朱誠意，吳炳新，張志成，李光強(qiáng)，潘明旭

（1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)用覆蓋了工業(yè)、農(nóng)業(yè)及軍事等諸多領(lǐng)域。軸承鋼的質(zhì)量直接影響到設(shè)備轉(zhuǎn)動部件的壽命，從而最終影響到設(shè)備運(yùn)行的安全可靠程度［1-2］。從中國軸承鋼網(wǎng)發(fā)布的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計后可以看出，國內(nèi)軸承鋼的產(chǎn)量由21世紀(jì)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(fā)展對軸承鋼產(chǎn)量要求的同時，都把重心放在了提高現(xiàn)有產(chǎn)品質(zhì)量和高性能新型軸承鋼產(chǎn)品品種的研發(fā)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(jù)統(tǒng)計，由鋼中非金屬夾雜物和碳化物不均勻等冶金質(zhì)量缺陷所引起的失效數(shù)占總失效數(shù)的65%。鋼中非金屬夾雜物主要來源于冶煉過程中產(chǎn)生的脫氧產(chǎn)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(shù)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(tài)及熱處理狀態(tài)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(chǎn)生的影響程度依賴于其化學(xué)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(shù)量和尺寸［5-6］，若要使軸承鋼達(dá)到使用要求，關(guān)鍵是控制好它的冶金質(zhì)量，即化學(xué)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(jìn)行了很多研究，也取得了很多成果，為給國內(nèi)相關(guān)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(shù)的發(fā)展方向進(jìn)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(jù)美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)，將鋼中的夾雜物按形態(tài)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(jù)其寬度或直徑分為粗系和細(xì)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(dú)的接觸界面，所有夾雜物的熔點(diǎn)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(jié)合后形成的復(fù)合氧化物和以Al2O3為核心的復(fù)合氧化物外包 MnS、TiN、Ti（C，N）、CaS形成的氧、硫、氮復(fù)合夾雜物。

1.2 國內(nèi)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(xué)成分的情況下，軸承鋼的冶煉質(zhì)量主要受鋼液潔凈度和鑄態(tài)鋼組織的控制。為此，需要優(yōu)化軸承鋼的精煉工藝以降低鋼中雜質(zhì)元素的含量（進(jìn)而減少鋼中夾雜物的數(shù)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(jìn)鑄造工藝制度來提高鑄坯質(zhì)量。目前，國內(nèi)軸承鋼夾雜物及鑄坯質(zhì)量控制存在的主要問題表現(xiàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），最大夾雜物尺寸低于15μm［7］。和國際先進(jìn)水平相比，國內(nèi)軸承鋼中的雜質(zhì)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(zhì)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(jìn)一步優(yōu)化。我國軸承鋼生產(chǎn)先進(jìn)企業(yè)在熔煉設(shè)備與瑞典、日本等國家先進(jìn)企業(yè)的差距較小，但熔煉及澆鑄工藝需要進(jìn)一步改善。如日本先進(jìn)企業(yè)已采用徹底除去電爐渣、LF雙透氣磚底吹攪拌、RH環(huán)流管擴(kuò)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(chǎn)時容易產(chǎn)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(chǎn)軸承鋼［9］，經(jīng)結(jié)晶器電磁攪拌之后，連鑄坯碳偏析指數(shù)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(guī)格軸承鋼中碳化物超過5.0級。連鑄過程中相關(guān)的輕壓下、分段電磁攪拌技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)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(zhì)量在線檢測設(shè)備缺乏，夾雜物檢測方法有待改進(jìn)。國內(nèi)企業(yè)對軸承鋼鑄坯質(zhì)量無法在線檢測，不具備在線探傷裝備，不能及時發(fā)現(xiàn)鑄坯內(nèi)部或表面的缺陷。國外20世紀(jì)90年代初就利用改進(jìn)的光學(xué)發(fā)射光譜（OES）法［12］對軸承鋼中的夾雜物進(jìn)行在線分析，能快速得到鋼中夾雜物的信息，為及時調(diào)整精煉工藝、準(zhǔn)確控制鋼中夾雜物提供參考。國內(nèi)普遍采用對澆鑄結(jié)束后的鑄坯進(jìn)行取樣，采用金相法制樣后用光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡進(jìn)行夾雜物的統(tǒng)計分析，然后根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析夾雜物形成的影響因素，進(jìn)而調(diào)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(guān)鍵是鋼中氧含量及氧化物的控制。Lund等［13］經(jīng)過大量試驗(yàn)獲得了軸承鋼疲勞壽命與氧含量的關(guān)系：L10（相對壽命）＝372×（w［O］）-16，即二次精煉后氧含量達(dá)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(guān)。固態(tài)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(zhì)［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(guān)［16-18］。軸承鋼通過脫氧精煉工藝可使鋼中的氧含量達(dá)到低于4.5×10-4%、無3μm以上不變形D類夾雜物的國際先進(jìn)水平。要使鋼的成分穩(wěn)定、組織均勻、不出現(xiàn)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(xù)到最終的澆鑄工序。

