工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 顾超王仲亮肖微王敏刘宇黄永生包燕平 Research status and progress on cleanliness of high-fatigue-life bearing steels GU Chao,WANG Zhong-liang.XIAO Wei,WANG Min,LIU Yu.HUANG Yong-sheng.BAO Yan-ping 引用本文： 顾超，王仲亮，肖微，王敏，刘宇，黄永生，包燕平.高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展.工程科学学报，2021,433)： 299-310.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.10.09.005 GU Chao,WANG Zhong-liang,XIAO Wei,WANG Min,LIU Yu,HUANG Yong-sheng,BAO Yan-ping.Research status and progress on cleanliness of high-fatigue-life bearing steels[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(3):299-310.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2020.10.09.005 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.10.09.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 稀土-镁复合处理对GC15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报.2019,41(6：763htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.008 RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报.2020,42(7)：846 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.19.002 高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法 Detection of nonmetallic inclusion in high-strength gear steel with high cleanliness 工程科学学报.2020.42(7)：912 https:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.15.005 F钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 Evaluation of cleanliness and distribution of inclusions in the thickness direction of interstitial free(IF)steel slabs 工程科学学报.2020,42(2：194 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.03.22.004 夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响 Influence of inclusion on stress and strain fields in ultra-high strength steel 工程科学学报.2017,397)：1027 https:/1oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.07.007 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报.2019,41(12：1567 https:doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.12.18.004
高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 顾超 王仲亮 肖微 王敏 刘宇 黄永生 包燕平 Research status and progress on cleanliness of high-fatigue-life bearing steels GU Chao, WANG Zhong-liang, XIAO Wei, WANG Min, LIU Yu, HUANG Yong-sheng, BAO Yan-ping 引用本文: 顾超, 王仲亮, 肖微, 王敏, 刘宇, 黄永生, 包燕平. 高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(3): 299-310. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.09.005 GU Chao, WANG Zhong-liang, XIAO Wei, WANG Min, LIU Yu, HUANG Yong-sheng, BAO Yan-ping. Research status and progress on cleanliness of high-fatigue-life bearing steels[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(3): 299-310. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.09.005 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.09.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报. 2019, 41(6): 763 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.008 RH精炼过程中吹氧量对IF钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报. 2020, 42(7): 846 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002 高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法 Detection of nonmetallic inclusion in high-strength gear steel with high cleanliness 工程科学学报. 2020, 42(7): 912 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.15.005 IF钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 Evaluation of cleanliness and distribution of inclusions in the thickness direction of interstitial free (IF) steel slabs 工程科学学报. 2020, 42(2): 194 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.22.004 夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响 Influence of inclusion on stress and strain fields in ultra-high strength steel 工程科学学报. 2017, 39(7): 1027 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.007 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报. 2019, 41(12): 1567 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.18.004
工程科学学报.第43卷，第3期：299-310.2021年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.3:299-310,March 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.09.005;http://cje.ustb.edu.cn 高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 顾 超”，王仲亮，肖微)，王敏，刘宇)，黄永生2，包燕平)四 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)中天钢铁集团有限公司.江苏213011 ☒通信作者，E-mail:baoyp@ustb.edu.cn 摘要对比了国内外高疲劳寿命轴承钢主要杂质元素、主要夹杂物特征等冶金性能的差异，并对比了不同治金质量下，轴 承钢的疲劳性能及诱发疲劳断裂的因素，总结了国产轴承钢洁净度现状及与国外优质轴承钢的差距.