軸承鋼生產過程中夾雜物控制的研究進展

朱誠意，吳炳新，張志成，李光強，潘明旭

（1.武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用教育部重點實驗室，武漢430081；2.大冶特殊鋼股份有限公司，黃石435001）

0 引 言

軸承鋼作為一種重要的特殊鋼，主要用于制造滾動軸承的滾動體和套圈，其應用覆蓋了工業、農業及軍事等諸多領域。軸承鋼的質量直接影響到設備轉動部件的壽命，從而最終影響到設備運行的安全可靠程度［1-2］。從中國軸承鋼網發布的數據進行統計后可以看出，國內軸承鋼的產量由21世紀初的80萬t（日本60萬t，瑞典70萬t）增加到2011年的近338萬t。世界各國在滿足科技發展對軸承鋼產量要求的同時，都把重心放在了提高現有產品質量和高性能新型軸承鋼產品品種的研發上。

影響軸承鋼接觸疲勞壽命的三個主要因素是硬度、鋼中夾雜物和氫含量［3］。據統計，由鋼中非金屬夾雜物和碳化物不均勻等冶金質量缺陷所引起的失效數占總失效數的65%。鋼中非金屬夾雜物主要來源于冶煉過程中產生的脫氧產物、鋼液凝固時析出的硫化物和碳氮化物，以及出鋼時殘留的鋼渣、連鑄過程中鋼液對耐火材料的侵蝕以及鋼液的二次氧化等［4］。鋼中非金屬夾雜物的組成、形貌、尺寸、數量以及分布受鋼液純凈度的控制，夾雜物的存在影響了鋼在鑄態及熱處理狀態下的組織均勻性，從而最終影響軸承的使用壽命。夾雜物對疲勞裂紋產生的影響程度依賴于其化學成分、尺寸、密度、分布位置及形貌。

一般情況下，通過控制煉鋼過程來降低鋼中夾雜物的數量和尺寸［5-6］，若要使軸承鋼達到使用要求，關鍵是控制好它的冶金質量，即化學成分、潔凈度（鋼中夾雜物）及組織均勻性。因此，各國研究人員對鋼中夾雜物種類及控制進行了很多研究，也取得了很多成果，為給國內相關人員提供參考，作者分析了軸承鋼中夾雜物控制中存在的問題，并對降低鋼中氧含量及氧化物夾雜的措施和夾雜物控制技術的發展方向進行了綜述。

1 軸承鋼中夾雜物控制存在的問題

1.1 軸承鋼中的夾雜物

根據美國ASTM標準，將鋼中的夾雜物按形態分為A類（硫化物類）、B類（氧化鋁類）、C類（硅酸鹽類）、D類（球狀氧化物類）共四大類，其中每類夾雜物又根據其寬度或直徑分為粗系和細系，用以表示夾雜物的寬度。Bhadeshia等［3］的研究表明，在52100軸承鋼中的夾雜物與鋼基體具有單獨的接觸界面，所有夾雜物的熔點都高于鋼的，但密度比鋼小，在軸承鋼中不可能找到單一的夾雜物相。52100軸承鋼中除了上述常見的四類夾雜物外，還包含了鈦的碳化物和氮化物夾雜（T類）。軸承鋼中有害夾雜物的主要形式是Al2O3與鋼中硅、鈣、鎂的氧化物結合后形成的復合氧化物和以Al2O3為核心的復合氧化物外包 MnS、TiN、Ti（C，N）、CaS形成的氧、硫、氮復合夾雜物。

1.2 國內軸承鋼夾雜物控制存在的問題

在控制好鋼中主要合金元素化學成分的情況下，軸承鋼的冶煉質量主要受鋼液潔凈度和鑄態鋼組織的控制。為此，需要優化軸承鋼的精煉工藝以降低鋼中雜質元素的含量（進而減少鋼中夾雜物的數量）、減小夾雜物尺寸、控制夾雜物的形狀、改善夾雜物在鋼中的分布；同時，通過改進鑄造工藝制度來提高鑄坯質量。目前，國內軸承鋼夾雜物及鑄坯質量控制存在的主要問題表現在如下三個方面。

（1）鋼液潔凈度水平不高。對軸承鋼而言，鋼中的氧含量一般要求低于10×10-4%（質量分數，下同），最大夾雜物尺寸低于15μm［7］。和國際先進水平相比，國內軸承鋼中的雜質元素含量及夾雜物級別都存在一定差距，如日本神戶鋼鐵公司軸承鋼氧含量控制在4×10-4%，而大冶特鋼的高品質軸承鋼氧含量在6.5×10-4%～6.7×10-4%。