2.1 初煉爐出鋼終點(diǎn)的碳控制

當(dāng)出鋼終點(diǎn)碳含量過低時，鋼中的溶解氧高，導(dǎo)致后續(xù)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(diào)整和控制鋼渣的成分困難。而過高的出鋼終點(diǎn)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(diǎn)碳含量一般控制得較低（0.2%左右）；轉(zhuǎn)爐冶煉時，大都采用高拉碳冶煉的方法來達(dá)到較高的終點(diǎn)碳含量（0.6%左右），以適應(yīng)轉(zhuǎn)爐的快節(jié)奏［19］。

2.2 選擇合適的脫氧劑

在軸承鋼生產(chǎn)過程中，用鋁進(jìn)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(hù)不好易導(dǎo)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(dǎo)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(fā)現(xiàn)，鋼中酸溶鋁含量控制在0.02%～0.04%時可使鋼的晶粒細(xì)化，從而獲得較高的強(qiáng)韌性。

鋇是一種較為理想的脫氧變質(zhì)劑，鋇合金不僅脫氧能力強(qiáng)，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(chǎn)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(jìn)行脫氧后，鋼中的全氧含量迅速降到一穩(wěn)定值，最終鋼中無含鋇的點(diǎn)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(xì)小彌散、分布均勻。

鎂對軸承鋼中Al2O3夾雜物的變質(zhì)具有顯著作用。陳向陽等［25］發(fā)現(xiàn)，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(zhì)成MgO·Al2O3，鋼中大于10μm的Al2O3夾雜物轉(zhuǎn)變成細(xì)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(dāng)控制其化學(xué)組成，可將Al2O3夾雜物變質(zhì)為鎂鋁尖晶石，從而細(xì)化晶粒［26］。

2.3 優(yōu)化精煉渣成分

阮小江等［27］在實(shí)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)，渣的二元堿度由2.0增加至4.5時，鋼液終點(diǎn)全氧含量由20×10-6降至11×10-6，夾雜物的總數(shù)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(dāng)提高Al2O3的含量或添加CaF2，減少M(fèi)gO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(fā)現(xiàn)精煉時間控制在15～20min時，精煉結(jié)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(chǎn)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(zhì)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(yōu)化熔煉工藝

通過改進(jìn)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(zhì)量的鋼，加大兌入鐵液量和選擇高質(zhì)量的廢鋼進(jìn)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(jìn)脫氧和脫硫，全程采用保護(hù)澆注，夾雜物含量會大大降低。同位素跟蹤試驗(yàn)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(hù)渣［31-32］。

有報道認(rèn)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(shù)生產(chǎn)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(jī)會。分別對真空冶煉與電渣精煉制備的GCr15軸承鋼進(jìn)行超高周疲勞試驗(yàn)，結(jié)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(dá)0.28×10-4% ～0.4×10-4%，鋼中的氧化物夾雜細(xì)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(nèi)外對重要用途的軸承鋼多采用真空感應(yīng)加真空自耗（雙真空）冶煉，此工藝生產(chǎn)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(shù)量較少，尺寸較細(xì)小，分布較均勻［40］。

3 軸承鋼夾雜物控制技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 超高純凈鋼精煉工藝的進(jìn)一步優(yōu)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過1%、氧含量不超過6×10-6、并且采用極值統(tǒng)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(yīng)對精煉工序的每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化控制，具體要求如表1所示。

20世紀(jì)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(jìn)行鋼包噴粉精煉，可使精煉后鋼中的點(diǎn)狀夾雜物均為零級，并驗(yàn)證了用氯可以消除點(diǎn)狀夾雜物和鈣是點(diǎn)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(yīng)設(shè)計出堿度合適、熔點(diǎn)低、流動性好、吸收Al2O3夾雜物能力強(qiáng)、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(xué)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(yīng)的熱力學(xué)計算提供必要的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，分析不同精煉渣系的脫氧、脫硫和夾雜物控制效果。在實(shí)驗(yàn)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(xiàn)場生產(chǎn)使用的軸承鋼精煉渣系提供參考數(shù)據(jù)。

表1 超高純凈鋼精煉及連鑄各工序的控制要點(diǎn)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(guān)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(guī)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(xì)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(yàn)研究了不同Ce2O3含量的精煉渣對鋁鎮(zhèn)靜鋼脫氧、脫硫及改善Al2O3夾雜物的影響。結(jié)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(jìn)渣吸收Al2O3夾雜，在15min內(nèi)可使氧含量由100×10-4%降低到25×10-4%，鑄態(tài)鋼中的夾雜物為鎂-鋁-鈰-氧型。熱力學(xué)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(zhì)量的好壞。夾雜物破壞鋼中基體的連續(xù)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(qiáng)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(tài)，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(chǎn)生偏析導(dǎo)致鋼的內(nèi)部組織不均勻，對性能不利。陸青林等［51］發(fā)現(xiàn)微量鎂有利于軸承鋼中碳化物球化，并能消除帶狀及網(wǎng)狀碳化物，優(yōu)化碳化物的形態(tài)。

