軸承鋼是重要的機(jī)械設(shè)備零件，夾雜物是影響軸承鋼疲勞壽命的關(guān)鍵因素。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)鋼中的氧、鈦含量已能控制到極低水平，但對(duì)夾雜物的控制仍不穩(wěn)定。大尺寸夾雜物通常是疲勞缺陷的裂紋源，會(huì)加速滾動(dòng)面的疲勞剝落，嚴(yán)重影響軸承鋼的疲勞壽命。Ds類夾雜物是單顆粒大尺寸夾雜物，嚴(yán)格控制鋼中Ds 夾雜物的生成，有利于提高軸承鋼的壽命。本文系統(tǒng)地介紹了軸承鋼的發(fā)展現(xiàn)狀，并重點(diǎn)分析了Ds類夾雜物的來(lái)源和控制措施。
1.1 國(guó)內(nèi)外軸承鋼發(fā)展趨勢(shì)
軸承是各類機(jī)械裝備中關(guān)鍵的基礎(chǔ)零件之一，被稱為機(jī)械的“關(guān)節(jié)”。軸承應(yīng)用十分廣泛，常被用到航空航天、風(fēng)力發(fā)電和工業(yè)制造等重要領(lǐng)域。軸承鋼主要用于制造軸承滾動(dòng)體、套圈等。軸承的工作環(huán)境十分惡劣，常在高速、重載極端條件下服役，因此對(duì)軸承鋼的疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性和耐腐蝕性有嚴(yán)格要求。
目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在高端軸承鋼的生產(chǎn)仍然處于領(lǐng)先地位，尤其是高鐵、航空發(fā)動(dòng)機(jī)精密機(jī)床等用軸承方面。軸承鋼的主要生產(chǎn)國(guó)包括日本、瑞典、德國(guó)和中國(guó)等國(guó)家。日本山陽(yáng)特鋼所生產(chǎn)的軸承鋼質(zhì)量達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，其鋼材的全氧含量可控制在2～3×10-6，最大夾雜物尺寸小于11μｍ，Ti小于10×10-6，其他有害雜質(zhì)元素均控制到極低水平。瑞典SKF 公司生產(chǎn)的軸承鋼，在控制碳化物顆粒均勻細(xì)小的同時(shí)，可以降低氧含量，使夾雜物較少，尺寸小分散均勻。就夾雜物的控制來(lái)看，日本側(cè)重于通過(guò)減少氧含量來(lái)達(dá)到降低夾雜物數(shù)量，而瑞典則主要注重控制夾雜物的分布和形態(tài)。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)軸承鋼質(zhì)量對(duì)比如表1所示。研究顯示，鋼中全氧含量越低，軸承鋼疲勞壽命越高，同時(shí)非金屬夾雜物的數(shù)量、大小和分布對(duì)軸承鋼的性能也產(chǎn)生顯著影響。目前，國(guó)外不僅在傳統(tǒng)軸承鋼的質(zhì)量控制方面領(lǐng)先于中國(guó)，而且在新型軸承鋼的研發(fā)力度上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于中國(guó)。
目前，我國(guó)已經(jīng)是軸承鋼生產(chǎn)大國(guó)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)特殊鋼廠能夠獨(dú)立大規(guī)模生產(chǎn)符合工業(yè)需求的軸承鋼，但許多高端軸承鋼仍然以進(jìn)口為主。面對(duì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)以及鋼鐵行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)開始探索高端優(yōu)特鋼生產(chǎn)，軸承鋼的冶金質(zhì)量有了顯著的提升。我國(guó)的興澄特鋼已經(jīng)可以生產(chǎn)氧含量5×10-6以下的優(yōu)質(zhì)軸承鋼，但國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)生產(chǎn)的軸承鋼質(zhì)量仍與國(guó)際有一定的差距。