在此基础上，围绕高疲 劳寿命轴承钢，以进一步提高国产轴承钢质量为目的，分析梳理了国产轴承钢冶炼技术及夹杂物控制方法的发展轨迹，探讨 了国产轴承钢进一步提高疲劳寿命及质量的发展方向 关键词轴承钢：夹杂物：疲劳性能：洁净度：脱氧方式 分类号TF762 Research status and progress on cleanliness of high-fatigue-life bearing steels GU Chao.WANG Zhong-liang".XIAO Wei,WANG Min,LIU Yu),HUANG Yong-sheng,BAO Yan-ping 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Zenith Steel Group Company,Jiangsu 213011,China Corresponding author,E-mail:baoyp @ustb.edu.cn ABSTRACT Bearing steel is a significant material for producing basic components in many industrial sectors,such as automotive, high-speed trains,and aerospace.In most cases,the bearings belong to the safety-relevant parts of these structures,so that extensive quality control measures are applied to ensure the entire assembly's reliability and safety.In the last century,the precise instruments' bearings were almost dependent on imports,which cost a large fortune.In recent years,the production technique and the production quality of domestic bearing steels keep improving.and the cleanliness keeps increasing.The qualities of some superior domestic bearing steels have become close to foreign bearing steels with high quality.However,the stability still needs to be improved,especially in the aspects of calcium aluminate inclusions and the titanium content in steels.To understand the gaps between domestic and foreign bearing steels,the differences in metallurgical properties of high-fatigue-life bearing steels,such as the main impurity elements and the characteristics of main inclusions,were compared in this paper.Fatigue properties of bearing steels and factors that cause fatigue fracture under various metallurgical properties were also compared.The cleanliness status of domestic bearing steels and the gap with foreign high-quality bearing steels were summarized.There are two types of controlling strategies of the cleanliness for bearing steels:1) controlling the total oxygen content strictly to get an extremely low total oxygen content;2)controlling the size and type of oxide inclusions with a relatively low total oxygen content.On this basis,in order to further improve the efficiency of domestic steel bearings, the development of the smelting technology and the integration control system for domestic steel bearings were analyzed and sorted out. Besides,the development direction of further improving the quality and fatigue life of domestic bearing steel was discussed. KEY WORDS bearing steel;inclusion:fatigue property:cleanliness;deoxidation method 收稿日期：2020-10-09 基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-TP-20-026A1):中国博士后科学基金资助项目(2020M680348):钢铁治金新技术国家 重点实验室自主课题资助项目(41620004)
高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 顾 超1)，王仲亮1)，肖 微1)，王 敏1)，刘 宇2)，黄永生2)，包燕平1) 苣 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 中天钢铁集团有限公司，江苏 213011 苣通信作者，E-mail：baoyp@ustb.edu.cn 摘 要 对比了国内外高疲劳寿命轴承钢主要杂质元素、主要夹杂物特征等冶金性能的差异，并对比了不同冶金质量下，轴 承钢的疲劳性能及诱发疲劳断裂的因素，总结了国产轴承钢洁净度现状及与国外优质轴承钢的差距. 在此基础上，围绕高疲 劳寿命轴承钢，以进一步提高国产轴承钢质量为目的，分析梳理了国产轴承钢冶炼技术及夹杂物控制方法的发展轨迹，探讨 了国产轴承钢进一步提高疲劳寿命及质量的发展方向. 关键词 轴承钢；夹杂物；疲劳性能；洁净度；脱氧方式 分类号 TF762 Research status and progress on cleanliness of high-fatigue-life bearing steels GU Chao1) ，WANG Zhong-liang1) ，XIAO Wei1) ，WANG Min1) ，LIU Yu2) ，HUANG Yong-sheng2) ，BAO Yan-ping1) 苣 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Zenith Steel Group Company, Jiangsu 213011, China 苣 Corresponding author, E-mail: baoyp@ustb.edu.cn ABSTRACT Bearing steel is a significant material for producing basic components in many industrial sectors, such as automotive, high-speed trains, and aerospace. In most cases, the bearings belong to the safety-relevant parts of these structures, so that extensive quality control measures are applied to ensure the entire assembly ’s reliability and safety. In the last century, the precise instruments ’ bearings were almost dependent on imports, which cost a large fortune. In recent years, the production technique and the production quality of domestic bearing steels keep improving, and the cleanliness keeps increasing. The qualities of some superior domestic bearing steels have become close to foreign bearing steels with high quality. However, the stability still needs to be improved, especially in the aspects of calcium aluminate inclusions and the titanium content in steels. To understand the gaps between domestic and foreign bearing steels, the differences in metallurgical properties of high-fatigue-life bearing steels, such as the main impurity elements and the characteristics of main inclusions, were compared in this paper. Fatigue properties of bearing steels and factors that cause fatigue fracture under various metallurgical properties were also compared. The cleanliness status of domestic bearing steels and the gap with foreign high-quality bearing steels were summarized. There are two types of controlling strategies of the cleanliness for bearing steels: 1) controlling the total oxygen content strictly to get an extremely low total oxygen content; 2) controlling the size and type of oxide inclusions with a relatively low total oxygen content. On this basis, in order to further improve the efficiency of domestic steel bearings, the development of the smelting technology and the integration control system for domestic steel bearings were analyzed and sorted out. Besides, the development direction of further improving the quality and fatigue life of domestic bearing steel was discussed. KEY WORDS bearing steel；inclusion；fatigue property；cleanliness；deoxidation method 收稿日期: 2020−10−09 基金项目: 中央高校基本科研业务费资助项目（FRF-TP-20-026A1）；中国博士后科学基金资助项目（2020M680348）；钢铁冶金新技术国家 重点实验室自主课题资助项目（41620004） 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期：299−310，2021 年 3 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 3: 299−310, March 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.09.005; http://cje.ustb.edu.cn