（2）精煉、澆鑄工藝有待進一步優化。我國軸承鋼生產先進企業在熔煉設備與瑞典、日本等國家先進企業的差距較小，但熔煉及澆鑄工藝需要進一步改善。如日本先進企業已采用徹底除去電爐渣、LF雙透氣磚底吹攪拌、RH環流管擴徑等措施［8］。高碳鉻軸承鋼中的碳含量較高，在采用連鑄生產時容易產生碳元素偏析。興澄特鋼采用100tEAF（電弧爐）初煉＋100tLF（鋼包爐）精煉＋100tVD（真空脫氣爐）脫氣＋（300mm×340mm）CC（邊鑄）工藝生產軸承鋼［9］，經結晶器電磁攪拌之后，連鑄坯碳偏析指數小于1.14；湖北大冶特鋼軸承鋼的澆鑄有模鑄和連鑄兩種模式［10-11］，采用連鑄工藝試制的大規格軸承鋼中碳化物超過5.0級。連鑄過程中相關的輕壓下、分段電磁攪拌技術在國內應用很少，國外則多采用這些輔助裝置來改善鑄坯的均勻性。

（3）鑄坯質量在線檢測設備缺乏，夾雜物檢測方法有待改進。國內企業對軸承鋼鑄坯質量無法在線檢測，不具備在線探傷裝備，不能及時發現鑄坯內部或表面的缺陷。國外20世紀90年代初就利用改進的光學發射光譜（OES）法［12］對軸承鋼中的夾雜物進行在線分析，能快速得到鋼中夾雜物的信息，為及時調整精煉工藝、準確控制鋼中夾雜物提供參考。國內普遍采用對澆鑄結束后的鑄坯進行取樣，采用金相法制樣后用光學顯微鏡或電子顯微鏡進行夾雜物的統計分析，然后根據統計結果分析夾雜物形成的影響因素，進而調整精煉及操作工藝制度。

2 降低鋼中氧化物夾雜的措施

要控制鋼中的夾雜物需要對鋼中氧、硫、氮、鈦的含量加以限制，其中關鍵是鋼中氧含量及氧化物的控制。Lund等［13］經過大量試驗獲得了軸承鋼疲勞壽命與氧含量的關系：L10（相對壽命）＝372×（w［O］）-16，即二次精煉后氧含量達10×10-4%的軸承鋼的疲勞壽命比在大氣中熔煉后氧含量為40×10-4%的軸承鋼提高了10倍，而氧含量為5×10-4%的疲勞壽命提高了30倍。鋼中的氧含量與鋼中氧化物夾雜的含量密切相關。固態鋼中的氧幾乎全部以氧化物的形式存在，是鋼在使用過程中失效的主要雜質［14-15］。鋼中的全氧含量、串鏈狀夾雜物的長度與鋼的疲勞性能有關［16-18］。軸承鋼通過脫氧精煉工藝可使鋼中的氧含量達到低于4.5×10-4%、無3μm以上不變形D類夾雜物的國際先進水平。要使鋼的成分穩定、組織均勻、不出現大的夾雜物，降低成品鋼中的總氧含量，必須從初次精煉開始控制，并一直延續到最終的澆鑄工序。

2.1 初煉爐出鋼終點的碳控制

當出鋼終點碳含量過低時，鋼中的溶解氧高，導致后續脫氧時消耗大量的鋁，且夾雜物總量會增多，給后期精煉帶來困難；另外，渣的氧化性也會明顯增加，后期精煉調整和控制鋼渣的成分困難。而過高的出鋼終點碳含量會給初煉爐的工藝控制帶來壓力。因此，電弧爐冶煉時，終點碳含量一般控制得較低（0.2%左右）；轉爐冶煉時，大都采用高拉碳冶煉的方法來達到較高的終點碳含量（0.6%左右），以適應轉爐的快節奏［19］。

2.2 選擇合適的脫氧劑

在軸承鋼生產過程中，用鋁進行終脫氧可使鋼中的氧含量降低和獲得適量的酸溶鋁。酸溶鋁含量太高時，鋼液保護不好易導致二次氧化從而增加脆性Al2O3夾雜的含量；酸溶鋁含量低時，因硅的二次氧化及鋼液溫度降低導致溶解氧析出，會使富含SiO2的粗大硅酸鹽夾雜生成。李作賢等［20］發現，鋼中酸溶鋁含量控制在0.02%～0.04%時可使鋼的晶粒細化，從而獲得較高的強韌性。

鋇是一種較為理想的脫氧變質劑，鋇合金不僅脫氧能力強，而且能使鋼中的殘余夾雜物得到很好的變性。鋇加入鋼液后與鋼液呈液/液相接觸，不易造成噴濺，脫氧產物易于上浮排出，能顯著降低鋼中的氧及夾雜物總量［21-23］。劉興國等［24］用硅-鋁-鋇合金對軸承鋼進行脫氧后，鋼中的全氧含量迅速降到一穩定值，最終鋼中無含鋇的點球狀夾雜物，且鋼中的殘余夾雜得到了很好的變性，夾雜物細小彌散、分布均勻。