國(guó)內(nèi)軸承鋼夾雜物及鑄坯質(zhì)量控制存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在如下三個(gè)方面：
（1）鋼液潔凈度控制不足，氧含量仍沒(méi)有控制在較低水平。
（2）精煉和澆鑄工藝還有提升空間，需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，以確保軸承鋼的均勻性和穩(wěn)定性。
（3）目前，缺乏有效的在線檢測(cè)設(shè)備來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鑄坯的質(zhì)量情況。此外，中國(guó)的高端鋼種還不完善，在提高質(zhì)量的同時(shí)，也要開發(fā)新的鋼種。未來(lái)中國(guó)軸承鋼生產(chǎn)一方面要降低鋼中氧含量，提升鋼液的潔凈度減少夾雜物數(shù)量。另一方面，在生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)計(jì)合理的精煉渣成分以及合金化控制，控制大尺寸夾雜物的生成，提高夾雜物在鋼中分布的均勻性。除此之外軸承鋼的組織缺陷也應(yīng)重視，例如中心成分偏析、中心疏松、冶金質(zhì)量等問(wèn)題。
1.2 軸承鋼冶煉工藝
國(guó)外對(duì)于高端軸承鋼一般采用短流程工藝煉鋼，其生產(chǎn)的高品質(zhì)軸承鋼不僅具有高的疲勞性還有很高的可靠性。日本采用“LF-RH” 流程的精煉工藝，而歐美企業(yè)采用“LF-VD”流程。國(guó)內(nèi)典型軸承鋼生產(chǎn)廠家及工藝流程如表2所示。
目前，國(guó)內(nèi)軸承鋼的生產(chǎn)流程通常經(jīng)過(guò)以下步驟：首先是轉(zhuǎn)爐或電爐初煉，然后進(jìn)入LF爐進(jìn)行合金化以及調(diào)渣控制鋼液達(dá)到目標(biāo)成分，接著進(jìn)行RH或者VD精煉降低氧氮含量脫硫脫氣，最后進(jìn)行連鑄。
精煉是軸承鋼生產(chǎn)中的重要過(guò)程，目前大多數(shù)先進(jìn)鋼廠采用Al脫氧將鋼中的總氧含量降低到10×10-6以下，然后用真空或吹氬除去夾雜物，可有效控制夾雜物的數(shù)量。爐外精煉， 通常使用RH(ruhrstahl-heraeus）精煉或VD（vacuumdegassing）精煉工藝。在精煉完成后，鋼水進(jìn)入連鑄機(jī)進(jìn)行連鑄，最終生產(chǎn)成軸承鋼坯。
隨著冶煉設(shè)備及冶煉工藝的發(fā)展，我國(guó)軸承鋼氧氮含量控制在較低水平，夾雜物控制也得到了顯著提高，但對(duì)大尺寸夾雜物控制仍不穩(wěn)定。LF精煉過(guò)程中隨著氣流的攪拌，渣-鋼進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)LF爐鋼包襯耐火材料與鋼液也發(fā)生反應(yīng)。鋼液溫度越高，元素活性越高，易與精煉渣、耐材發(fā)生反應(yīng)。LF精煉結(jié)束生成尖晶石夾雜物和少量的鈣鋁酸鹽類夾雜物，這兩種類型夾雜物對(duì)軸承鋼疲勞壽命危害性較大。
1.3 軸承鋼服役失效機(jī)理
GCr15軸承鋼是工業(yè)機(jī)械軸承應(yīng)用的常用材料。鑒于軸承惡劣的工作條件，通常具有超過(guò)107循環(huán)周次，也稱為超高周疲勞（VHCF）。軸承鋼疲勞失效是由于非金屬夾雜物、組織不均勻、碳化物等在鋼基體產(chǎn)生裂紋，但超高周疲勞失效非金屬夾雜物是關(guān)鍵因素。