300 工程科学学报，第43卷，第3期 轴承钢是一种重要的基础设备零件制造材 临界条件，如图2所示，在相同应力及尺寸条件下， 料，在特钢生产中占据重要地位-面对突飞猛 最先引起裂纹的夹杂物种类为TiN,其次为CaO、 进的中国制造业，部分钢铁材料的质量进步已经 尖晶石及钙铝酸盐 逐渐成为制约国产设备进一步优化并对标国际的 (1) 限制性环节，例如高速铁路技术.中国的高速铁路 Kmax.ine =0.5o Vn VS 技术遥居世界第一，已与众多国家进行了出口洽 谈，但高速铁路用轴承钢等高质量特殊钢到目前 、0 为止仍未完全摆脱进口，为此，近年来国内各钢铁 企业对轴承钢的生产技术进行了迎难攻关，工信 △·◆ 部也于2019年将包括轴承钢在内的40种高品质 钢材纳入《重点新材料首批次应用示范指导目录》 TiNOI 3.4 MPam 20Mm0-乡 中，为大力发展国产高端钢材提供了基础与支持 -Caom 29m AlCa 1轴承钢质量影响因素及疲劳性能 -Spinel9 2.2 MPa:mie 104 105 10 107 108 109 对于钢材质量来说，最终评判其高低的指标 N 性因素为其所形成零件的使用性能，但钢材质量 因2不同种类夹杂物在轴承钢中最大裂尖应力强度因子($F)对比 Fig.2 Comparison of maximum stress intensity factors (SIF)of 并不是影响使用性能的单一因素，零件的加工装 different inclusions in bearing steels 配及使用环境等均会对其使用性能造成影响 (图1).从钢材质量的角度来说，控制钢材的洁净 式中：S为夹杂物面积；o为疲劳载荷 钢中夹杂物是反应钢材洁净度的一个重要指 度与组织均匀性是提高钢材质量的关键，而钢材 标，冶金工作者们持续致力于优化钢材冶炼工艺， 的洁净度及组织均匀性与钢材冶炼全流程以及连 减少钢中夹杂物的数量及尺寸，提升钢材洁净度. 铸、轧制、热处理等工序密不可分，其中洁净度主 随着冶炼技术的发展，钢材的洁净度逐渐提高.同 要受冶炼及连铸过程影响较大，而组织均匀性则 时冶金工作者们也开发出不同的脱氧方式及精炼 受连铸、轧制、热处理等工序影响较大，两者的影 渣技术，对脱氧过程中的夹杂物种类进行控制，通 响因素相互独立又密不可分，将整个轴承钢生产 流程串联成为一个有机整体 过改变夹杂物的塑性等性能，改变其对钢材使用 性能的影响，该工艺已在帘线钢、弹簧钢等钢种中 Cleanliness of steel 得到了广泛的应用 Steel quality Microstructure 为了探讨国产轴承钢的质量现状，本文对比 Service performance Processing and homogeneity of steel of bearings assembly 了国内外部分优质轴承钢的关键指标及疲劳性 Usage 能，以此为依据，针对轴承钢洁净度，回顾总结了 environment 轴承钢的冶炼技术发展，并分析了影响国产轴承 图1轴承使用性能主要影响因素 钢的关键问题及未来的发展方向. Fig.1 Main influence factor on the service character of bearings 2国内外轴承钢质量对比 在轴承钢的使用性能中，疲劳性能是最重要 的关注点之一，随着用户对零件服役时长要求的 2.1杂质元素含量对比 提高，对轴承钢疲劳性能的要求也随之提高，因 根据我国于2016年发布高碳铬轴承钢新国 此，近年来学者们对超高周疲劳（疲劳寿命N>10) 标GB/T18254一2016，新国标中全面禁止在轴 的关注逐渐增加习.随着研究的深人，学者们发 承钢冶炼中使用钙处理，并分别对其中T等残余 现在超高周疲劳范围内，钢材对夹杂物的敏感性 元素含量进行了要求（表I).因此，本文中对杂质 更高阿，且除了夹杂物尺寸对疲劳性能影响较大 元素的分析主要着眼于Ca、Ti及O、N气体元素. 外，夹杂物的种类对疲劳性能也存在不同程度的 图3为国外所生产的高碳铬轴承钢A、B和国 影响7-⑧】部分学者，通过对夹杂物在轴承钢中最 内所生产的高碳铬轴承钢C、D热轧棒材中Ca、 大裂尖应力强度因子(SIF)max ine的计算（式I)0, Ti及O、N气体元素I)轴承钢D中Ca的质量分 初步阐明了不同种类夹杂物引起疲劳断裂的不同 数为四种轴承钢中最高，且波动较大，为3.0×
轴承钢是一种重要的基础设备零件制造材 料，在特钢生产中占据重要地位[1−2] . 面对突飞猛 进的中国制造业，部分钢铁材料的质量进步已经 逐渐成为制约国产设备进一步优化并对标国际的 限制性环节，例如高速铁路技术. 中国的高速铁路 技术遥居世界第一，已与众多国家进行了出口洽 谈，但高速铁路用轴承钢等高质量特殊钢到目前 为止仍未完全摆脱进口. 为此，近年来国内各钢铁 企业对轴承钢的生产技术进行了迎难攻关，工信 部也于 2019 年将包括轴承钢在内的 40 种高品质 钢材纳入《重点新材料首批次应用示范指导目录》 中，为大力发展国产高端钢材提供了基础与支持. 1 轴承钢质量影响因素及疲劳性能 对于钢材质量来说，最终评判其高低的指标 性因素为其所形成零件的使用性能，但钢材质量 并不是影响使用性能的单一因素，零件的加工装 配及使用环境等均会对其使用性能造成影响 （图 1）. 从钢材质量的角度来说，控制钢材的洁净 度与组织均匀性是提高钢材质量的关键，而钢材 的洁净度及组织均匀性与钢材冶炼全流程以及连 铸、轧制、热处理等工序密不可分，其中洁净度主 要受冶炼及连铸过程影响较大，而组织均匀性则 受连铸、轧制、热处理等工序影响较大，两者的影 响因素相互独立又密不可分，将整个轴承钢生产 流程串联成为一个有机整体. Service performance of bearings Steel quality Processing and assembly Usage environment Cleanliness of steel Microstructure homogeneity of steel 图 1 轴承使用性能主要影响因素 Fig.1 Main influence factor on the service character of bearings 在轴承钢的使用性能中，疲劳性能是最重要 的关注点之一，随着用户对零件服役时长要求的 提高，对轴承钢疲劳性能的要求也随之提高，因 此，近年来学者们对超高周疲劳（疲劳寿命 Nf>107 ） 的关注逐渐增加[3−5] . 随着研究的深入，学者们发 现在超高周疲劳范围内，钢材对夹杂物的敏感性 更高[6] ，且除了夹杂物尺寸对疲劳性能影响较大 外，夹杂物的种类对疲劳性能也存在不同程度的 影响[7−8] . 部分学者[7,9] 通过对夹杂物在轴承钢中最 大裂尖应力强度因子（SIF）Kmax,inc 的计算（式 1） [10] ， 初步阐明了不同种类夹杂物引起疲劳断裂的不同 临界条件，如图 2 所示，在相同应力及尺寸条件下， 最先引起裂纹的夹杂物种类为 TiN，其次为 CaO、 尖晶石及钙铝酸盐. Kmax,inc = 0.5σ0 √ π √ S （1） 105 106 107 Nf 108 109 104 2 K 3 max, inc/(MPa·m1/2 ) TiN 3.4 MPa·m1/2 [7] CaO[7] AlCaO[7] AlCaO[9] Spinel[9] 2.9 MPa·m1/2 2.2 MPa·m1/2 2.92 MPa·m1/2 4 5 6 图 2 不同种类夹杂物在轴承钢中最大裂尖应力强度因子（SIF）对比 Fig.2 Comparison of maximum stress intensity factors (SIF) of different inclusions in bearing steels 式中：S 为夹杂物面积；σ0 为疲劳载荷. 钢中夹杂物是反应钢材洁净度的一个重要指 标，冶金工作者们持续致力于优化钢材冶炼工艺， 减少钢中夹杂物的数量及尺寸，提升钢材洁净度. 随着冶炼技术的发展，钢材的洁净度逐渐提高. 同 时冶金工作者们也开发出不同的脱氧方式及精炼 渣技术，对脱氧过程中的夹杂物种类进行控制，通 过改变夹杂物的塑性等性能，改变其对钢材使用 性能的影响，该工艺已在帘线钢、弹簧钢等钢种中 得到了广泛的应用. 为了探讨国产轴承钢的质量现状，本文对比 了国内外部分优质轴承钢的关键指标及疲劳性 能，以此为依据，针对轴承钢洁净度，回顾总结了 轴承钢的冶炼技术发展，并分析了影响国产轴承 钢的关键问题及未来的发展方向. 2 国内外轴承钢质量对比 2.1 杂质元素含量对比 根据我国于 2016 年发布高碳铬轴承钢新国 标 GB/T 18254—2016[11] ，新国标中全面禁止在轴 承钢冶炼中使用钙处理，并分别对其中 Ti 等残余 元素含量进行了要求（表 1）. 因此，本文中对杂质 元素的分析主要着眼于 Ca、Ti 及 O、N 气体元素. 图 3 为国外所生产的高碳铬轴承钢 A、B 和国 内所生产的高碳铬轴承钢 C、D 热轧棒材中 Ca、 Ti 及 O、N 气体元素[12] . 轴承钢 D 中 Ca 的质量分 数为四种轴承钢中最高 ，且波动较大 ， 为 3.0× · 300 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期
顾超等：高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 301· 表1GB/T18254一2016高碳铬轴承钢中残余元素含量要求（质量分数） Table 1 Requirements of residual elements in high carbon chromium bearing steel in GB/T 18254-2016 Metallurgical quality Ni Cu Ca a a As As+Sn+Sb Pb High-quality steel ≤0.25≤0.25≤0.025≤0.020 ≤0.0012≤0.0050≤0.050≤0.04 ≤0.075 ≤0.002 Advanced high-quality steel ≤0.25≤0.25≤0.020 ≤0.020 ≤0.0010≤0.0009≤0.0030≤0.050≤0.04 ≤0.075 ≤0.002 Super high-quality steel ≤0.25≤0.25≤0.015 ≤0.015 ≤0.0010≤0.0006≤0.0015≤0.050≤0.04 ≤0.075 ≤0.002 Note:The oxygen content is tested in billets or rolled steels;The composition in steel grade GCr15SiMn,GCr15SiMo,and GCr18Mo is allowed 0.0005%addition. 106~4.6×106,轴承钢C中Ca的质量分数在1×106 较小，在82×106~9.5×106范围内，轴承钢C中 左右，波动较小，轴承钢A、B中Ca含量均为痕 Ti的质量分数最小值与轴承钢A将近，但其波动 量.轴承钢Ca含量与钙铝酸盐类夹杂物的长大密 较大，在8.1×106~12.0×106范围内.轴承钢B与 切相关，而轴承钢中该类夹杂物对疲劳寿命影响 轴承钢D中Ti含量相对较高.轴承钢中Ti含量与 较大，因此在冶炼过程中应尽量降低轴承钢中 氨化钛类夹杂物相关，Tⅰ含量的增加会导致氨化 Ca含量.轴承钢A中Ti的质量分数较低，且波动 钛类夹杂物的数量及尺寸增加. (a) (b) 4 16 3 12 8 1 A B D B D Steel type Steel type 90 (c) (d) 8 7 70 6 0 5 0 4 40 2 uao 30 20 10 0 Steel type Steel type 图3国内外轴承钢主要杂质元素对比.(a)Ca:(b)Ti:(c)T.O:(d)N Fig.3 Composition of main impurity elements in domestic and foreign bearing steels:(a)Ca;(b)Ti (c)T.O (d)N 轴承钢B中全氧量最低，为2×106~4×106，轴 物夹杂与析出物夹杂，其中氧化物夹杂包括：尖晶 承钢A中全氧量较高，为4×106~8×10.轴承钢 石类(Mg-Al-O)、钙铝酸盐类(Ca-Al-O-S)和硅 C与轴承钢D中全氧含量与轴承钢B相比均稍 酸盐(Si-Al-(Ca)-O)类；析出物夹杂包括：氨化钛 高，轴承钢C中全氧量为6×106~8×106；轴承钢 类(TN)和硫化锰类(MnS).高碳铬轴承钢A、B、 D中全氧量为5×106~6×106.轴承钢C与轴承钢 C和D热轧棒材中极少发现纯氧化铝类(A1-O)类 D中氨含量与轴承钢A与轴承钢B相比均较低， 夹杂物.6类夹杂物的尺寸特征与个数密度特 其中轴承钢A中氨含量最高，为79×106~83×106 征如图4所示. 2.2主要夹杂物对比 (1)尖晶石类夹杂物. 轴承钢中的显微夹杂物主要分为两类：氧化 轴承钢A中尖晶石类夹杂物的个数密度最