鎂對軸承鋼中Al2O3夾雜物的變質具有顯著作用。陳向陽等［25］發現，酸溶鋁為0.03%時，鋼中存在2.0×10-4%的鎂即能將Al2O3夾雜物變質成MgO·Al2O3，鋼中大于10μm的Al2O3夾雜物轉變成細小、球形的鎂鋁尖晶石夾雜物，其中小于5μm的夾雜占99.46%，其余為5～10μm的夾雜物；采用鋁-鎂合金脫氧時，適當控制其化學組成，可將Al2O3夾雜物變質為鎂鋁尖晶石，從而細化晶粒［26］。

2.3 優化精煉渣成分

阮小江等［27］在實驗室研究了成分為（47%～64%）CaO、（13% ～23%）SiO2、（15% ～25%）Al2O3、（5%～10%）MgO、（0～8%）CaF2的精煉渣對GCr15軸承鋼中氧含量和夾雜物的影響時發現，渣的二元堿度由2.0增加至4.5時，鋼液終點全氧含量由20×10-6降至11×10-6，夾雜物的總數量和總面積都減小。高堿度渣精煉的鋼液中典型的夾雜物為Al2O3和鋁鎂尖晶石等脆性夾雜物，尺寸不大于5μm。適當提高Al2O3的含量或添加CaF2，減少MgO的含量，可以顯著提高精煉渣吸附夾雜物的速度和能力。

張樹海等［28］研究了GCr15軸承鋼在LF精煉過程的潔凈度，發現精煉時間控制在15～20min時，精煉結束后軟吹時間控制在15min，可使鋼中的氧含量降至較低水平，中間包鋼液中的大部分夾雜物尺寸小于15μm。

興澄特鋼采用鐵液＋廢鋼-100tEAF-LF（VD）-CC工藝生產高純凈GCr15軸承鋼，精煉渣系采用（40% ～60%）CaO-（20% ～40%）Al2O3-（5% ～12%）MgO-（4%～10%）SiO2，采用延長 VD吹氬攪拌時間以及控制耐火材料質量的措施后，鋼中的總氧含量低于8×10-6，大尺寸D類夾雜物組成為氧-鋁-鈣-硫、氧-鋁-鎂-鈣（硫）和 鈦-氮-鉻；B 類 夾 雜物組成為氧-鋁-鈣、氧-鋁-鎂-鈣，有效地控制了鋼中大顆粒脆性夾雜物［29］。

2.4 優化熔煉工藝

通過改進煉鋼工藝來降低鋼中的總氧化物夾雜含量是提高軸承鋼滾動接觸疲勞壽命的一種重要方法［30］。為了獲得高質量的鋼，加大兌入鐵液量和選擇高質量的廢鋼進行熔煉是目前常用的方法。在鋼包冶金過程中，精確控制加入鋼中的鋁、硅或鈣含量來促進脫氧和脫硫，全程采用保護澆注，夾雜物含量會大大降低。同位素跟蹤試驗表明，鋼中70%的氧化物夾雜來源于真空脫氣和鋁脫氧，剩下的來源于耐火材料或保護渣［31-32］。

有報道認為，采用酸性熔煉方法可以降低非金屬夾雜物（主要是硅酸鹽）的含量，并使夾雜物具有更好的形狀和變形性［33］。真空熔煉也是降低夾雜物含量的重要途徑，在較高的真空度下，鋼中的氧含量可以降到10×10-6以下［34］。

電渣精煉可以獲得好于真空熔煉的冶煉效果，由于電渣精煉過程中夾雜物的尺寸較小，在相同的氧濃度下，電渣精煉鋼比其它精煉技術生產的鋼對疲勞失效的敏感性要弱［35］。采用電渣精煉不只是簡單地降低了鋼中的氧含量，還降低了鋼中夾雜物的尺寸，使夾雜物的分布更均勻，重熔后可為大夾雜物上浮提供機會。分別對真空冶煉與電渣精煉制備的GCr15軸承鋼進行超高周疲勞試驗，結果表明，后者具有較好的疲勞性能［36］。

9Cr18和9Cr18Mo等不銹軸承鋼可以采用電弧爐冶煉加電渣重熔工藝冶煉［37-38］。采用電渣重熔方法冶煉的鋼中的氧含量達0.28×10-4% ～0.4×10-4%，鋼中的氧化物夾雜細小，但含量較多，從而影響軸承的使用壽命。采用在鋼包中吹氬攪拌、電磁攪拌、真空脫氣等可使鋼中的氧、鈦及硫總含量控制在低于80×10-4%的水平［39］。

目前，國內外對重要用途的軸承鋼多采用真空感應加真空自耗（雙真空）冶煉，此工藝生產的新型不銹軸承鋼6Cr14Mo的純凈度得到大幅提高，氧含量僅為5×10-4%（一般都小于10×10-4%），且氧化物夾雜數量較少，尺寸較細小，分布較均勻［40］。