軸承鋼內(nèi)部疲勞斷裂主要來(lái)源于非金屬夾雜物，在斷口處宏觀形貌表現(xiàn)為典型的“魚眼”狀，典型斷裂面及其特征如圖1(a)所示。Murakami等人通過(guò)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行了觀察，并將這一區(qū)域命名為“光學(xué)暗區(qū)”(ODA)。Sakai 等人通過(guò)掃描電鏡和透射電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)斷口處夾雜物周圍存在“ 細(xì)顆粒區(qū)”（FGA）。Shiozawa等人在斷口處的夾雜物旁邊發(fā)現(xiàn)了一個(gè)粗糙的區(qū)域，并將其命名為“ 粒狀亮面”（GBF）區(qū)。Ochi等人也發(fā)現(xiàn)了這一特征，并將其命名為“粗糙表面積”（RSA）。不同作者使用不同術(shù)語(yǔ)但指的是同一微觀特征，如圖1(b)所示為斷口特征示意圖。
Li將GCr15軸承鋼內(nèi)部裂紋擴(kuò)展分為三個(gè)階段：①FGA內(nèi)小裂紋擴(kuò)展；②FGA魚眼區(qū)域外穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展；③魚眼外不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展。Yu等認(rèn)為初始裂紋是由于夾雜物與周圍材料的附著力較弱，夾雜物與鋼基體發(fā)生變形而產(chǎn)生的，并且當(dāng)夾雜物的彈性模量大于基體時(shí)才會(huì)產(chǎn)生裂紋。根據(jù)Hashimoto等人的研究，夾雜物化學(xué)成分和尺寸對(duì)初始裂紋的位置和疲勞壽命有顯著影響，并且還闡明了軋制方向與裂紋之間的關(guān)系。因此，嚴(yán)格控制鋼中夾雜物對(duì)提高軸承鋼疲勞壽命具有重要意義。
part 2、軸承鋼中
非金屬夾雜物及其影響
Monnot等通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究得出夾雜物與軸承鋼危害關(guān)系，如圖2所示，鋼中夾雜物的尺寸越大，對(duì)軸承鋼壽命影響越大。圖2中CaO-Al2O3類夾雜物是大尺寸夾雜物，危害性較大。
大尺寸氧化物主要是鈣鋁酸鹽類夾雜物，包括CaO-Al2O3-MgO復(fù)合夾雜物和CaO-Al2O3夾雜物。淬火后由于夾雜物和鋼基體膨脹系數(shù)不同，在鋼中會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力，在服役過(guò)程中這些夾雜物受到交變載荷作用會(huì)疊加應(yīng)力形成較高的應(yīng)力值。Akesson研究發(fā)現(xiàn)氧化物類夾雜物CaO的平均質(zhì)量大于20％時(shí)，夾雜物尺寸較大，對(duì)軸承鋼疲勞壽命十分有害。尹青通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比提高軸承鋼壽命應(yīng)控制氧化物類夾雜的最大尺寸小于10μｍ。
關(guān)于夾雜物對(duì)軸承鋼疲勞壽命的影響，一般認(rèn)為夾雜物數(shù)量和尺寸越大，對(duì)軸承鋼疲勞壽命造成的威脅越大，但鋼中夾雜物細(xì)小并且彌散分布有利于提高軸承鋼壽命。如圖3所示，研究發(fā)現(xiàn)，夾雜物尺寸與軸承鋼疲勞壽命之間存在著非線性關(guān)系。當(dāng)夾雜物數(shù)量較多且尺寸較小時(shí)，其疲勞壽命同樣較高，而大尺寸夾雜物雖然數(shù)量少，其疲勞壽命仍會(huì)顯著下降。通常認(rèn)為，夾雜物尺寸越大對(duì)軸承鋼疲勞壽命影響較大，而尺寸小于3μｍ的夾雜物危害則較小。
史智越等研究大顆粒Ds類夾雜物整體特征與軸承鋼疲勞強(qiáng)度和壽命的關(guān)系，結(jié)果表明大顆粒夾雜物的大小及其分布是影響軸承鋼疲勞強(qiáng)度和壽命的關(guān)鍵因素。此外，還指出減小軸承鋼中大顆粒夾雜物的尺寸，控制其分布是未來(lái)高端軸承鋼冶金控制的發(fā)展方向。
part 3、大尺寸Ds類夾雜物的來(lái)源及控制
3.1 大尺寸Ds類夾雜物的來(lái)源
