几乎完全一样，成本其实相差无几，但国外的产品售价贵10倍。
“这是因为国产伺服系统基本都使用自带软件库，国外企业限制很多高级功能，不向我们开放，比如位置环的S曲线功能，你想要这个功能，就得掏钱买人家的产品，定价权就这样让出去了。”马龙说。
鼓励企业投入研发，机器人未来可期
尽管与“四大家族”相比差距明显，但专家、从业者都比较看好国产机器人的未来。
从技术上看，硬件的发展已有几十年历史，几无秘密可言；软件方面，我国拥有数量庞大的IT从业人口，“现在，我们很多企业也可以集成出高水准的工业机器人产品，”周超说，“但完全自主知识产权、拥有关键部件核心技术的国产工业机器人，还需要经验、时间与整个产业链的积累、打磨。”
工业机器人市场有点像几年前的智能手机市场。只要熟悉产业链、供应链，很快就能“攒”出一台机器人产品。但想要掌握核心技术，却并不那么容易。当某一项技术取得突破，等待市场检验、慢慢成熟时，国外厂商很可能会压低该零部件的价格，提供功能更成熟、价格更便宜的方案，导致国内企业投入与回报不成正比，这也是很多企业不愿意在底层研发上投入的原因。
“作为从业者，我们希望能有更多以技术为导向的政策，只要技术达标，就给予企业一定的市场空间，在实践中慢慢打磨产品，吃透核心技术，鼓励企业将更多的人力、财力投入到研发当中，这样才能让国产工业机器人真正在世界的舞台上唱主角，”马龙说。
16. 航空钢材不过硬，国产大飞机起落失据
“如果把发动机和飞控设备比作飞机的心脏和大脑，那么航空超高强度钢制作的起落架就是飞机的‘腿脚’。没有强健腿脚，纵使心脏和大脑再强大，巨人依然站立不起来！”“青年千人计划”学者、南开大学材料学院教授、博士生导师梁嘉杰对记者说。
在梁嘉杰等材料科学家看来，随着中国大飞机等项目的加速推进，国产航空超高强度钢材的研发制造必须迎头赶上，才能让国产大飞机更稳健地翱翔蓝天。
美国300M是世界主流
“川航客机玻璃脱落迫降，落地时由于超重滑行，轮胎都瘪了，但依然实现了安全着陆，这得益于好的起落架，如果没有好的高强度钢，这种迫降是致命的。”中国民航大学一位学者说。无论起飞还是降落，起落架都是支撑飞机的唯一部件，尤其是在飞机降落阶段，其承载的载荷不仅仅来自机身重量，还有飞机垂直方向的巨大冲力。因此，起落架的材料强度必须十分优异，一般材料无法满足这一要求，只能依靠特种钢材才行。“频繁的起降滑行，对起落架的材料可靠性提出了近乎严苛的要求，可以说起落架用钢就代表着一个国家超高强度钢的最高水平。”专家如是说。
在航空业，大飞机是指起飞总重量超过100吨的运输类飞机，包括军用、民用大型运输机和150座以上的干线客机。每架大飞机的起落架用特种高强度钢约15吨。因为国产材料不过关，首架C919下线试飞时，起落架用进口材料制作。
梁嘉杰说，就目前起落架钢材使用现状来看，美国的300M钢使用范围最广。300M钢是1952年由美国国际镍公司研发，并采用整体锻件制造工艺制造而成，其强度在1900MPa—2100MPa，相当于20000个大气压。迄今为止，美国九成以上军民用飞机起落架材料由300M钢担纲。
必须翻过纯净度这座“山”
“超高强度钢可分为低合金、中合金和高合金三类，飞机起落架用的钢材，是典型的低合金钢，对‘氢脆’很敏感，真空高温冶炼需要高纯净度。”天津工业大学一位研究金属的教授介绍，钢铁等金属材料原子按照一定的规则排列，被称为晶格，晶格中偶尔有不守秩序的原子会站错队，发生错排的地方称为位错。钢铁冶炼凝固过程中，残留在钢铁内的氢原子会主动寻找位错，向金属中缺陷附近不断集中，到室温时，原子氢在缺陷处结合成分子氢，从而产生巨大的内应力，使金属发生看不见的裂纹，也就是“氢脆”。
“从原子变分子，氢就如同啸聚山林的好汉，聚到一起就会产生很大的破坏力。用于制作起落架的超强度钢最怕这个。”该教授形象地说。了解到，美国飞机部件破坏调查分析表明,起落架多数是由于表面应力腐蚀或疲劳裂纹扩展而导致最后断裂的。
美国的300M钢采用真空热处理技术，避免了渗氢，零件表面光亮，无氧化脱碳、增碳和晶界氧化等缺陷，提高了表面质量。与此形成对比，国内用于制作起落架的国产超强度钢材有时会出现点状缺陷、硫化物夹杂、粗晶、内部裂纹、热处理渗氢等问题，这些问题都与冶炼过程中纯净度不够有关系。
目前，我国的超高强度钢材研制水准与欧洲、俄罗斯相比基本相当或略有优势，但在材料创新基础研究能力，尤其是高纯度熔炼技术方面与美国还有较大差距，存在很大提升空间。
“未来，应该重点关注提升超强度钢纯净度。”中国航发北京航空材料研究院研究员、中国工程院赵振业院士说，纯净度会影响航空器械的“寿命”，也是所有航空超高强度钢的“命门”，是必须要翻越的山。他打比方说，其影响如同我国的气候分水岭秦岭一样明显，翻过秦岭是四川的湿润气候，秦岭以北是陕西的气候。航空器关键构件达到长寿命、高可靠、结构减重，首先要过了纯净度关，然后才能谈抗疲劳性等金属材料的其他特性。
部分技术还停留在实验室阶段
全球航空航天材料市场预计到2022年将达到258亿美元，这是一个快速增长的庞大市场，目前高端新材料基本上被美国和欧洲垄断着。根据测算，我国高温合金行业长期处于供不应求的状态，年市场缺口近1万吨。
一代材料技术，一代航空装备。“在大型飞机结构性关键部件用钢方面，我国整体水平基本上可以满足国防军工、装备制造、国民经济发展要求，但与国际先进水平相比，仍存在较大差距。尤其在航空（航天）用高温合金方面，我国仍处于跟跑阶段。不过客观上讲，我国研制和生产水平与先进国家的差距正在缩短。”中国钢铁研究总院副院长杜挽生说，航空用高纯度单晶高温合金，发达国家已经实现了四代技术的应用量产，而国内只到了第二代，三代、四代技术仍在持续的攻坚中。
有钢铁冶金业内人士说，大飞机用的超强度钢材完全国产化这一过程还有一段很长的路要走。国内高性能钢铁部分制造技术，尤其是新一代数字化和智能化控轧控冷技术、先进热处理技术、变截面轧制技术、温度梯度轧制技术、高精度轧制技术，我们与美国、日本还有不小的差距，有的还停留在实验室层面，超高强度钢材实现完全国产化，还要加强科研。
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