3 軸承鋼夾雜物控制技術的發展方向

3.1 超高純凈鋼精煉工藝的進一步優化

高純凈鋼是指冶煉時在二次精煉渣中的低級氧化物（FexO、MnO、Cr2O3）的質量分數不超過1%、氧含量不超過10×10-4%的鋼；而超高純凈鋼是指低級氧化物的質量分數不超過1%、氧含量不超過6×10-6、并且采用極值統計法在30 000mm2面積上的最大夾雜物直徑不超過30μm的鋼［41］。為此，在保證鋼液成分符合要求的前提下，應對精煉工序的每一個環節進行優化控制，具體要求如表1所示。

20世紀80年代，某特殊鋼廠采用電爐正常工藝冶煉，出鋼后至噴粉站用鹵化物合成粉劑進行鋼包噴粉精煉，可使精煉后鋼中的點狀夾雜物均為零級，并驗證了用氯可以消除點狀夾雜物和鈣是點狀夾雜成因的理論［42］。

3.2 改善精煉渣成分以控制鋼中的氧含量

改善精煉渣成分，首先應設計出堿度合適、熔點低、流動性好、吸收Al2O3夾雜物能力強、精煉效果好的精煉渣；其次，利用熔渣組分活度計算的熱力學模型計算精煉渣中組元的活度，為軸承鋼中金屬和熔渣反應的熱力學計算提供必要的熱力學數據，分析不同精煉渣系的脫氧、脫硫和夾雜物控制效果。在實驗室條件下，考察添加稀土氧化物的不同精煉渣系對軸承鋼氧含量和夾雜物的影響，測定精煉渣吸收Al2O3夾雜物的能力，為確定適合現場生產使用的軸承鋼精煉渣系提供參考數據。

表1 超高純凈鋼精煉及連鑄各工序的控制要點Tab.1 The control points of each process in ultra clean steel refining and continuous casting

軸承鋼的鋁脫氧效果與渣中Al2O3的活度有直接關系，Al2O3的活度隨著體系中Ce2O3含量的增加而降低［43］，含適量Ce2O3的高堿度精煉渣具有較好的熔化和流動性能［44］。在常規精煉渣中采用Ce2O3代替部分Al2O3可以有效降低Al2O3的活度，從而提高鋼的精煉效果。同時，含Ce2O3的精煉渣與含有鋁的熔體間平衡時溶解有少量的鈰，這對細小Al2O3夾雜物的變性和鋼的微合金化具有重要作用［45-48］。Anacleto等［49］的研究表明，在CaO-SiO2渣中添加Ce2O3能夠提高渣與碳飽和鐵間硫的分配比，且相同含量的Ce2O3比CaO具有更好的脫硫效果。

Yang等［50］等采用高溫熔煉試驗研究了不同Ce2O3含量的精煉渣對鋁鎮靜鋼脫氧、脫硫及改善Al2O3夾雜物的影響。結果表明，在精煉渣（50%CaO-33%Al2O3-7%MgO-10%SiO2）中采用10%的Ce2O3代替Al2O3有利于促進渣吸收Al2O3夾雜，在15min內可使氧含量由100×10-4%降低到25×10-4%，鑄態鋼中的夾雜物為鎂-鋁-鈰-氧型。熱力學計算表明，在鈰含量為6.9×10-4%～3.6×10-4%時，鋁含量控制為0.01%即可生成Ce2O3·Al2O3夾雜物。

3.3 鋼中夾雜物及碳化物分布的均勻性控制

軸承的破壞往往由許多夾雜物中的一顆大夾雜物引起，夾雜物的尺寸與分布對其疲勞壽命有著極大的影響。從冶煉角度來看，夾雜物和碳化物決定著軸承鋼質量的好壞。夾雜物破壞鋼中基體的連續性，惡化軸承的使用性能，故越少越好；碳化物能夠保證軸承鋼的硬度、強度、耐磨性和疲勞壽命等基本性能，但要求其尺寸要小，且在鋼中均勻分布。

微量鎂能改善鎳基和鐵基高溫合金中碳化物的形態，并能顯著改善其性能［19］。在含 1.0%C、1.5%Cr的軸承鋼中碳化物很多，極易產生偏析導致鋼的內部組織不均勻，對性能不利。陸青林等［51］發現微量鎂有利于軸承鋼中碳化物球化，并能消除帶狀及網狀碳化物，優化碳化物的形態。