目前對(duì)于夾雜物對(duì)軸承鋼的危害一致觀點(diǎn)是大尺寸夾雜物對(duì)軸承鋼壽命危害影響極大。Ds類夾雜物是單顆粒尺寸大于13μｍ的CaO-Al2O3-MgO-CaS復(fù)合夾雜物，Ds夾雜物尺寸越大軸承鋼疲勞壽命越低。
為了研究Ds類夾雜物的來(lái)源，Kawakami等人在LF精煉過(guò)程中向爐渣中添加了BaO示蹤劑，隨后對(duì)鋼液中夾雜物特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，傳統(tǒng)卷渣是大尺寸Ds類夾雜物的來(lái)源與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，作者認(rèn)為大尺寸Ds類夾雜物主要是內(nèi)生夾雜物。鋼液中［Al］ 與爐渣中CaO反應(yīng)生成［Ca］進(jìn)入鋼液，其中一部分［Ca］與鋼液Al2O3反應(yīng)，形成CaO-Al2O3類夾雜物。這些夾雜物通過(guò)團(tuán)聚合并形成大尺寸含CaO類夾雜物。這一過(guò)程主要可用反應(yīng)式（1）和式（2）表示：
陳然研究表明，軸承鋼中液態(tài)化程度高的鈣鋁酸鹽類夾雜物與鎂鋁尖晶石相互碰撞和融合是形成Ds夾雜物的主要原因之一。此外作者還指出，通過(guò)降低鋼中［Ca］含量，可以有效減少夾雜物中CaO平均含量，進(jìn)而提高夾雜物的熔點(diǎn)，減少夾雜物在鋼液中的液態(tài)化程度，從而有效降低Ds夾雜物的形成。內(nèi)源大尺寸Ds類夾雜物主要來(lái)源于精煉過(guò)程中低熔點(diǎn)CaO-Al2O3類夾雜物，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在30%以上。
此外CaO-Al2O3-MgO夾雜物含CaO含量越高，對(duì)應(yīng)的尺寸越大，凝固過(guò)程其表面越不容易析出MnS夾雜，這不利于提高軸承鋼疲勞壽命。目前大多數(shù)企業(yè)GCr15鋼生產(chǎn)工藝普遍采用鋁脫氧，禁止鈣處理。CaO-Al2O3類夾雜物中Ca含量來(lái)源主要有兩個(gè)：一是合金中的Ca雜質(zhì)，二是精煉渣中CaO與鋼液反應(yīng)生成［Ca］進(jìn)入鋼液。鋼液中［Ca］含量是CaO-Al2O3類夾雜物生長(zhǎng)的限制因素，這也是禁止Ca處理的原因?？娦碌碌韧ㄟ^(guò)對(duì)興澄軸承鋼實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，精煉渣中Al2O3含量越高越有利于減少鈣鋁酸鹽類夾雜物生成。任宏志等在軸承鋼中添加稀土細(xì)化夾雜物并降低了Ds夾雜物數(shù)量。肖薇采用非鋁脫氧工藝降低鋼中大尺寸夾雜物生成。苗志奇通過(guò)降低鋼中Ca含量，抑制鋼中低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽類夾雜物的生成?？娦碌卵芯堪l(fā)現(xiàn)，80%的Ds類夾雜物是以MgO-Al2O3為核心，外部為鈣鋁酸鹽。鋼中MgO-Al2O3主要是鋼液與耐火材料中的MgO反應(yīng)生成的。因此，優(yōu)化精煉渣成分，選擇合適的耐火材料是控制鋼中大尺寸夾雜物生成的關(guān)鍵措施。
3.2 大尺寸Ds類夾雜物的控制措施
3.2.1 精煉渣的影響及控制
軸承鋼采用高堿度鋁脫氧工藝，在LF精煉過(guò)程中由于鋼渣反應(yīng)，生成尖晶石夾雜物和大尺寸的鈣鋁酸鹽類夾雜物，這些夾雜物被認(rèn)為對(duì)軸承鋼疲勞壽命危害性較大。因此優(yōu)化精煉渣的成分對(duì)軸承鋼潔凈度以及產(chǎn)品的穩(wěn)定性有重要作用。