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(fù)合氧化物或氧硫氮復(fù)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(jìn)行改性的技術(shù)［52-57］。主要的做法是選擇比鋁脫氧能力更強(qiáng)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(shí)現(xiàn)降低夾雜物熔點(diǎn)或粗化夾雜物以使其在冶煉過程中上浮去除，或形成細(xì)小彌散分布的夾雜物以達(dá)到降低其對鋼性能的危害。對軸承鋼中夾雜物進(jìn)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(jié)果是在鋼中形成細(xì)小彌散分布的MgO·Al2O3夾雜物，減少了簇狀A(yù)l2O3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(shù)量。由此可見，夾雜物變性處理對減少鋼中夾雜物數(shù)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(nèi)軸承鋼生產(chǎn)中的應(yīng)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(jìn)行進(jìn)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(yōu)化鎂鋁、鋇系合金進(jìn)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(jī)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(jié)合掃描電鏡和能譜儀分析夾雜物組成的變化，分析析出機(jī)理。（3）采用理論模型評估精煉渣的熱力學(xué)性質(zhì)，計算軸承鋼中幾種主要夾雜物生成的熱力學(xué)，參數(shù)并分析夾雜物形成的機(jī)理，為合理設(shè)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(guī)律，研究其生成部位和生成機(jī)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(xì)調(diào)查氧化物系夾雜物在精煉過程中的行為，分析其生成機(jī)理。（5）探索稀土合金對鋼液進(jìn)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(jìn)

對潔凈鋼力學(xué)性能影響的主要因素為鋼中夾雜物的尺寸、形態(tài)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(guī)項(xiàng)目，對夾雜物的分析主要集中在夾雜物的定量參數(shù)上，如成分、尺寸、數(shù)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(shù)能全面描述夾雜物的所有信息。如，一般的線性統(tǒng)計分析法統(tǒng)計夾雜物尺寸時計算量大，且將統(tǒng)計的尺寸轉(zhuǎn)換為平均直徑時的工作量也較大［59］，已被可視性和準(zhǔn)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(dāng)?shù)貙追N方法結(jié)合起來，然后采用統(tǒng)計分析的方法來評價檢測到的最終結(jié)果。

Atkinson等［61］介紹了可以從少量鋼樣中（通常是幾克）預(yù)測出大批量鋼樣中最大夾雜物尺寸的統(tǒng)計分析方法，該方法又細(xì)分為對數(shù)分布外推法、極值統(tǒng)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(chǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(tǒng)計方法估計大樣本鋼樣中夾雜物的最大尺寸，并分析出現(xiàn)大于夾雜物臨界尺寸的原因。

針對以前的統(tǒng)計分析在確定鋼中夾雜物尺寸時需要根據(jù)不同類型的夾雜物進(jìn)行修正的不足，Stefano等［64］提出了一種更實(shí)用的新模型用以預(yù)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(qū)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(yù)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(fā)射光譜法（PDA-OES）分辯率的提高，可以獲得夾雜物的尺寸、數(shù)量以及空間分布信息。在應(yīng)用電子探針微區(qū)分析（EPMA）或PDAOES技術(shù)的自動監(jiān)控過程中對拋光后的鋼表面進(jìn)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(guān)信息。采用共聚焦激光掃描顯微鏡和光學(xué)顯微鏡進(jìn)行分析可以了解鋼中夾雜物的相互作用機(jī)制，但是PDA-OES只檢測夾雜物的數(shù)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(qū)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(shù)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(qiáng)度，進(jìn)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(guī)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(fā)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(guān)系，以便能夠足夠準(zhǔn)確和靈活地用于幫助開發(fā)新工藝。夾雜物提取及檢測方法優(yōu)化的研究方向體現(xiàn)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(jié)合電鏡分析結(jié)果，采用極值統(tǒng)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(guān)信息，為生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供參考。

4 結(jié)束語

軸承鋼中的夾雜物直接影響軸承鋼的質(zhì)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(xué)成分的前提下，其冶煉質(zhì)量主要靠鋼液潔凈度和鑄態(tài)鋼組織控制，其關(guān)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(wěn)定；精煉、澆鑄工藝有待進(jìn)一步優(yōu)化；鑄坯質(zhì)量在線檢測設(shè)備缺乏，夾雜物檢測方法有待改進(jìn)。合理控制初煉爐的終點(diǎn)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(yōu)化精煉渣成分提高其吸收夾雜物的能力、優(yōu)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(shù)發(fā)展的方向表現(xiàn)在：超高純凈鋼精煉工藝的進(jìn)步優(yōu)化；以控制鋼中氧含量為目標(biāo)的精煉渣成分的選擇和優(yōu)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(jī)理研究；夾雜物檢測方法的開發(fā)，夾雜物評價體系的構(gòu)建與優(yōu)化。

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