3.4 夾雜物變性處理

采用鋁脫氧的軸承鋼中最有害的夾雜物是大尺寸的以Al2O3為核心的復合氧化物或氧硫氮復合物。為了避免形成這類夾雜物或減少其危害，不同的研究者探索了對軸承鋼中夾雜物進行改性的技術［52-57］。主要的做法是選擇比鋁脫氧能力更強的合金元素處理鋼液使鋼中的夾雜物變性，通過改變夾雜物的組成來實現降低夾雜物熔點或粗化夾雜物以使其在冶煉過程中上浮去除，或形成細小彌散分布的夾雜物以達到降低其對鋼性能的危害。對軸承鋼中夾雜物進行變性處理大多是采用鋇合金對鋼液脫氧形成大尺寸的鋇系夾雜物［52-54］。采用鎂合金處理軸承鋼［55-57］使夾雜物變性的結果是在鋼中形成細小彌散分布的MgO·Al2O3夾雜物，減少了簇狀Al2O3的形成，大大降低了大尺寸Al2O3及鋁酸鈣類夾雜物對鋼的危害。同時，有研究表明，鎂合金對軸承鋼中的碳化物具有球化作用。鋇、鎂合金良好的脫氧、脫硫作用降低了鋼中氧化物和硫化物夾雜的數量。由此可見，夾雜物變性處理對減少鋼中夾雜物數量、改善夾雜物在鋼中的分布及最終提高鋼的性能具有重要作用。但夾雜物變性處理在國內軸承鋼生產中的應用并沒有得到很好的推廣，無論是夾雜物變性理論還是處理工藝方面，還需要進行進一步的探索。

目前對夾雜物變性處理的探索可以從以下幾個方面展開。（1）優化鎂鋁、鋇系合金進行變性處理的工藝，探索其成分、加入量、加入方式及處理時間等對鋼液脫氧和夾雜物變性的影響，并分析其作用機理。（2）采用共聚焦激光掃描高溫顯微鏡在線觀察軸承鋼熔煉、凝固過程中夾雜物及碳化物的析出過程，結合掃描電鏡和能譜儀分析夾雜物組成的變化，分析析出機理。（3）采用理論模型評估精煉渣的熱力學性質，計算軸承鋼中幾種主要夾雜物生成的熱力學，參數并分析夾雜物形成的機理，為合理設計精煉渣提供參考。（4）針對精煉渣中FeO、MnO、Cr2O3總量不高于1%的脫氧過程，研究鋼中各個氧化物系夾雜的生成、凝聚長大及上浮除去變化規律，研究其生成部位和生成機理。如在高純凈鋼的精煉渣中加入能在渣層中均勻彌散分布的示蹤物，詳細調查氧化物系夾雜物在精煉過程中的行為，分析其生成機理。（5）探索稀土合金對鋼液進行處理的工藝，分析稀土合金脫氧劑對夾雜物去除和變性的影響。

3.5 夾雜物檢測和評價體系的改進

對潔凈鋼力學性能影響的主要因素為鋼中夾雜物的尺寸、形態及分布，量少而尺寸最大的夾雜物對鋼性能的影響最為顯著。目前，確定夾雜物的成分及跟蹤它們的來源是潔凈度評估的常規項目，對夾雜物的分析主要集中在夾雜物的定量參數上，如成分、尺寸、數量及分布［58］。在表征夾雜物的諸方法中，沒有單一的檢測技術能全面描述夾雜物的所有信息。如，一般的線性統計分析法統計夾雜物尺寸時計算量大，且將統計的尺寸轉換為平均直徑時的工作量也較大［59］，已被可視性和準確性較高的金相面積法所取代［60］；檢測1mg至幾百克試樣的時間從幾分鐘到100h不等，故需適當地將幾種方法結合起來，然后采用統計分析的方法來評價檢測到的最終結果。

Atkinson等［61］介紹了可以從少量鋼樣中（通常是幾克）預測出大批量鋼樣中最大夾雜物尺寸的統計分析方法，該方法又細分為對數分布外推法、極值統計法（SEV）和廣義帕累托分布（GDP）方法。大批量鋼樣中最大夾雜物尺寸的估計有助于鋼材使用者了解最壞夾雜物帶來的潛在危險，也可幫助鋼鐵生產者在煉鋼過程中控制夾雜物尺寸。

使鋼失效的夾雜物尺寸稱為鋼中夾雜物的臨界尺寸［62］，其計算方法各不相同。假設夾雜物是類似于鋼基體中的裂紋缺陷，那么可以通過計算斷裂韌性來估計夾雜物的臨界尺寸。軸承鋼旋轉彎曲疲勞失效的臨界夾雜物尺寸在鋼表面下約為10μm，但在鋼表面下100μm處則增大到30μm［63］。對于軸承鋼而言，有必要采用統計方法估計大樣本鋼樣中夾雜物的最大尺寸，并分析出現大于夾雜物臨界尺寸的原因。

針對以前的統計分析在確定鋼中夾雜物尺寸時需要根據不同類型的夾雜物進行修正的不足，Stefano等［64］提出了一種更實用的新模型用以預測含兩種或多種夾雜物時夾雜物的尺寸。新模型還可以在不區分單個夾雜物類型的情況下估計出不同類型夾雜物的比例，并可以預測夾雜物特征變化對夾雜物最大尺寸的影響。Tortoreto等［65］指出，隨著脈沖分布解析原子發射光譜法（PDA-OES）分辯率的提高，可以獲得夾雜物的尺寸、數量以及空間分布信息。在應用電子探針微區分析（EPMA）或PDAOES技術的自動監控過程中對拋光后的鋼表面進行掃描分析，可以獲得夾雜物的截面面積及其邊界信息。由于夾雜物的形狀和表面特性可以揭示出某類夾雜物的形成過程，從而可以獲知夾雜物的形成、生長和演變等相關信息。采用共聚焦激光掃描顯微鏡和光學顯微鏡進行分析可以了解鋼中夾雜物的相互作用機制，但是PDA-OES只檢測夾雜物的數量而不能給出尺寸。

