一、研究的背景與問題
軸承鋼是重要的機械設備基礎零件制造材料，在軍工、航天、交通等領域得到廣泛的應用。隨著制造業(yè)水平的飛速發(fā)展，機械設備的質量與服役時間都大幅度增長，對軸承鋼的疲勞壽命和質量的穩(wěn)定性提出了更高的要求。20世紀末，潔凈鋼冶煉技術的發(fā)展促進了軸承鋼質量的提升，軸承鋼全氧從30ppm降低到5ppm以下，疲勞壽命提升了100倍；隨著冶金技術和裝備能力的提升，軸承鋼的全氧含量不斷降低，目前國內外先進企業(yè)已經可以穩(wěn)定控制在5ppm以下；國際上普遍認為，當軸承鋼中全氧含量小于5ppm，硫含量小于20ppm，鈦含量小于10ppm時，達到超高純凈級。
在工業(yè)生產條件下，滿足超高純凈級的軸承鋼其疲勞壽命的進一步提升隨全氧含量的降低不再顯著，且即使氧含量極低條件下也存在Ds類大顆粒夾雜物導致的疲勞失效難題，進一步提升軸承鋼使用服役壽命，是亟需解決的難題。為此，針對高品質軸承鋼的發(fā)展，學者們提出了如下觀點：一種認為應該進一步提高鋼材潔凈度，降低全氧含量；一種認為在控制鋼中全氧含量的同時，應更加關注鋼中夾雜物尺寸和形態(tài)的控制；同時對于是否控制硫化物也有爭議，有觀點認為硫化物為塑性夾雜，包裹氧化物可降低氧化物危害，不主張很嚴格控制鋼水硫含量。
近年來，我國高品質軸承鋼的生產技術有了重要進步，部分企業(yè)的軸承鋼實物質量已經達到國際先進水平；但是大部分企業(yè)在軸承鋼實物質量的穩(wěn)定性方面，與國際領先水平還有差距。目前，國內外生產高品質軸承鋼主要采用鋁脫氧工藝，通過控制脫氧條件和高堿度渣快速降低鋼液中氧含量和夾雜物數量，部分企業(yè)的高品質軸承鋼全氧含量已經可以控制在5ppm以下。鋁脫氧鋼中常見的夾雜物包括尖晶石、鈣鋁酸鹽和氮化鈦，其中鈣鋁酸鹽和尖晶石被認為是對軸承鋼疲勞壽命影響大的夾雜物，這也是服役過程導致鋁脫氧軸承鋼失效的重要原因之一。
在鋁脫氧方式下，為了提高軸承鋼的質量，現在普遍采用的方法是降低鋼中全氧含量，以減少鋼中夾雜物的數量。一般認為鋼中的全氧含量與夾雜物數量有很好的對應關系，全氧含量越少，夾雜物越少。然而這種脫氧方式并不能消除尖晶石和鈣鋁酸鹽。同時采用鋁脫氧方式也帶了很多問題，（1）是鋼中全氧要控制極低，大大增加了煉鋼生產的難度和成本；（2）由于采用鋁脫氧工藝，惡化了鋼液的流動性，鋼液的連澆爐數大大減少，影響了連鑄坯質量和生產成本；（3）鋼液中的高Al含量容易還原渣中的Ti，從而影響鋼中氮碳化鈦的控制水平，進一步影響軸承鋼的疲勞壽命。
為了避免高品質軸承鋼采用鋁脫氧帶來的上述問題，本項目采用非鋁組合脫氧方式（硅錳預脫氧+擴散脫氧+真空脫氧）冶煉軸承鋼，解決了由于連鑄水口堵塞帶來的鋼質量波動，從源頭上減少了軸承鋼中的鈣鋁酸鹽和尖晶石類夾雜物，同時降低了生產成本。
二、解決問題的思路與技術方案
研究思路如圖 1所示。
圖 1 非鋁脫氧軸承鋼研究思路
中天非鋁脫氧軸承鋼工藝流程，如圖 2所示。
圖 2 中天非鋁脫氧軸承鋼生產工藝流程
通過對國內外高品質軸承鋼實物的疲勞壽命和斷裂機理的深入研究，發(fā)現鋼中夾雜物的類型是影響疲勞壽命的重要因素，其中鈣鋁酸鹽類夾雜物是誘發(fā)疲勞斷裂的主要原因。因此從夾雜物的源頭控制做起，采用非鋁脫氧的方式（硅錳預脫氧+擴散脫氧+真空脫氧），可以從源頭上控制夾雜物的組成，提高軸承鋼的疲勞壽命。通過系統(tǒng)的研究工作，形成以下關鍵技術：
1、以非鋁組合脫氧（硅錳預脫氧+擴散脫氧+真空脫氧）為特色的軸承鋼低氧控制技術；
2、非鋁脫氧軸承鋼的夾雜物控制及流動性改善關鍵技術；
