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user: 3. 影响轴承钢洁净度因素 影响轴承钢冶金质量的因素有很多，例如化学成分、非金属夹杂物、微观组织等。非金属夹杂物的存在是导致轴承失效的主要原因。钢中化学成分影响夹杂物的种类，夹杂物的存在影响组织均匀性，最终都会影响轴承的使用寿命。因此，轴承钢必须严格控制轴承钢中的非金属夹杂物的含量、种类和尺寸指标，化学成分，碳化物粒度和分布等 [ 16 ] [ 17 ]。 3.1. 非金属夹杂物 夹杂物为钢中不可避免的缺陷，会在多方面对钢质量产生影响。图1为一些典型大型夹杂物形貌图 [ 18 ]。 图1. 大型夹杂物形貌图 [ 18 ] 轴承钢中主要夹杂物包括两类：氧化物夹杂物与析出物夹杂，其中氧化物夹杂通常生成于钢液中，包括尖晶石、钙铝酸盐和硅酸盐等；析出物夹杂通常生成于凝固过程中，包括氮化钛和硫化锰等。在国际上一般将夹杂物分五类，分别为：A类夹杂、B类夹杂、C类夹杂、D类夹杂和Ds类夹杂。其中，A类夹杂主要是硫化物(FeS、MnS、CaS)，B类夹杂主要是氧化铝类氧化物(Al 2 O 3 )，C类夹杂是硅酸盐类夹杂物(SiO 2 ， 2FeO-SiO 2 ， CaO-SiO 2 )，D类夹杂是球状氧化物(Al 2 O 3 -CaO)，Ds类为单颗粒球类夹杂。在轴承钢中常见的夹杂物除了上述五类之外，还存在含钛的碳、氮化物等夹杂物。 夹杂物对轴承钢质量的危害，主要是影响其疲劳寿命和韧性。其影响因素主要从以下三个方面分析： 1) 钢中每类夹杂物的热膨胀系数各不相同，因此，在轴承工作发热到停止冷却过程中会产生不同于基体的张应力和压应力而导致破坏的出现 [ 19 ]。 2) 夹杂物大都是脆性的，会导致钢中应力集中并发展，因此会产生裂纹。即使存在单一的不破碎夹杂物，也可能导致机械性能的不均匀从而改变局部的应力分布，进一步影响钢的疲劳寿命 [ 20 ]。相同类型和尺寸的夹杂物，曲率半径较小的夹杂物会引起更严重的应力集中。 3) 非金属夹杂物与基体存在弱的结合界面。在钢的变形处理过程中沿塑性应变方向上，夹杂物存在的界面处会产生不变形张力，这将导致空洞的形成进而影响钢的质量和性能 [ 21 ]。 表2 [ 21 ] 统计了国内某厂轴承钢成品检测中各类夹杂物来源和比例。 Table 2 Source and distribution of inclusions in bearing steel of a certain factory [22 夹杂类型 生成机理 典型成分 特征 比例/% 氧化物 脱氧夹杂 未与炉渣接触的脱氧产物 Al2O3-SiO2-MnO 不含MgO和CaO成分 2.18 内生夹杂 渣钢反应生成 Al2O3-MgO-CaO 不含SiO2等脱氧剂成分 6.37 卷渣夹杂 搅拌卷入钢水中形成 Al2O3-SiO2-CaO 与炉渣成分相近 9.6 硫化物 CaS系 脱硫反应产物. CaO-Al2O3-CaS 卷渣和内生夹杂中生成 58.24 硫氧复合 凝固中沉积析出 MnS-Al2O3 氧化物为核，包裹硫化物 6.81 MnS夹杂 凝固偏析形成的析出物 MnS 成分单一，塑性好 2.55 钛夹杂 凝固偏析形成的析出物 Ti(C，N) 暗红色，成分较复杂 14.2 表2. 某厂轴承钢中夹杂物来源与分布 [ 22 ] 从表2可以看出氧化物夹杂仅占18.15%，其中脱氧夹杂占12%，变性夹杂占35%，卷渣夹杂占53%。变性和卷渣夹杂是大型氧化物夹杂的主要来源。超过一半的夹杂物都是硫化物，特别是CaS系夹杂。因为钛夹杂的含量也不低，在夹杂物总量中占到14.2%，说明钢中钛含量较高。 根据夹杂物对疲劳寿命的影响，如下图2所示，TiN和Ti(C，N)对钢的滚动接触疲劳影响最大，然后是氧化物(特别是球状的钙尖晶石和铝氧化物)和硫化物 [ 23 ] [ 24 ]。脆性氧化物夹杂比具有高变形系数的硫化物夹杂对疲劳失效更有害，硅酸盐夹杂物的危害介于脆性氧化物和硫化物之间。其中氧化物夹杂危害程度降低的顺序依次为铝酸钙、氧化铝和尖晶石，与这些夹杂物的平均热膨胀系数增加的顺序是对应的 [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]。 图2. 夹杂物对疲劳寿命的影响 [ 23 ] [ 24 ] 国内外生产实践证实，各种炉外精炼方法(真空的或非真空的)，加强对钢液的搅拌，都能将氧含量降到很低的程度，氧化物夹杂的数量，主要指Al 2 O 3 夹杂的数量大大减少。然而要降低A类夹杂物和D类夹杂物的数量则主要依赖于精炼渣的化学成分。 3.2. 