針對夾雜物尺寸的檢測，Pande［66］等采用兩種方法估計了PDA法判斷夾雜物尺寸的可能性。第一種方法是通過區分酸溶鋁和全鋁的差別，來獲得超低碳鋼中含鋁夾雜物的數量及平均尺寸；第二種方法是測得鋼中含鋁夾雜物中鋁含量的峰強度，進而給出夾雜物尺寸分布。

由于高潔凈鋼中的夾雜物降低到了一個很低的水平，常規的金相和超聲檢測已不再適用。低含量和小尺寸的夾雜物檢測要求提供大面積或體積的鋼樣來獲得夾雜物含量的信息。隨著對鋼鐵部件可靠性和壽命要求的不斷提高，需要開發一套盡可能精確的可靠方法來描述夾雜物的分布，并建立其與處理過程的關系，以便能夠足夠準確和靈活地用于幫助開發新工藝。夾雜物提取及檢測方法優化的研究方向體現在：（1）采用帶自動分析軟件的電鏡來分析夾雜物組成、含量、尺寸及分布等信息；（2）采用非水溶液電解提取鋼中的夾雜物，結合電鏡分析結果，采用極值統計法來分析夾雜物的尺寸，獲得對鋼性能危害最大的大尺寸夾雜物的相關信息，為生產工藝的改進提供參考。

4 結束語

軸承鋼中的夾雜物直接影響軸承鋼的質量，從而影響其使用壽命。在控制好軸承鋼主要合金元素化學成分的前提下，其冶煉質量主要靠鋼液潔凈度和鑄態鋼組織控制，其關鍵是鋼中氧含量及氧化物夾雜的控制。軸承鋼中夾雜物控制存在的主要問題是鋼的純凈度控制不穩定；精煉、澆鑄工藝有待進一步優化；鑄坯質量在線檢測設備缺乏，夾雜物檢測方法有待改進。合理控制初煉爐的終點碳含量、選擇合適的脫氧劑提高脫氧能力或使夾雜物變性、優化精煉渣成分提高其吸收夾雜物的能力、優化熔煉工藝減少大尺寸夾雜物并改善其在鋼中的分布是降低軸承鋼中氧及氧化物夾雜的主要措施。軸承鋼夾雜物控制技術發展的方向表現在：超高純凈鋼精煉工藝的進步優化；以控制鋼中氧含量為目標的精煉渣成分的選擇和優化；鋼中夾雜物及碳化物分布均勻性控制；夾雜物變性處理及去除機理研究；夾雜物檢測方法的開發，夾雜物評價體系的構建與優化。

［1］鐘順思，王呂生.軸承鋼［M］.北京：冶金工業出版社，2002.

［2］楊忠敏.談談軸承鋼及其冶金質量檢驗［J］.金屬世界，2011（1）：40-45.

［3］BHADESHIA H K D H.Steels for bearings［J］.Progress in Materials Science，2012，57（2）：268-435.

［4］吳承建，陳國良，強文江.金屬材料學［M］.北京：冶金工業出版社.

［5］CIRUNA J A，SZIELEIT H J.The effect of hydrogen on the rolling contact fatigue life of AISI 52100and 440Csteel balls［J］.Wear，1973，24（1）：107-108.

［6］KINO N，OTANI K.The influence of hydrogen on rolling contact fatigue life and its improvement［J］.Soc Automot Eng Jpn，2003，24（3）：289-294.

［7］GORANSSON M，REINHOLDSSON F， WILLMAN K.Evaluation of liquid steel samples for the determination of microinclusion characteristics by spark-induced optical emission spectroscopy［J］.Iron and Steelmaker（USA），1999，26（5）：53-58.

［8］王平，馬延溫.日本軸承鋼現狀［J］.特殊鋼，1991，12（2）：6-9.

［9］耿克，昊明，翁韶華，等.高純凈GCrl5軸承鋼脆性夾雜物的控制［J］.特殊鋼，2008，29（5）：54-55.

［10］汪質剛，肖愛平，潘明旭，等.高品質大規格GCr18Mo軸承鋼的試制［J］.特殊鋼，2008，29（3）：55-56.

［11］費三林，周立新，潘明旭，等.軸承鋼GCr15連鑄鋼水流動性差的原因和改進措施［J］.特殊鋼，2011，32（2）：41-43.

［12］朱旻昊，周仲榮.GCr15軸承鋼的復合微動磨損行為研究［J］.機械工程材料，2003，27（2）：10-13.

［13］HOO，JOSEPH J C.Effect of steel manufacturing processes on the quality of bearing steels［M］.ASTM International，1988，987：308-330.