10−6～4.6×10−6，轴承钢 C 中 Ca 的质量分数在 1×10−6 左右，波动较小，轴承钢 A、B 中 Ca 含量均为痕 量. 轴承钢 Ca 含量与钙铝酸盐类夹杂物的长大密 切相关，而轴承钢中该类夹杂物对疲劳寿命影响 较大 ，因此在冶炼过程中应尽量降低轴承钢中 Ca 含量. 轴承钢 A 中 Ti 的质量分数较低，且波动 较小 ，在 8.2×10−6～9.5×10−6 范围内 ，轴承钢 C 中 Ti 的质量分数最小值与轴承钢 A 将近，但其波动 较大，在 8.1×10−6～12.0×10−6 范围内. 轴承钢 B 与 轴承钢 D 中 Ti 含量相对较高. 轴承钢中 Ti 含量与 氮化钛类夹杂物相关，Ti 含量的增加会导致氮化 钛类夹杂物的数量及尺寸增加. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 A (c) B Total oxygen mass fraction/10−6 Steel type C D 5 4 3 2 1 0 A (a) B Ca mass fraction/10−6 Steel type C D 16 12 8 4 0 A (b) B Ti mass fraction/10−6 Steel type C D 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 A (d) B Nitrogen mass fraction/10−6 Steel type C D 图 3 国内外轴承钢主要杂质元素对比. （a）Ca；（b）Ti；（c）T.O；（d）N Fig.3 Composition of main impurity elements in domestic and foreign bearing steels: (a) Ca; (b) Ti; (c) T.O; (d) N 轴承钢 B 中全氧量最低，为 2×10−6～4×10−6，轴 承钢 A 中全氧量较高，为 4×10−6～8×10−6 . 轴承钢 C 与轴承钢 D 中全氧含量与轴承钢 B 相比均稍 高，轴承钢 C 中全氧量为 6×10−6～8×10−6；轴承钢 D 中全氧量为 5×10−6～6×10−6 . 轴承钢 C 与轴承钢 D 中氮含量与轴承钢 A 与轴承钢 B 相比均较低， 其中轴承钢 A 中氮含量最高，为 79×10−6～83×10−6 . 2.2 主要夹杂物对比 轴承钢中的显微夹杂物主要分为两类：氧化 物夹杂与析出物夹杂，其中氧化物夹杂包括：尖晶 石类（Mg‒Al‒O）、钙铝酸盐类（Ca‒Al‒O‒S）和硅 酸盐（Si‒Al‒(Ca)‒O）类；析出物夹杂包括：氮化钛 类（TiN）和硫化锰类（MnS）. 高碳铬轴承钢 A、B、 C 和 D 热轧棒材中极少发现纯氧化铝类（Al‒O）类 夹杂物. 6 类夹杂物[12] 的尺寸特征与个数密度特 征如图 4 所示. （1）尖晶石类夹杂物. 轴承钢 A 中尖晶石类夹杂物的个数密度最 表 1 GB/T 18254—2016 高碳铬轴承钢中残余元素含量要求（质量分数） Table 1 Requirements of residual elements in high carbon chromium bearing steel in GB/T 18254—2016 % Metallurgical quality Ni Cu P S Ca O a Tib Al As As+Sn+Sb Pb High-quality steel ≤0.25 ≤0.25 ≤0.025 ≤0.020 ― ≤0.0012 ≤0.0050 ≤0.050 ≤0.04 ≤0.075 ≤0.002 Advanced high-quality steel ≤0.25 ≤0.25 ≤0.020 ≤0.020 ≤0.0010 ≤0.0009 ≤0.0030 ≤0.050 ≤0.04 ≤0.075 ≤0.002 Super high-quality steel ≤0.25 ≤0.25 ≤0.015 ≤0.015 ≤0.0010 ≤0.0006 ≤0.0015 ≤0.050 ≤0.04 ≤0.075 ≤0.002 Note: a The oxygen content is tested in billets or rolled steels; b The composition in steel grade GCr15SiMn, GCr15SiMo, and GCr18Mo is allowed 0.0005% addition. 顾 超等： 高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 · 301 ·
302 工程科学学报，第43卷，第3期 (a) (b (c) 1.5 15 15 10 1.0 0.5 0.5 B B Steel type Steel type Steel type 16(d 30 Average size 「(e) 1 30 (① Average size 12 Average size 20 8 6 10 10 4 B 0 0 C 0 B Steel type Steel type Steel type (h) 1.5 20 .0 t-wwyuoisn jou apijins 15 10 B C D B Steel type Steel type 12 Average size 14 0) Average size 12 8 10 8 6 6 4 4 2 0 D A B C D Steel type Steel type 图4国内外轴承钢主要夹杂物对比.(a)尖晶石类夹杂物个数密度：(b)钙铝酸盐类夹杂物个数密度：(c)硅酸盐类夹杂物个数密度：(d)尖品石类 夹杂物尺寸分布：()钙铝酸盐类夹杂物尺寸分布：(f)硅酸盐类夹杂物尺寸分布：(g)氨化钛类夹杂物个数密度：(h)硫化锰类夹杂物个数密度： ()氮化钛类夹杂物尺寸分布：(G)硫化锰类夹杂物尺寸分布 Fig.4 Composition of main inclusion in domestic and foreign bearing steels:(a)number density of spinel inclusion;(b)size distribution of spinel inclusion;(c)number density of calcium aluminate inclusion;(d)size distribution of calcium aluminate inclusion;(e)number density of silicate inclusion; (f)size distribution of silicate inclusion;(g)number density of titanium nitride inclusion;(h)size distribution of titanium nitride inclusion;(i)number density of manganese sulfide inclusion;(j)size distribution of manganese sulfide inclusion 大，为1.3mm2,但其平均尺寸及最大尺寸均较小， (C:1.1mm2;D:1.6mm2)均高于轴承钢A与B中 分别为2.3及7.4um.轴承钢C中尖晶石类夹杂物 的钙铝酸盐类夹杂物(A:0.6mm2:B:0.4mm2) 的个数密度仅次于国外A轴承钢，其个数密度为 此外，4种轴承钢平均尺寸虽差别不大，但最大尺 0.9mm2,但其平均尺寸较大，且最大尺寸为4种 寸相差较大.轴承钢C与D的最大尺寸分别为 轴承钢中最大，为13.4um.轴承钢B与轴承钢 28.6和29.8m,轴承钢A与B的最大尺寸分别为 D个数密度较低，均为0.7mm2,其中轴承钢B中 20.5和15.5m.轴承钢中该类夹杂物的尺寸通常 尖晶石类夹杂物的平均尺寸与最大尺寸均较高， 较大，其对疲劳寿命的影响较为突出 分别为3.3及10.8m (3)硅酸盐类夹杂物 (2)钙铝酸盐类夹杂物 4种轴承钢中硅酸盐类夹杂物的个数密度与 轴承钢C与D中钙铝酸盐类夹杂物的个数密度 尖晶石类夹杂物和钙铝酸盐类夹杂物相比较小
大，为 1.3 mm−2，但其平均尺寸及最大尺寸均较小， 分别为 2.3 及 7.4 μm. 轴承钢 C 中尖晶石类夹杂物 的个数密度仅次于国外 A 轴承钢，其个数密度为 0.9 mm−2，但其平均尺寸较大，且最大尺寸为 4 种 轴承钢中最大 ，为 13.4 μm. 轴承钢 B 与轴承钢 D 个数密度较低，均为 0.7 mm−2，其中轴承钢 B 中 尖晶石类夹杂物的平均尺寸与最大尺寸均较高， 分别为 3.3 及 10.8 μm. （2）钙铝酸盐类夹杂物. 轴承钢 C 与 D 中钙铝酸盐类夹杂物的个数密度 （C：1.1 mm−2 ；D：1.6 mm−2）均高于轴承钢 A 与 B 中 的钙铝酸盐类夹杂物（A： 0.6 mm−2 ；B： 0.4 mm−2） . 此外，4 种轴承钢平均尺寸虽差别不大，但最大尺 寸相差较大. 轴承钢 C 与 D 的最大尺寸分别为 28.6 和 29.8 μm，轴承钢 A 与 B 的最大尺寸分别为 20.5 和 15.5 μm. 轴承钢中该类夹杂物的尺寸通常 较大，其对疲劳寿命的影响较为突出. （3）硅酸盐类夹杂物. 