微观组织 轴承钢组织的不均匀会降低其性能和寿命，而微观组织中尤其以碳化物的影响最大。碳化物的大小、形状、数量和分布都影响轴承钢的疲劳寿命。各种碳化物的形成原因、特点和危害如下表3 [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]。 Table 3 Causes， characteristics and hazards of various carbides [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [34 种类 形成原因 形态和特点 对轴承钢的危害 液析碳化物 凝固过程液态偏析 颗粒大、硬度高、 脆性大 易引起轴承表面剥落，加快轴承的磨损；疲劳裂纹的裂纹源；易引起轴承淬火时开裂；热轧后难以消除，影响轧材质量 带状碳化物 凝固过程枝晶偏析 颗粒细小 使钢退火时不易获得均匀粒状珠光体；淬火后所得组织和硬度不均匀；引起轴承力学性能呈各向异性，增加淬火变形和开裂倾向，降低钢材表面光洁度 网状碳化物 过饱和的碳以碳化物形 式沿奥氏体晶界析出 沿奥氏体晶界 呈网状分布 成品淬火时不能完全消除，增加淬火开裂的倾向；增加零件的脆性；降低材料的冲击强度；易引起零件沿晶界破坏； 表3. 各种碳化物的形成原因、特点和危害 [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] 当碳化物颗粒细小且均匀的分布时，对钢的不利影响较小，轴承钢的各项指标均较好；当碳化物粗大且分散不均匀时，轴承钢的硬性、疲劳寿命等性能变差 [ 35 ]。因此，轴承钢通常要求碳化物颗粒细小，形状规则且分布均匀。碳化物不均匀性的根源在于凝固组织的均匀性，所以对凝固工艺的研究是控制碳化物不均匀性重点 [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]。衡量碳化物均匀性的指标是液析碳化物、带状碳化物、网状碳化物评级的级别。 常用于解决轴承钢中碳化物问题的方法如下： 1) 液析碳化物一般是通过高温扩散退火处理进行消除，但是时间不能过长。因此，在保证铸坯不会过烧的同时还需要对加热炉加热速率、保温温度、保温时间等进行系统的研究，从而对各参数进行精确的控制，最终实现液析碳化物的消除(减轻)和改善偏析的目的 [ 39 ] [ 40 ]。 2) 带状碳化物一般是从根源上消除或降低铸坯凝固过程中的枝晶偏析。在生产中，主要通过控制如降低浇铸温度，改直通水口为旋流水口、提高末端电磁搅拌结晶器的电流和浇铸速度 [ 41 ] 等工艺参数来减轻枝晶偏析状况。 3) 网状碳化物析出形成的主要阶段在轧制及轧后冷却和退火冷却处理过程。因此，可以通过对终轧温度和冷却速率两个工艺参数的优化来进行控制 [ 39 ]。 3.3. 化学成分 钢中的化学成分直接影响到钢的物性、组织和性能。其中影响最大的元素有O、S、N、Ti、H这几种元素，必须严格控制其含量水平以提升钢的性能。 氧含量的控制是提高轴承钢冶金质量关键因素，氧含量与钢中氧化物成正比，而氧化物夹杂易使钢在压延过程中产生裂纹并使钢材产生各向异性破坏钢基体连续性。采用顶底复吹转炉(BOF)→精炼→真空脱气等工艺流程生产GCr15轴承钢，出钢过程中加钢芯铝进行深脱氧，在精炼工艺中造高碱度精炼渣，进行真空脱气等技术手段使铸坯中全氧含量T.[O]为0.0012% [ 42 ]。 氢含量对轴承钢的性能有着极其重要的影响，随着钢中氢含量的增加，轴承钢的强度，特别是塑性和韧性显著下降，使钢逐渐变脆。氢还是轴承钢内部的小裂纹产生的直接原因。针对GCr15轴承钢氢含量较高的情况，某钢厂通过对潮湿的物料进行烘烤及精炼过程严格控制软吹过程氩气量，制定合理的RH真空保持时间、极限真空度范围等工艺处理钢液温度，真空处理后中包内钢液的平均[H]为由原来的1.69 ppm降低到1.34 ppm，同比下降了20.71%，效果显著 [ 43 ]。 硫是有害元素，不仅引起钢的热脆，还会增加表面裂纹、硫化物应力腐蚀裂纹，造成韧性下降，轴向性能恶化 [ 16 ] [ 44 ]。硫含量增加，轴承钢中硫化物和碳化物分布的平均尺寸增加 [ 45 ]。文献称 [ 46 ]，含硫量低于0.040%时，随含硫量提高接触疲劳寿命提高；含硫量高于0.040%时，会使寿命降低。 氮、钛和一定量的碳，易形成TiC和Ti(C，N)而易引起疲劳裂纹。鞍钢通过优化转炉及精炼操作、加强连铸保护浇铸、控制钢铁料及合金料中的钛含量、优化钢中酸溶铝及精炼渣中氧化钛的含量，最终将轴承钢中的氮含量由0.005 0%降至0.003 8%，钛含量由0.004 5%降至0.001 3% [ 47 ]。