［14］LUND T，LANE S.Determination of oxygen and oxidic nonmetallic inclusion contents in rolling bearing steels［J］.Ball Bearing Journal，1987，231：36-47.

［15］LUND T，B?LUND L J P.Improving production，control and properties of bearing steels intended for demanding applications［J］.American Society for Testing and Materials，1999，1361：32-48.

［16］LUTY W.Oxygen as a criterion to assess the degree of purity and the resistance to pitting of antifriction bearing steel［J］.Archiv Für Das Eisenhüttenwesen，1971，42：49-53.

［17］ECKEL J A，GLAWAS P C，WOLFE J O，et al.Clean engineered steels-progress at the end of the 20th century［C］//Advances in the Production and Use of Steel with Improved Internal Cleanliness.Pennsylvania（USA）：ASTM，1999：1-10.

［18］UNIGAME Y，HIRAOKA K，TAKASU I，et al.Evaluation procedures of nonmetallic inclusion in steel for highly reliable bearings［J］.Journal of ASTM International，2007，3（5）：34-41.

［19］王治鈞，袁守謙，姚成功.軸承鋼冶煉工藝的對比與淺析［J］.金屬材料與冶金工程，2011，39（3）：58-62.

［20］李作賢，賴道金.鋁對高碳鉻軸承鋼氧含量和夾雜物的影響［J］.特鋼技術，2006（3）：28-31.

［21］田繼武.含鋇脫氧劑在電弧爐煉鋼中的應用［J］.特殊鋼，1994（5）：55-56.

［22］洪秀芝.硅鋇合金脫氧劑在煉鋼中的應用［J］.特殊鋼技術，1995（1）：35-41.

［23］王世俊，董元篪，徐長青，等.鋇系合金脫氧基礎研究［J］.鐵合金，1995（6）：16-18.

［24］劉興國，吳曉東，王忠英，等.軸承鋼應用Si-Al-Ba合金脫氧及去夾雜物的研究［J］.上海金屬，2007，29（2）：29-33.

［25］陳向陽，姜周華，朱苗勇，等.鎂對GCrl5軸承鋼中氧化鋁夾雜的變質行為［J］.特殊鋼，2009，30（4）：11-13.

［26］GONG W，JIANG Z H，ZHAN D P.Application of Al-Mg alloy in bearing steel［J］.Material Science Forum，2009，620：387-390.

［27］阮小江，姜周華，龔偉，等.精煉渣對軸承鋼中氧含量和夾雜物的影響［J］.特殊鋼，2008，29（5）：1-3.

［28］張樹海，邢梅巒，郝彥英.GCrl5軸承鋼LF精煉過程鋼的潔凈度變化［J］.煉鋼，2008，24（3）：13-16.

［29］耿克，昊明，翁韶華，等.高純凈GCrl5軸承鋼脆性夾雜物的控制［J］.特殊鋼，2008，29（5）：54-55.

［30］TARDY P，TOLNAY L，KAROLY G，et al.Bearing steels：cleanliness or inclusion modification［C］//The Sixth International Iron and Steel Congress.［S.l.］：［s.n］，1990，3：629-636.

［31］PASARICA V，CROITORU J，CONSTANTINESCU S，et al.The origin and content of Al2O3nonmetallic inclusions in ball bearing steel［J］.Metalurgia（Bucharest），1981，33：329-349.

［32］GUDIM Y U.Causes of contamination of high-quality steel with refining slag inclusions and methods of producing clean metal［J］.USSR，1991，6：22-26.

［33］STOVPCHENKO A P，MEDOVAR L B.Acid process in modern steelmaking［J］.Russian Metallurgy（Metally），2008，7：542-544.

［34］ZHENG L，MINGHUA X.Study of vacuum carbon deoxidation of high carbon chromium-bearing steel［J］.Journal of ASTM Internationalt，2006，3（6）：20-24.

［35］UNIGAME Y，HIRAOKA K，TAKASU I.Evaluation procedures of nonmetallic inclusion in steel for highly reliable bearings［J］.Journal of ASTM International，2006，3（5）：34-40.

［36］李永德，楊振國，李守新，等.GCr15軸承鋼超高周疲勞性能與夾雜物相關性［J］.金屬學報，2008，44（8）：968-972.

［37］宋志敏，張虹.我國軸承鋼生產及質量現狀［J］.鋼鐵研究學報，2000，12（4）：59-63.

［38］米浩，李士琦.軸承鋼VArD精煉過程的系統分析和經驗模型的研究［J］.鋼鐵研究學報，1993，5（1）：15-21.

［39］B?HMER H J.A new approach to determine the effect of nonmetallic inclusions on material behavior in rolling contact［J］.ASTM Special Technical Publication，1993，1195：211-211.

［40］謝璞石，俞峰，魏果能，等.冶煉工藝對新型不銹軸承鋼的冶金質量和接觸疲勞壽命的影響［J］.天津冶金，2010（2）：29-32.