4 种轴承钢中硅酸盐类夹杂物的个数密度与 尖晶石类夹杂物和钙铝酸盐类夹杂物相比较小， 1.5 1.0 0.5 0 A (g) B Number density of titanium nitride inclusion/mm−2 Steel type C D 15 25 20 10 5 0 A (h) Number density of manganese B sulfide inclusion/mm−2 Steel type C D 12 10 8 6 4 2 0 A (i) Average size B Size of titanium nitride inclusion/μm Steel type C D 14 12 10 8 6 4 2 0 A (j) Average size B Size of manganese sulfide inclusion/μm Steel type C D 1.5 1.0 0.5 0 A (a) B Number density of spinel inclusion/mm−2 Steel type C D 1.5 1.0 0.5 0 A (b) B Number density of calcium aluminate inclusion/mm−2 Steel type C D 1.5 1.0 0.5 0 A (c) B Number density of silicate inclusion/mm−2 Steel type C D 16 14 12 10 8 6 4 2 0 A (d) Average size B Size of spinel inclusion/μm Steel type C D 30 25 20 15 10 5 0 A (e) Average size B Size of calcium aluminate inclusion/μm Steel type C D 30 20 10 0 A (f) Average size B Size of silicate inclusion/μm Steel type C D 图 4 国内外轴承钢主要夹杂物对比. （a）尖晶石类夹杂物个数密度；（b）钙铝酸盐类夹杂物个数密度；（c）硅酸盐类夹杂物个数密度；（d）尖晶石类 夹杂物尺寸分布；（e）钙铝酸盐类夹杂物尺寸分布；（f）硅酸盐类夹杂物尺寸分布；（g）氮化钛类夹杂物个数密度；（h）硫化锰类夹杂物个数密度； （i）氮化钛类夹杂物尺寸分布；（j）硫化锰类夹杂物尺寸分布 Fig.4 Composition of main inclusion in domestic and foreign bearing steels: (a) number density of spinel inclusion; (b) size distribution of spinel inclusion; (c) number density of calcium aluminate inclusion; (d) size distribution of calcium aluminate inclusion; (e) number density of silicate inclusion; (f) size distribution of silicate inclusion; (g) number density of titanium nitride inclusion; (h) size distribution of titanium nitride inclusion; (i) number density of manganese sulfide inclusion; (j) size distribution of manganese sulfide inclusion · 302 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期
顾超等：高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 303· 其中轴承钢B中硅酸盐类夹杂物个数密度为4种 钢B中夹杂物的控制思路相似，但其中氧化物类 轴承钢中最大，为0.4m2,其余3种轴承钢中硅 夹杂与全氧含量的控制水平与轴承钢B相比稍 酸盐类夹杂物的个数密度均在0.2mm2及以下 差，因此导致了其疲劳性能仍需进一步提升 轴承钢B中硅酸盐类夹杂物的平均尺寸与最大尺 (5)硫化锰类夹杂物 寸也较大，分别为8.5和31.4m 4种轴承钢中硫化锰的个数密度与其他种类 (4)氨化钛类夹杂物 夹杂物相比均较大，其中轴承钢A和B中硫化锰 轴承钢A中的氨化钛类夹杂物个数密度极 类夹杂物的个数密度与轴承钢C和D相比较小， 低，为0.1mm2,其平均尺寸与最大尺寸也为4种 分别为5.8与10.0mm2.4种轴承钢中该类夹杂物 轴承钢中最低，分别为2.2与4.0m.轴承钢B、 的平均尺寸均在2m及以下，最大尺寸在8.8m C与D轴承钢中氨化钛类夹杂物的个数密度及尺 及13.6m范围内. 寸均相对较高.轴承钢A与B轴承钢代表国外高 2.3疲劳寿命对比 质量轴承钢中夹杂物的2种控制思路.轴承钢 图5(a)为轴承钢A、B、C和D的应力-疲劳 A严格控制钢中Ti含量与氨化钛类夹杂物的尺寸 寿命(S-N)曲线与超高周疲劳性能对比2]如图 及数量，而其中全氧含量及氧化物类夹杂数量则 所示，4种轴承钢中轴承钢A疲劳性能最好，其次 稍高；轴承钢B则严格控制钢中全氧含量及氧化 为轴承钢B与C,其S-N曲线相近，轴承钢D疲劳 物类夹杂，而对T含量及氮化钛类夹杂物的控制 性能最差，且波动较大 稍弱.轴承钢C与D中的夹杂物控制思路与轴承 4种轴承钢的疲劳断裂裂纹源均在试样内部， (b) 1300 ,(a) 1230 mm 200m 100 1050 0 <m 1000 D 950 108 109 N ,20μm (c) mm 20 um 图5国内外轴承钢典型疲劳特征.(a)疲劳寿命对比：(b)钙铝酸盐类夹杂物致疲劳断口形貌（轴承钢B)问，(c)尖品石类类夹杂物致疲劳断口形 貌（轴承钢C)叫，(d)氨化钛类类夹杂物致疲劳断口形貌（轴承钢D)四！ Fig.5 Typical fatigue characterization of domestic and foreign bearing steels:(a)comparison of fatigue lifels;(b)morphology of fatigue fracture induced by calcium aluminate inclusion(bearing steel B)(c)morphology of fatigue fracture induced by spinel inclusion(bearing steel C)(d)morphology of fatigue fracture induced by titanium nitride inclusion(bearing steel D)
其中轴承钢 B 中硅酸盐类夹杂物个数密度为 4 种 轴承钢中最大，为 0.4 mm−2，其余 3 种轴承钢中硅 酸盐类夹杂物的个数密度均在 0.2 mm−2 及以下. 轴承钢 B 中硅酸盐类夹杂物的平均尺寸与最大尺 寸也较大，分别为 8.5 和 31.4 μm. （4）氮化钛类夹杂物. 轴承钢 A 中的氮化钛类夹杂物个数密度极 低，为 0.1 mm−2，其平均尺寸与最大尺寸也为 4 种 轴承钢中最低，分别为 2.2 与 4.0 μm. 轴承钢 B、 C 与 D 轴承钢中氮化钛类夹杂物的个数密度及尺 寸均相对较高. 轴承钢 A 与 B 轴承钢代表国外高 质量轴承钢中夹杂物的 2 种控制思路. 轴承钢 A 严格控制钢中 Ti 含量与氮化钛类夹杂物的尺寸 及数量，而其中全氧含量及氧化物类夹杂数量则 稍高；轴承钢 B 则严格控制钢中全氧含量及氧化 物类夹杂，而对 Ti 含量及氮化钛类夹杂物的控制 稍弱. 轴承钢 C 与 D 中的夹杂物控制思路与轴承 钢 B 中夹杂物的控制思路相似，但其中氧化物类 夹杂与全氧含量的控制水平与轴承钢 B 相比稍 差，因此导致了其疲劳性能仍需进一步提升. （5）硫化锰类夹杂物. 4 种轴承钢中硫化锰的个数密度与其他种类 夹杂物相比均较大，其中轴承钢 A 和 B 中硫化锰 类夹杂物的个数密度与轴承钢 C 和 D 相比较小， 分别为 5.8 与 10.0 mm−2 . 4 种轴承钢中该类夹杂物 的平均尺寸均在 2 μm 及以下，最大尺寸在 8.8 μm 及 13.6 μm 范围内. 2.3 疲劳寿命对比 图 5（a）为轴承钢 A、B、C 和 D 的应力‒疲劳 寿命（S‒N）曲线与超高周疲劳性能对比[12] . 如图 所示，4 种轴承钢中轴承钢 A 疲劳性能最好，其次 为轴承钢 B 与 C，其 S‒N 曲线相近，轴承钢 D 疲劳 性能最差，且波动较大. 4 种轴承钢的疲劳断裂裂纹源均在试样内部， 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 Stress amplitude/MPa 107 108 A (a) B C D Nf 109 1 mm 200 μm 20 μm (b) Mg Ca Mn Al Si Fe S O (c) 1 mm 10 μm 20 μm 100 μm (d) 1 mm 100 μm Mg Al Fe Fe 0 2 4 Energy/keV Intensity (counts) 6 8 10 O 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Ti N Cr Fe 0 2 4 Energy/keV Intensity (counts) 6 8 10 V 3 2 1 0 图 5 国内外轴承钢典型疲劳特征. （a）疲劳寿命对比[3] ；（b）钙铝酸盐类夹杂物致疲劳断口形貌（轴承钢 B） [3] ；（c）尖晶石类类夹杂物致疲劳断口形 貌（轴承钢 C） [12] ；（d）氮化钛类类夹杂物致疲劳断口形貌（轴承钢 D） [12] Fig.5 Typical fatigue characterization of domestic and foreign bearing steels: (a) comparison of fatigue life[3] ; (b) morphology of fatigue fracture induced by calcium aluminate inclusion (bearing steel B)[3] ; (c) morphology of fatigue fracture induced by spinel inclusion (bearing steel C)[12] ; (d) morphology of fatigue fracture induced by titanium nitride inclusion (bearing steel D)[12] 顾 超等： 高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 · 303 ·