Deng等人分析了精煉渣成分質(zhì)量作用濃度隨堿度變化的規(guī)律，從理論上研究了堿度對(duì)脫氧能力的影響以及對(duì)尖晶石和球狀?yuàn)A雜物的控制，計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著堿度的增加Al2O3和SiO2的質(zhì)量作用濃度減小，F(xiàn)eO和MgO的質(zhì)量作用濃度先增大后減小。姜周華等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)精煉渣堿度在0.8～4時(shí)，精煉渣堿度越大鋼中［Ｏ］含量降低并且夾雜物數(shù)量、尺寸也隨之減少。付國(guó)強(qiáng)等人利用熱力學(xué)計(jì)算軟件，通過(guò)控制變量法研究了精煉渣中堿度、Al2O3、MgO和FeO含量變化對(duì)鋼中［Ca］、［Mg］、［Al］、［Ｏ］含量的影響，其中堿度影響最大。白少勛通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，精煉渣堿度對(duì)鋼中［Al］含量影響最大。于會(huì)香實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著渣中Al2O3含量增加夾雜物中Al2O3含量占比顯著增加。
李明通過(guò)降低精煉渣堿度減少CaO-Al2O3-MgO復(fù)合夾雜物的形成，使鋼中夾雜物由鈣鋁酸鹽類夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)殒V鋁尖晶石類夾雜物，從而減少了Ds型夾雜物的危害。在Mg和Ca處理的軸承鋼夾雜物行為研究中，Ca可以優(yōu)化尖晶石夾雜物的邊緣，但會(huì)導(dǎo)致夾雜物尺寸增大。Todoroki對(duì)CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF渣體系研究表明，SiO2可以抑制鋁還原渣中MgO 和CaO的反應(yīng)。10B21鋼的精煉渣堿度控制在7～11，減少了Ds型夾雜物的數(shù)量，提高了10B21鋼的合格率。
3.2.1 鎂碳質(zhì)耐火材料的影響及控制
在實(shí)際精煉過(guò)程中，鋼包內(nèi)襯用耐火材料以較大面積與鋼液實(shí)時(shí)接觸，伴隨著高溫和攪拌等外力場(chǎng)作用，鋼液會(huì)滲透耐火材料并發(fā)生界面反應(yīng)影響鋼液的成分。在LF精煉過(guò)程中由于鋼液與鋼包襯接觸面積大于精煉渣，所以優(yōu)先生成鎂鋁尖晶石夾雜物。在過(guò)去的二十年中，鎂碳質(zhì)耐火材料的供應(yīng)行為引起了人們的廣泛關(guān)注。Brabie和Jansson研究了MgO-C耐火材料與Al脫氧鋼之間反應(yīng)機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)鋼中形成了MgO和MgO-Al2O3夾雜物，這是由于MgO-C耐火材料為MgO-Al2O3夾雜物形成提供Mg源。Hara-da從純MgO坩堝中研究Mg在鋼中的溶解行為，發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼中［Ｍｇ］含量逐漸增加，如圖4所示。沈平研究發(fā)現(xiàn)在高溫下鋼包襯耐火材料中的MgO將與自身的Ｃ發(fā)生反應(yīng)，生成的氣相則揮發(fā)至精煉渣與耐火材料的界面形成脫碳層。Wang研究MgO坩堝腐蝕過(guò)程中精煉渣成分的變化，在坩堝與爐渣相互作用過(guò)程中爐渣中MgO含量高于初始值，坩堝與爐渣接觸后，坩堝中的MgO被分離到爐渣中，從而提高了爐渣中MgO的含量。
part 4、結(jié)論
軸承鋼應(yīng)用十分廣泛，但國(guó)內(nèi)軸承鋼疲勞壽命與國(guó)際仍有差距，尤其是大尺寸夾雜物的控制。提高軸承鋼的壽命，要嚴(yán)格控制Ds類夾雜物。通過(guò)分析Ds類夾雜物的來(lái)源，未來(lái)要從優(yōu)化精煉渣的成分、耐火材料質(zhì)量等方向著重研究，從而研發(fā)出高品質(zhì)的軸承鋼。
來(lái)源：安徽首礦大昌金屬材料有限公司
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