［41］川上潔.軸受鋼的清凈化［C］//日本鐵鋼協會第182-183次西山紀念技術講座.東京：［出版單位不詳］，2004：151-164.

［42］趙衛東，馬曉禾，徐世錚.鋼包噴吹鹵化物-氧化物合成粉劑消除軸承鋼點狀夾雜的研究［J］.材料與冶金學報，2007，6（1）：12-15.

［43］UEDA S，MORITA K，SANO N.Activity of AlO1.5for the CaO-AlO1.5-CeO1.5system at 1773K［J］.ISIJ International，1998，38（12）：1292-1296.

［44］LONG H，CHENG G G，WU B.Research on the melting and fluidity properties of refining slag containing Ce2O3for steelmaking［J］.Journal of the Chinese Rare Earth Society，2010，28（6）：721-726.

［45］LONG H.Measurements of physical properties of Ce2O3contained refining slags and their effects on steel cleanliness［D］.Beijing：University of Science and Technology Beijing，2011.

［46］HIRATA H，ISOBE K.Steel having finely dispersed inclusions：U.S，Patent Application 10/547，303［P］.2004-03-11.

［47］GUO M X，HIDEAKI S.Effect of dissolved cerium on austenite grain growth in an Fe-0.20mass%C-0.02mass%P Alloy［J］.ISIJ International，1999，39（11）：1169-1175.

［48］COSANDEY F，LI D，SCZERZENIE F.The effect of cerium on high temperature tensile and creep behavior of a superalloy［J］.Metallurgical Transactions：A，1983，14（3）：611-621.

［49］ANACLETO N M，LEE H G，HAYES P C.Sulphur partition between CaO-SiO2-Ce2O3slags and carbon-saturated iron［J］.ISIJ International，1993，33（5）：549-554.

［50］YANG X H，LONG H，CHENG G G.Effect of refining slag containing Ce2O3on steel cleanliness［J］.Journal of Rare Earths，2011，11（29）：1079-1083.

［51］陸青林，鄭少波，裘旭迪，等.鋼中微量Mg對軸承鋼中碳化物的影響［J］.上海金屬，2008，30（6）：28-32.

［52］王忠英，吳曉東，劉興國.鋇合金脫氧生產軸承鋼的研究及作用機理［J］.煉鋼，2008，24（2）：38-42.

［53］吳惠榮.鋇合金處理對軸承鋼脫氧及剛中夾雜物的研究［J］.江蘇冶金，2007，35（5）：11-15.

［54］韓建淮，陸平，王忠英.鋼鋇合金脫氧工藝的分析及實踐［J］.鋼鐵研究學報，2004，16（5）：18-22.

［55］周德光，傅杰，李晶，等.軸承鋼中鎂的控制及作用研究［J］.鋼鐵，2002，37（7）：23-25.

［56］劉軍，陸青林，李錚，等.軸承鋼中微量鎂改善碳化物作用機理研究［J］.鋼鐵研究學報，2011，23（5）：39-44.

［57］龔偉，姜周華，戰東平，等.軸承鋼中鎂的行為熱力學分析［J］.過程工程學報，2009，9（增1）：117-121.

［58］KANG Y，SAHEBKAR B，SCHELLER P R，et al.Observation on physical growth of nonmetallic inclusion in liquid steel during ladle treatment［J］.Metallurgical and Materials Transactions：B，2011，42（3）：522-534.

［59］NISHIMURA S，ZHANG Z G，SUGIYAMA K I，et al.Transformation and fragmentation behavior of molten metal drop in sodium pool［J］.Nuclear Engineering and Design，2007，237（23）：2201-2209.

［60］WANG H L，MA Y T，WANG S M.Area method analysis and thermodynamic behavior of nonmetallic micro-inclusions in casting slab of GCr15bearing steel［J］.Transactions of Tianjin University，2009，15（3）：187-192.

［61］ATKINSON H V，SHI G.Characterization of inclusions in clean steels：a review including the statistics of extremes methods［J］.Progress in Materials Science，2003，48：457-520.

［62］KIESSLING R.Clean steels-a debatable concept［C］//Clean Steels-Proceeding of the Second International Conference on Clean Steels.London：the Institute of Metals，1983：1-9.

［63］KIESSLING R.Nonmetallic inclusions in steel［M］.London：Metals Society，1978：28-33.

［64］BERETTA S，ANDERSON C，MURAKAMI Y.Extreme value models for the assessment of steels containing multiple types of inclusion［J］.Acta Materialia，2006，54（8）：2277-2289.

［65］TORTORETO G，SCIABOLETTA D，ROTICIANI S.鋼中夾雜物的常規定性分析［J］.冶金分析，2007，27（4）：1-6.

［66］PANDE M M，GUO M，DUMAREY R，et al.Determination of steel cleanliness in ultra low carbon steel by pulse discrimination analysis-optical emission spectroscopy technique［J］.ISIJ International，2011，51（11）：1778-1787.