304 工程科学学报，第43卷，第3期 裂纹源由夹杂物或基体不均匀导致，裂纹源周围 3.1脱氧历史回顾 可观察到“鱼眼”结构.4种轴承钢裂纹源处夹杂 炼钢过程中脱氧的工艺技术进步和脱氧材料 物种类类似，主要为钙铝酸盐类夹杂物，有少量尖 的生产选用，经历了一个漫长的历史过程（图6） 晶石及氨化钛类夹杂物，典型断口形貌如图5(b)~ 19世纪末和20世纪初，铁合金工业逐年发展，只 (d)所示 含有一种主要元素的铁合金，硅铁、锰铁、铬铁等 3轴承钢洁净度控制方法 相继被开发，并在炼钢的脱氧和合金化中得到应 用.然而，单一元素的脱氧效果较差，且其脱氧产 对于钢材来讲，钢中夹杂物是反应钢材洁净 物从钢中排除非常缓慢)此时的脱氧理论认为 度的重要指标，而钢中夹杂物可分为氧化物夹 用铝脱氧时，生成的脱氧产物A12O3,因为熔点高， 杂与析出物夹杂，其中氧化物夹杂的种类、数量等 难以聚集长大从钢水中排出，会污染钢水，而使用 特征主要受脱氧过程影响，本节主要对轴承钢 硅铁代替铝脱氧可以降低炼钢成本，改善钢的力 脱氧历史以及主要脱氧方式进行介绍，在全氧含 学性能.20世纪50年代，随着学者们对钢中夹 量较低的前提下，深入分析不同脱氧方式的优缺 杂物的深入认识，部分学者认为A12O3与钢水之间 点，并探讨国产轴承钢洁净度进一步提高的发展 的界面张力大，且A!元素脱氧能力极强，为了降低 方向. [O,提高钢的洁净度，铝脱氧轴承钢又成为主流 Converter-Vacuum degassing →Commercial→High purity→Super-high purity Non-Al single Al Partial Si element deoxidation deoxidation deoxidation 'Mainly used in spring steel,cord steel and so on 19h century 20hcentury 21s century Time 图6国内钢材冶炼脱氧技术发展 Fig.6 Development of deoxidation methods of domestic steels 20世纪60年代前后，由于连铸工艺的迅速推 至低于铝脱氧钢，但在国内，轴承钢的冶炼仍较少 广，连铸机中间包水口堵塞成为一个突出的问题， 使用硅脱氧技术 影响铝脱氧钢使用连铸机)Ofengenden与 3.2铝脱氧工艺下的超低氧控制 Nesterovich!6证实铝使用量的减少对钢的浇铸有 3.2.1铝脱氧特点 积极作用，并可以降低钢液的粘度.因此，为了保 铝是一种强脱氧剂，反应迅速、脱氧能力强， 证A1对钢中氧的脱除效率，同时减少铝脱氧引起 可使钢中残留氧量降低到0.002%~0.003%2四国 的水口堵塞，轴承钢的冶炼开始采用钙处理7，通 外学者从热力学计算和试验角度研究了A1-O平 过Ca对钢中AlO3类夹杂物进行变性，使之生成 衡的脱氧常数K,如表2所示，理论计算和无氧环 钙铝酸盐类夹杂物. 境下平衡常数可达10“左右，实际生产中处于氧 20世纪后期，由于精炼技术的推广，有些原来 化气氛，A1-0平衡常数一般取10左右3-2刘对 用铝脱氧的钢种再次尝试硅脱氧，主要包括弹簧 比加入Si-Ca.Si-Mn.Si,Al,Zr和Ti等脱氧剂，发 钢8-1、不锈钢20、帘线钢2等.随着冶炼技术的 现用铝脱氧时钢中全氧含量最低，当钢液铝加入 进步，通过铁水预处理、二次精炼等处理手段和炼 量为0.03%时，夹杂物总量可降至0.006%2 钢工艺过程的控制，弹簧钢、帘线钢等硅脱氧钢的 铝在钢中也可以起到细化晶粒，降低焊接和 纯净度达到一个新水平，其全氧含量可以等于甚 时效敏感性的作用.金属铝同时可以降低奥氏体
裂纹源由夹杂物或基体不均匀导致，裂纹源周围 可观察到“鱼眼”结构. 4 种轴承钢裂纹源处夹杂 物种类类似，主要为钙铝酸盐类夹杂物，有少量尖 晶石及氮化钛类夹杂物，典型断口形貌如图 5（b）～ （d）所示. 3 轴承钢洁净度控制方法 对于钢材来讲，钢中夹杂物是反应钢材洁净 度的重要指标，而钢中夹杂物可分为氧化物夹 杂与析出物夹杂，其中氧化物夹杂的种类、数量等 特征主要受脱氧过程影响，本节主要对轴承钢 脱氧历史以及主要脱氧方式进行介绍，在全氧含 量较低的前提下，深入分析不同脱氧方式的优缺 点，并探讨国产轴承钢洁净度进一步提高的发展 方向. 3.1 脱氧历史回顾 炼钢过程中脱氧的工艺技术进步和脱氧材料 的生产选用，经历了一个漫长的历史过程（图 6）. 19 世纪末和 20 世纪初，铁合金工业逐年发展，只 含有一种主要元素的铁合金，硅铁、锰铁、铬铁等 相继被开发，并在炼钢的脱氧和合金化中得到应 用. 然而，单一元素的脱氧效果较差，且其脱氧产 物从钢中排除非常缓慢[13] . 此时的脱氧理论认为 用铝脱氧时，生成的脱氧产物 Al2O3，因为熔点高， 难以聚集长大从钢水中排出，会污染钢水，而使用 硅铁代替铝脱氧可以降低炼钢成本，改善钢的力 学性能[14] . 20 世纪 50 年代，随着学者们对钢中夹 杂物的深入认识，部分学者认为 Al2O3 与钢水之间 的界面张力大，且 Al 元素脱氧能力极强，为了降低 [O]，提高钢的洁净度，铝脱氧轴承钢又成为主流. Converter→Vacuum degassing→Commercial→High purity→Super-high purity Non-Al single element deoxidation Al deoxidation *Partial Si deoxidation *Mainly used in spring steel, cord steel and so on 21st 20 century th 19 century th century Time Total oxygen content in steel 图 6 国内钢材冶炼脱氧技术发展 Fig.6 Development of deoxidation methods of domestic steels 20 世纪 60 年代前后，由于连铸工艺的迅速推 广，连铸机中间包水口堵塞成为一个突出的问题， 影 响 铝 脱 氧 钢 使 用 连 铸 机 [15] . Ofengenden 与 Nesterovich[16] 证实铝使用量的减少对钢的浇铸有 积极作用，并可以降低钢液的粘度. 因此，为了保 证 Al 对钢中氧的脱除效率，同时减少铝脱氧引起 的水口堵塞，轴承钢的冶炼开始采用钙处理[17] ，通 过 Ca 对钢中 Al2O3 类夹杂物进行变性，使之生成 钙铝酸盐类夹杂物. 20 世纪后期，由于精炼技术的推广，有些原来 用铝脱氧的钢种再次尝试硅脱氧，主要包括弹簧 钢[18−19]、不锈钢[20]、帘线钢[21] 等. 随着冶炼技术的 进步，通过铁水预处理、二次精炼等处理手段和炼 钢工艺过程的控制，弹簧钢、帘线钢等硅脱氧钢的 纯净度达到一个新水平，其全氧含量可以等于甚 至低于铝脱氧钢，但在国内，轴承钢的冶炼仍较少 使用硅脱氧技术. 3.2 铝脱氧工艺下的超低氧控制 3.2.1 铝脱氧特点 铝是一种强脱氧剂，反应迅速、脱氧能力强， 可使钢中残留氧量降低到 0.002%～0.003% [22] . 国 外学者从热力学计算和试验角度研究了 Al‒O 平 衡的脱氧常数 Kd，如表 2 所示，理论计算和无氧环 境下平衡常数可达 10−14 左右，实际生产中处于氧 化气氛，Al‒O 平衡常数一般取 10−9 左右[23−24] . 对 比加入 Si‒Ca，Si‒Mn，Si，Al，Zr 和 Ti 等脱氧剂，发 现用铝脱氧时钢中全氧含量最低，当钢液铝加入 量为 0.03% 时，夹杂物总量可降至 0.006% [25] . 铝在钢中也可以起到细化晶粒，降低焊接和 时效敏感性的作用. 金属铝同时可以降低奥氏体 · 304 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期
顾超等：高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 305· 表2A-O平衡常数计算值和实验值对比 Table 2 Comparison of calculation results and experimental data of Al-O equilibrium constant Thermodynamic calculation Experiments without oxygen Experiments with oxygen Researchers -lg Ka Researchers -Ig Ka Researchers -lg Ka Chipman 14 Chipman 14 Hessenbruch 9 Kubaschewski 15 Gller 13 Herty 9 Richardson 13 Kuznetchov 12 Wentrup 10 Sawamura 14 Eutrement 13 Hilty 9 Elliott 名 Fruehan 14 Repetylo 9 对碳化物的溶解度，以致由于其在晶界析出和球 通过对结瘤物进行成分分析，发现水口堵塞的瘤 化而产生形核作用.铝与氨结合产生的AN,起弥 粉与钢中夹杂物化学成分大致相同，主要是A12O3 散作用，对钢的原始晶粒度和促进晶粒长大有很 利用扫描电镜观察，呈颗粒状，大小在2~10m, 大影响25-2 各颗粒相互粘结形成珊瑚状和葡萄状结构，其间 然而，对铝脱氧钢进行连续浇铸时，往往会发 夹杂着凝钢（图7）27，且尺寸越小的A12O3粒子更 生水口结瘤堵塞现象，造成注流变细，甚至断流 容易沉积在壁面2 a (b) 2000(c A:a-Al2O; 1600 B:a-Fe A C:FeO-TiO, 1200 D:FeO-Al,O 800 A 400 A D 102030405060708090 20m 10μm 2a) 图7水口结瘤物形貌及成分可()内层结瘤物：(b)中间层结瘤物：(c)中间层结瘤物成分 Fig.7 Morphologies and composition of nuzzle clogging(a)inner clogging.(b)intermediate-layer clogging.(c)composition of intermediate-layer clogging 使用铝脱氧后，脱氧产物虽然易上浮脱除，但 (1)精炼渣控制. 相较于非铝脱氧钢，仍然会有较高含量的A2O3残 钢水脱氧后，钢液中[O]先与脱氧产物处于平 留在钢液中，铝脱氧生成的A12O3夹杂物主要为 衡，而后与精炼渣处于平衡.即[O]先受控于脱氧 簇群状和块状两类，A12O3类夹杂物坚硬，轧制过 产物，而后受控于精炼渣成分从热力学角度分 程不变形，外形呈尖角、块或链串状，对钢材的抗 析，同时降低[AI、[O]的关键是使A12O3的活度远 疲劳破坏性能非常有害29.Gladman指出刚玉、铝 小于1，即尽量生成低熔点的复合夹杂物，在炼钢 酸钙、尖晶石和方石英等夹杂物在钢的常规热加 温度下上浮去除.可以通过使用高碱度、高A1O3 工温度范围内为不变形夹杂物0，不能变形的球 炉渣，生成低熔点的12CaO-7Al2O3夹杂物来急剧 状氧化铝夹杂物和钙铝酸盐夹杂物通常较大，易 降低AlO3的活度，从而降低[AI和[O.SiO2含 造成轴承钢提前失效，同时，也有学者通过针对铝 量低的炉渣有利于夹杂物的转变，应尽量减少 脱氧轴承钢的疲劳实验及模拟证实了该论点2-) 炉渣中SO2含量，控制转炉下渣量，控制炉渣 32.2铝脱氧轴承钢夹杂物控制 w(CaO)hw(Al2O3)在1.6左右时，真空结束钢液中夹 目前国内轴承钢的生产多使用铝为脱氧剂， 杂物基本为低熔点的复合夹杂B) 配合高碱度渣对轴承钢进行脱氧与精炼，将钢中 胡文豪等研究发现当轴承钢中w(O)<0.0015% 全氧含量脱至极低.铝脱氧钢中不可避免地存在 的情况下，要保持钢中合适的酸溶铝含量，必须提 A12O3夹杂，为降低危害，使夹杂物尽可能多地被 高炉渣的碱度，以二元碱度R(w(CaO)hr(SiO2)尸 去除或者改性变为其它危害较低夹杂物，经常通 3.5~4.5为宜361.Kawakami指出，采用高碱度渣 过精炼渣控制和加入改性剂等方式对铝脱氧钢进 系生产的铝脱氧轴承钢，夹杂物主要为CaO- 行处理 Al2O3系或CaO-Mg0系夹杂物，而采用较低碱度
对碳化物的溶解度，以致由于其在晶界析出和球 化而产生形核作用. 铝与氮结合产生的 AlN，起弥 散作用，对钢的原始晶粒度和促进晶粒长大有很 大影响[25−26] . 然而，对铝脱氧钢进行连续浇铸时，往往会发 生水口结瘤堵塞现象，造成注流变细，甚至断流. 通过对结瘤物进行成分分析，发现水口堵塞的瘤 粉与钢中夹杂物化学成分大致相同，主要是 Al2O3 . 利用扫描电镜观察，呈颗粒状，大小在 2～10 μm， 各颗粒相互粘结形成珊瑚状和葡萄状结构，其间 夹杂着凝钢（图 7） [27] ，且尺寸越小的 Al2O3 粒子更 容易沉积在壁面[28] . 10 2000 (c) A: α−Al2O3 B: α−Fe C: FeO−TiO2 D: FeO−Al2O3 A C A C A A A A A A D B D B D D C B 1600 1200 800 400 0 20 30 40 50 2θ/(°) Intensity (counts) 60 70 80 90 (a) 20 μm 10 μm (b) 图 7 水口结瘤物形貌及成分[27] . （a）内层结瘤物；（b）中间层结瘤物；（c）中间层结瘤物成分 Fig.7 Morphologies and composition of nuzzle clogging[27] : (a) inner clogging; (b) intermediate-layer clogging; (c) composition of intermediate-layer clogging 使用铝脱氧后，脱氧产物虽然易上浮脱除，但 相较于非铝脱氧钢，仍然会有较高含量的 Al2O3 残 留在钢液中. 铝脱氧生成的 Al2O3 夹杂物主要为 簇群状和块状两类，Al2O3 类夹杂物坚硬，轧制过 程不变形，外形呈尖角、块或链串状，对钢材的抗 疲劳破坏性能非常有害[29] . Gladman 指出刚玉、铝 酸钙、尖晶石和方石英等夹杂物在钢的常规热加 工温度范围内为不变形夹杂物[30] ，不能变形的球 状氧化铝夹杂物和钙铝酸盐夹杂物通常较大，易 造成轴承钢提前失效[31] ，同时，也有学者通过针对铝 脱氧轴承钢的疲劳实验及模拟证实了该论点[32−33] . 3.2.2 铝脱氧轴承钢夹杂物控制 目前国内轴承钢的生产多使用铝为脱氧剂， 配合高碱度渣对轴承钢进行脱氧与精炼，将钢中 全氧含量脱至极低. 铝脱氧钢中不可避免地存在 Al2O3 夹杂，为降低危害，使夹杂物尽可能多地被 去除或者改性变为其它危害较低夹杂物，经常通 过精炼渣控制和加入改性剂等方式对铝脱氧钢进 行处理. （1）精炼渣控制. 钢水脱氧后，钢液中 [O] 先与脱氧产物处于平 衡，而后与精炼渣处于平衡. 即 [O] 先受控于脱氧 产物，而后受控于精炼渣成分[6] . 从热力学角度分 析，同时降低 [Al]、[O] 的关键是使 Al2O3 的活度远 小于 1，即尽量生成低熔点的复合夹杂物，在炼钢 温度下上浮去除. 可以通过使用高碱度、高 Al2O3 炉渣，生成低熔点的 12CaO·7Al2O3 夹杂物来急剧 降低 Al2O3 的活度，从而降低 [Al] 和 [O][34] . SiO2 含 量低的炉渣有利于夹杂物的转变，应尽量减少 炉 渣 中 SiO2 含量 ，控制转炉下渣量 ，控制炉 渣 w(CaO)/w(Al2O3 ) 在 1.6 左右时，真空结束钢液中夹 杂物基本为低熔点的复合夹杂[35] . 胡文豪等研究发现当轴承钢中 w(O)<0.0015% 的情况下，要保持钢中合适的酸溶铝含量，必须提 高炉渣的碱度 ，以二元碱 度 R(w(CaO)/w(SiO2 ))= 3.5～4.5 为宜[36] . Kawakami 指出，采用高碱度渣 系生产的铝脱氧轴承钢 ，夹杂物主要 为 CaO ‒ A12O3 系或 CaO‒MgO 系夹杂物，而采用较低碱度 表 2 Al‒O 平衡常数计算值和实验值对比 Table 2 Comparison of calculation results and experimental data of Al‒O equilibrium constant Thermodynamic calculation Experiments without oxygen Experiments with oxygen Researchers -lg Kd Researchers -lg Kd Researchers -lg Kd Chipman 14 Chipman 14 Hessenbruch 9 Kubaschewski 15 Gller 13 Herty 9 Richardson 13 Kuznetchov 12 Wentrup 10 Sawamura 14 Eutrement 13 Hilty 9 Elliott 14 Fruehan 14 Repetylo 9 顾 超等： 高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 · 305 ·
306 工程科学学报，第43卷，第3期 渣系生产的轴承钢中夹杂物主要为CaO-SiO2-A12O3 50%,熔点低，硬度比A12O3软的球状Ca02A1203、 系.对于其中原因，该学者认为，Ca0-Si02-A1203 Ca0Al203、12Ca07A1203或3Ca0Al203等 系夹杂物来自炉渣参与的钢液脱氧反应，当采用 随着冶炼技术的进步，铝脱氧时钢中的氧化 较低碱度渣系时，炉渣参与脱氧生成的非金属夹 铝夹杂含量及尺寸可被控制至极低，此时钙处理 杂物中含较多SiO2,精炼结束时仍不足于使CaO- 的劣势逐渐凸显出来.使用钙处理时，钢中的氧化 SiO2-A12O3系夹杂物中SiO2完全被钢液中的[A1 铝虽可被变性，但形成的钙铝酸盐类夹杂物不可 还原B7 避免的易出现偶发性大颗粒，该类球型大颗粒夹 (2)加入改性剂 杂在轴承疲劳服役中易产生致命的影响，使服役 非金属夹杂物对特殊钢抗疲劳破坏性能的影 时间大幅缩短，造成轴承及轴承钢的质量波动大， 响与其在钢热加工时的变形能力有重要关系，如 因此在新国标中也规定取消轴承钢钙处理工艺 夹杂物变形很小或根本不变形，在钢基体与夹杂 为改质轴承钢中夹杂物，学者们逐渐展开了针对 物界面上会形成微裂纹、空洞等，在其后工件服役 镁处理切、稀土处理倒及复合处理啊等的研究， 过程容易成为疲劳破坏源.赵东伟等研究了不同 取得了较好的效果.质量波动大是影响我国轴承 物理性质的夹杂物在轧制过程中的变性特征发 钢进入高端产品市场的关键，部分企业现已具有 现，团簇状A12O3夹杂物在轧制过程中很容易被轧 通过铝脱氧技术冶炼低全氧特级优质轴承钢的能 碎，使之在板卷中形成点链状夹杂物；具有高熔点 力，平均全氧质量分数可达到6×106，甚至更低，但 的Al2O3或MgO-Al2O3夹杂物或低变性的CaO- 其稳定性仍需进一步提高 Al2O3夹杂物为核心，半包裹MnS的复合夹杂物， 3.3非铝脱氧工艺下的低氧及夹杂物无害化处理 在轧制过程中半包裹的MS在氧化物夹杂物表面 3.3.1非铝脱氧特点 发生滑移至夹杂物的一侧，形成小尾巴状夹杂物； 由于铝脱氧轴承钢冶炼技术的飞速发展，若 具有低熔点的CaO-Al2O3夹杂物为核心，半包裹 在此基础上希望进一步提高钢材洁净度、降低钢 MnS的复合夹杂物，其在轧制过程一起变形，形成 中全氧含量，意味着技术、装备、原料、成本等的 连续变形的条状夹杂物3（图8） 大幅度提升.因此，逐渐有部分国内学者及企业开 始尝试将非铝脱氧运用于轴承钢生产中 Slab Rolling process Coiled sheet Route 1 Al:O,cluster 般认为，如仅采用Si、Mn等非铝脱氧剂进 ●·●。●● Al2O;or MgO-Al-O;or 行脱氧，由于脱氧能力所限，钢中夹杂物及全氧含 CaO-Al,O,with low deformability 量会远高于铝脱氧轴承钢，且凝固前钢液中溶解 Route2● ● MnS 氧[O]的质量分数只能降低至0.002%~0.004%，而 钢凝固后此部分溶解[O]绝大多数会保留在钢中， .CaO-Al2O3 with fine deformability Route 3 以氧化物或氧硫化物类夹杂物的形式在钢的晶界 MnS 处析出，对钢的延性、抗疲劳性能、抗腐蚀性能等 图8铝脱氧钢中夹杂物的变形路径 会带来不利影响然而，随着冶炼技术的进步及 Fig.8 Deformation path of inclusions in Al deoxidation steel 设备状态的提升，在国内非铝脱氧技术的工业实 为了消除铝脱氧轴承钢中主要脱氧产物 践中，也有存在部分试验成功实现了低氧的非铝 Al2O3夹杂的危害，传统冶炼技术大多采用对钢水 脱氧轴承钢冶炼，在改变夹杂物种类的同时，保证 进行钙处理，把高熔点的A12O3夹杂转变成低熔 夹杂物的数量及尺寸较低.Gu等对比了全氧的 点的铝酸钙B由于1600℃时Ca的蒸气压为 质量分数分别为8×106和14×106的铝脱氧轴承 l.85kPa,所以钙通常以Ca-Si、Ca-Al、Al-Ca-Si、 钢与非铝脱氧轴承钢中的夹杂物特征及相应轴承 Ca-Si-Ba、A-Ca-Si-Ba、Ca-Si-Ce、Ca-Si-Mg等 钢的疲劳寿命，结果显示铝脱氧与非铝脱氧轴承 合金形式加人钢液.Deng和Zhuo-讨论了铝镇 钢棒材横截面上尖晶石类夹杂物最大尺寸相近， 静合金钢中的脱氧过程及夹杂物演变机理，根据 平均尺寸也无较大差异，但硅酸盐及钙铝酸盐尺 该研究的研究结果可知钢液中的Ca可以替换尖 寸差异较大，铝脱氧轴承钢中该两类夹杂物尺寸 晶石类夹杂物中的Mg,最终形成钙铝酸盐类复合 明显大于非铝脱氧轴承钢中该两类夹杂物尺寸 夹杂物.加钙后簇状A12O3可完全消除，处理后的 (图9).此外，铝脱氧钢中尖晶石个数密度大于非 夹杂物的质量分数为Ca040%~60%,A120340%~ 铝脱氧钢，硅酸盐个数密度小于非铝脱氧钢，而铝
渣系生产的轴承钢中夹杂物主要为 CaO‒SiO2‒A12O3 系. 对于其中原因，该学者认为，CaO‒SiO2‒A12O3 系夹杂物来自炉渣参与的钢液脱氧反应，当采用 较低碱度渣系时，炉渣参与脱氧生成的非金属夹 杂物中含较多 SiO2，精炼结束时仍不足于使 CaO‒ SiO2‒A12O3 系夹杂物中 SiO2 完全被钢液中的 [Al] 还原[37] . （2）加入改性剂. 非金属夹杂物对特殊钢抗疲劳破坏性能的影 响与其在钢热加工时的变形能力有重要关系，如 夹杂物变形很小或根本不变形，在钢基体与夹杂 物界面上会形成微裂纹、空洞等，在其后工件服役 过程容易成为疲劳破坏源. 赵东伟等研究了不同 物理性质的夹杂物在轧制过程中的变性特征发 现，团簇状 Al2O3 夹杂物在轧制过程中很容易被轧 碎，使之在板卷中形成点链状夹杂物；具有高熔点 的 Al2O3 或 MgO‒Al2O3 夹杂物或低变性的 CaO‒ Al2O3 夹杂物为核心，半包裹 MnS 的复合夹杂物， 在轧制过程中半包裹的 MnS 在氧化物夹杂物表面 发生滑移至夹杂物的一侧，形成小尾巴状夹杂物； 具有低熔点的 CaO‒Al2O3 夹杂物为核心，半包裹 MnS 的复合夹杂物，其在轧制过程一起变形，形成 连续变形的条状夹杂物[38] （图 8）. Route 1 Slab Rolling process Al2O3 cluster Al2O3 or MgO−Al2O3 or CaO−Al2O3 with low deformability MnS CaO−Al2O3 with fine deformability MnS Coiled sheet Route 2 Route 3 图 8 铝脱氧钢中夹杂物的变形路径 Fig.8 Deformation path of inclusions in Al deoxidation steel 为了消除铝脱氧轴承钢中主要脱氧产 物 Al2O3 夹杂的危害，传统冶炼技术大多采用对钢水 进行钙处理，把高熔点的 Al2O3 夹杂转变成低熔 点的铝酸钙 [39] . 由 于 1600 ℃ 时 Ca 的蒸气压 为 1.85 kPa，所以钙通常以 Ca‒Si、Ca‒Al、Al‒Ca‒Si、 Ca‒Si‒Ba、Al‒Ca‒Si‒Ba、Ca‒Si‒Ce、Ca‒Si‒Mg 等 合金形式加入钢液. Deng 和 Zhu[40−41] 讨论了铝镇 静合金钢中的脱氧过程及夹杂物演变机理，根据 该研究的研究结果可知钢液中的 Ca 可以替换尖 晶石类夹杂物中的 Mg，最终形成钙铝酸盐类复合 夹杂物. 加钙后簇状 A12O3 可完全消除，处理后的 夹杂物的质量分数为 CaO 40%～60%，A12O3 40%～ 50%，熔点低，硬度比 A12O3 软的球状 CaO·2A12O3、 CaO·A12O3、12CaO·7 A12O3 或 3CaO·A12O3 等[42] . 随着冶炼技术的进步，铝脱氧时钢中的氧化 铝夹杂含量及尺寸可被控制至极低，此时钙处理 的劣势逐渐凸显出来. 使用钙处理时，钢中的氧化 铝虽可被变性，但形成的钙铝酸盐类夹杂物不可 避免的易出现偶发性大颗粒，该类球型大颗粒夹 杂在轴承疲劳服役中易产生致命的影响，使服役 时间大幅缩短，造成轴承及轴承钢的质量波动大， 因此在新国标中也规定取消轴承钢钙处理工艺. 为改质轴承钢中夹杂物，学者们逐渐展开了针对 镁处理[43]、稀土处理[44] 及复合处理[45] 等的研究， 取得了较好的效果. 质量波动大是影响我国轴承 钢进入高端产品市场的关键，部分企业现已具有 通过铝脱氧技术冶炼低全氧特级优质轴承钢的能 力，平均全氧质量分数可达到 6×10−6，甚至更低，但 其稳定性仍需进一步提高. 3.3 非铝脱氧工艺下的低氧及夹杂物无害化处理 3.3.1 非铝脱氧特点 由于铝脱氧轴承钢冶炼技术的飞速发展，若 在此基础上希望进一步提高钢材洁净度、降低钢 中全氧含量，意味着技术、装备、原料、成本等的 大幅度提升. 因此，逐渐有部分国内学者及企业开 始尝试将非铝脱氧运用于轴承钢生产中. 一般认为，如仅采用 Si、Mn 等非铝脱氧剂进 行脱氧，由于脱氧能力所限，钢中夹杂物及全氧含 量会远高于铝脱氧轴承钢，且凝固前钢液中溶解 氧 [O] 的质量分数只能降低至 0.002%～0.004%，而 钢凝固后此部分溶解 [O] 绝大多数会保留在钢中， 以氧化物或氧硫化物类夹杂物的形式在钢的晶界 处析出，对钢的延性、抗疲劳性能、抗腐蚀性能等 会带来不利影响[24] . 然而，随着冶炼技术的进步及 设备状态的提升，在国内非铝脱氧技术的工业实 践中，也有存在部分试验成功实现了低氧的非铝 脱氧轴承钢冶炼，在改变夹杂物种类的同时，保证 夹杂物的数量及尺寸较低. Gu 等[46] 对比了全氧的 质量分数分别为 8×10−6 和 14×10−6 的铝脱氧轴承 钢与非铝脱氧轴承钢中的夹杂物特征及相应轴承 钢的疲劳寿命，结果显示铝脱氧与非铝脱氧轴承 钢棒材横截面上尖晶石类夹杂物最大尺寸相近， 平均尺寸也无较大差异，但硅酸盐及钙铝酸盐尺 寸差异较大，铝脱氧轴承钢中该两类夹杂物尺寸 明显大于非铝脱氧轴承钢中该两类夹杂物尺寸 （图 9）. 此外，铝脱氧钢中尖晶石个数密度大于非 铝脱氧钢，硅酸盐个数密度小于非铝脱氧钢，而铝 · 306 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期
顾超等：高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 307· 脱氧与非铝脱氧钢中的硅酸盐夹杂物的个数密度 全氧含量相近，但其在超高周范围的疲劳寿命 相近.同时，疲劳实验的结果显示，两种轴承钢虽 相近 且 。Process S (a) Process S (b) 20 D Process A -Average inclution size Process A 15 Critical inclution size area 000 (MgO)-AL,O Silicate Calcium-aluminate (MgO)-AL,O, Silicate Calcium-aluminate Inclution type Inclution type 图9非铝脱氧钢(S)和铝脱氧钢(A)中夹杂物对比.()尺寸：(b)密度 Fig.9 Comparison of inclusions in non-Al deoxidation steel (S)and Al deoxidation steel (L):(a)size;(b)number density 虽然国内对于非铝脱氧轴承钢的尝试较少， 中，合理控制炉渣成分，即选择炉渣碱度为 但在国外轴承钢冶炼中，已对非铝脱氧轴承钢进 2.5~3.0,渣中w(Al203)≤10%，渣中w(CaO)为45%~ 行了大量的尝试.德国Saar钢厂从1995年用Si脱 50%的炉渣成分，则可控制渣中SiO2活度在0.05~ 氧来生产滚珠轴承钢(A1的质量分数为0.001%). 0.20内，当钢中w[Als<0.004%,而w[Si]在0.6%左 水口堵塞显著低于原来用A1脱氧(AI的质量分数 右时，与其平衡的钢液全氧活度低于0.001%，可以 为0.024%)，在水口内没有沉积物.Saar钢厂生产 达到钢水脱氧的要求5)李阳等研究表明高碱 的Si脱氧滚珠轴承钢全氧含量虽高于A1脱氧钢， 度渣对非铝脱氧钢中的脱氧产物吸附以及对细小 但宏观洁净度和显微洁净度至少与A1脱氧钢相 夹杂物的生成有利.随精炼渣碱度的增大，非铝脱 等，滚珠寿命显著高于AI脱氧钢阿近年来，国际 氧钢中全氧含量降低，夹杂物的总数、总面积和平 上对非铝脱氧轴承钢的研究仍在继续，陆续有来 均半径减小，而夹杂物半径小于2um的比例明显 自德国7、日本-的学者对低氧非铝脱氧轴承 增大.渣中含有一定的三氧化二铝对去除非铝脱 钢在缓解水口堵塞、改善夹杂物形态及提高疲劳 氧钢中较大颗粒的夹杂物有利，通过控制精炼渣 寿命方面的报道，但对于硅酸盐对疲劳寿命影响 的组成来控制钢液中夹杂物成分是可行的.刘平 机理及其与其他种类夹杂物影响疲劳寿命的临界 等通过加硅钙钡脱氧，炉渣碱度控制在2.5左右，w 尺寸对比等研究仍报道较少 w(FeO)tw(MnO)小于l.0%,能够起到较强的脱氧 3.3.2非铝脱氧轴承钢夹杂物控制 和去夹杂的作用，保证钢液内全氧含量在0.002% 目前在炼钢生产时采用的铝脱氧工艺和非铝 以下询 脱氧工艺中，前者的一次脱氧率大于90%，脱氧产 从热力学上分析，随着真空度的降低和钢水 物主要是A12O3,后者一次脱氧析出的脱氧产物量 碳含量的增加，与钢水碳平衡的氧含量线性降低 大大减少，一次脱氧产物主要是SO2.钢包精炼时 但在实际生产中，真空碳脱氧主要决定于反应动 向钢液中吹入数量更多、尺寸更小的氩气泡有利 力学条件，当钢中碳或氧的浓度降到很低时，维持 于一次脱氧产物的去除50.在无铝条件下深脱氧 反应进行的钢水临界深度将会逐渐减薄，碳氧反 需要强化扩散脱氧和真空脱氧，因此无铝脱氧工 应的限制性环节从体相内的扩散反应转化为界面 艺中LF精炼更为重要，采用扩散脱氧工艺提高硅 反应.随着钢中碳氧浓度降低，反应层趋于减薄， 的脱氧能力，进一步降低钢水氧含量.精炼过程中 反应速度变慢以致完全停止，对于碳含量较高的 硅脱氧反应如下： 钢种，真空下与熔池碳平衡的活度氧可降低到 1/2[Si]+[O]=1/2SiO2(s) (2) 0.0003%以下，以达到深脱氧的目的 lgw[0]=0.51gasi02-0.5lgw[S1+6.28-15171.55/T 然而，要保证非铝脱氧轴承钢的性能及质量 (3) 得到提升，保证其较高的洁净度是必备的前提，这 在LF精炼中调整炉渣成分，降低SO2的活度 对国内企业的非铝脱氧工艺要求仍是一个挑战 可以大幅度提高硅的脱氧能力.在无铝脱氧工艺 目前我国非铝脱氧下的钢材全氧含量大部分保持
脱氧与非铝脱氧钢中的硅酸盐夹杂物的个数密度 相近. 同时，疲劳实验的结果显示，两种轴承钢虽 全氧含量相近，但其在超高周范围的疲劳寿命 相近. (MgO)−Al2O3 Square root of inclution area/μm 20 15 10 5 Silicate Critical inclution size area Process S (a) Process A Average inclution size Calcium−aluminate Process S Process A (MgO)−Al2O3 Number density of inclusions/mm−2 3 2 1 0 Silicate (b) Calcium−aluminate Inclution type Inclution type 图 9 非铝脱氧钢（S）和铝脱氧钢（A）中夹杂物对比[46] .（a）尺寸；（b）密度 Fig.9 Comparison of inclusions in non-Al deoxidation steel (S) and Al deoxidation steel (L): (a) size; (b) number density 虽然国内对于非铝脱氧轴承钢的尝试较少， 但在国外轴承钢冶炼中，已对非铝脱氧轴承钢进 行了大量的尝试. 德国 Saar 钢厂从 1995 年用 Si 脱 氧来生产滚珠轴承钢（Al 的质量分数为 0.001%）. 水口堵塞显著低于原来用 Al 脱氧（Al 的质量分数 为 0.024%），在水口内没有沉积物. Saar 钢厂生产 的 Si 脱氧滚珠轴承钢全氧含量虽高于 Al 脱氧钢， 但宏观洁净度和显微洁净度至少与 Al 脱氧钢相 等，滚珠寿命显著高于 Al 脱氧钢[6] . 近年来，国际 上对非铝脱氧轴承钢的研究仍在继续，陆续有来 自德国[47]、日本[48−49] 的学者对低氧非铝脱氧轴承 钢在缓解水口堵塞、改善夹杂物形态及提高疲劳 寿命方面的报道，但对于硅酸盐对疲劳寿命影响 机理及其与其他种类夹杂物影响疲劳寿命的临界 尺寸对比等研究仍报道较少. 3.3.2 非铝脱氧轴承钢夹杂物控制 目前在炼钢生产时采用的铝脱氧工艺和非铝 脱氧工艺中，前者的一次脱氧率大于 90%，脱氧产 物主要是 Al2O3，后者一次脱氧析出的脱氧产物量 大大减少，一次脱氧产物主要是 SiO2 . 钢包精炼时 向钢液中吹入数量更多、尺寸更小的氩气泡有利 于一次脱氧产物的去除[50] . 在无铝条件下深脱氧 需要强化扩散脱氧和真空脱氧，因此无铝脱氧工 艺中 LF 精炼更为重要，采用扩散脱氧工艺提高硅 的脱氧能力，进一步降低钢水氧含量. 精炼过程中 硅脱氧反应如下： 1/2[Si]+[O]= 1/2SiO2 (s) （2） lg w[O] = 0.5lg aSiO2 −0.5lg w[Si]+6.28−15171.55/T （3） 在 LF 精炼中调整炉渣成分，降低 SiO2 的活度 可以大幅度提高硅的脱氧能力. 在无铝脱氧工艺 中 ， 合 理 控 制 炉 渣 成 分 ， 即 选 择 炉 渣 碱 度 为 2.5～3.0，渣中w(Al2O3 )≤10%，渣中w(CaO) 为45%～ 50% 的炉渣成分，则可控制渣中 SiO2 活度在 0.05～ 0.20 内，当钢中 w[Als]<0.004%，而 w[Si] 在 0.6% 左 右时，与其平衡的钢液全氧活度低于 0.001%，可以 达到钢水脱氧的要求[51] . 李阳等[52] 研究表明高碱 度渣对非铝脱氧钢中的脱氧产物吸附以及对细小 夹杂物的生成有利. 随精炼渣碱度的增大，非铝脱 氧钢中全氧含量降低，夹杂物的总数、总面积和平 均半径减小，而夹杂物半径小于 2 μm 的比例明显 增大. 渣中含有一定的三氧化二铝对去除非铝脱 氧钢中较大颗粒的夹杂物有利，通过控制精炼渣 的组成来控制钢液中夹杂物成分是可行的. 刘平 等通过加硅钙钡脱氧，炉渣碱度控制在 2.5 左右，w w(FeO)+w(MnO) 小于 1.0%，能够起到较强的脱氧 和去夹杂的作用，保证钢液内全氧含量在 0.002% 以下[36] . 从热力学上分析，随着真空度的降低和钢水 碳含量的增加，与钢水碳平衡的氧含量线性降低. 但在实际生产中，真空碳脱氧主要决定于反应动 力学条件，当钢中碳或氧的浓度降到很低时，维持 反应进行的钢水临界深度将会逐渐减薄，碳氧反 应的限制性环节从体相内的扩散反应转化为界面 反应. 随着钢中碳氧浓度降低，反应层趋于减薄， 反应速度变慢以致完全停止. 对于碳含量较高的 钢种 ，真空下与熔池碳平衡的活度氧可降低到 0.0003% 以下，以达到深脱氧的目的. 然而，要保证非铝脱氧轴承钢的性能及质量 得到提升，保证其较高的洁净度是必备的前提，这 对国内企业的非铝脱氧工艺要求仍是一个挑战. 目前我国非铝脱氧下的钢材全氧含量大部分保持 顾 超等： 高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 · 307 ·