3、非鋁脫氧軸承鋼夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂機理及斷裂行為預測方法；
4、軸承鋼高速線材一火成材關鍵技術集成。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、以非鋁組合脫氧（硅錳預脫氧+擴散脫氧+真空脫氧）為特色的軸承鋼低氧控制技術
非鋁脫氧工藝生產軸承鋼過程中的全氧含量變化如圖3所示，LF精煉出站后，鋼中全氧含量為20ppm左右，經過RH精煉處理后，鋼中的全氧含量有明顯的下降趨勢，降到8-10 ppm。后期冶煉過程中，鋼液發(fā)生了輕微的氧化，最終導致鑄坯中的全氧含量較RH精煉出站時的全氧含量高，所以有必要對連鑄過程采取防止鋼液氧化的手段。從圖4可以看到，非鋁脫氧工藝中鋼液中的氮含量保持在比較低的水平，基本能夠控制30ppm以下。
圖 3 非鋁脫氧工藝RH后氧含量變化 圖 4 非鋁脫氧工藝RH后氮含量變化
2、非鋁脫氧軸承鋼的夾雜物控制及流動性改善關鍵技術
（1）鋼中關鍵成分含量控制作用.試驗中取多爐鑄坯，對鑄坯關鍵成分波動進行了對比分析，如圖 5顯示了鋼中鋁、鈦、硫的含量。結果表明，非鋁脫氧工藝鋼中鋁含量為1-8ppm，而鋁脫氧工藝鋼中鋁含量大于90ppm；非鋁脫氧工藝鋼中鈦含量為3-8ppm，而鋁脫氧工藝鋼中鈦含量為12-17 ppm；非鋁脫氧工藝鋼中硫含量為44-76ppm，而鋁脫氧工藝鋼中硫含量為8-14ppm。
圖 5 鋼中（a）[Al]，（b）[Ti]和（c）[S]含量的比較
（2）冶煉過程中的夾雜物特征控制作用。對夾雜物全自動掃描電鏡結果進行分析，得到不同類型夾雜物數量密度及尺寸分布變化，如圖6所示。從圖中可以看到，軸承鋼中的氧化物夾雜物可以主要分為（小尺寸的）硅酸鹽類、尖晶石類和鈣鋁酸鹽類三類夾雜物，夾雜物數量呈現先減后增再減的趨勢。最終鑄坯中含量最多的氧化物夾雜物為硅酸鹽類，其次是尖晶石類，最后是鈣鋁酸鹽類。且對于硅酸鹽類和尖晶石類，夾雜物尺寸主要集中在<2μm，無>10μm夾雜物。
圖 6 不同類型氧化物夾雜物數量密度及尺寸分布變化
（3）非鋁脫氧軸承鋼流動性及連澆行為提升作用。通過對夾雜物種類和成分的控制，大幅度降低了水口處夾雜物的粘結能力，解決了軸承鋼小方坯連澆問題，使160mm×160mm軸承鋼小方坯單水口連澆爐數可以達到17爐且水口內壁光滑無絮瘤物，解決了小方坯鋁脫氧軸承鋼水口可澆性差的技術難題。形成了以硅錳預脫氧-LF爐擴散脫氧-RH真空碳脫氧為特色的組合脫氧技術，及各工序界面控制集成技術，實現了鋼中全氧含量穩(wěn)定控制在5-9ppm；在低氧控制的基礎上實現了鋼中夾雜物類型的有效控制，鋼液流動性顯著改善；實現了軸承鋼小方坯連鑄-高速線材一火成材技術集成，顯著降低了工序能耗和生產成本。
3、非鋁脫氧軸承鋼夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂機理及斷裂行為預測方法
（1）超高周疲勞性能特征。圖7中顯示了由內部裂紋源造成疲勞的數據。圖中實心點為夾雜物為裂紋源的試樣點，半實心點為鋼基體本身為裂紋源的試樣點，“×”為未發(fā)生斷裂的試樣點。從圖中可以看到，非鋁脫氧軸承鋼的疲勞性能略好于鋁脫氧軸承鋼，但是兩種鋼的疲勞機理區(qū)別較大。
圖7 由內部裂紋源造成疲勞斷裂的S-N 曲線
試樣斷裂后，斷口使用SEM-EDS觀察，并分析斷口的裂紋源。斷口裂紋源的類型包括夾雜物和非夾雜物，其中夾雜物包括氮化鈦、鈣鋁酸鹽、尖晶石和硅酸鹽類夾雜物。將這些斷口根據不同類型的裂紋源進行統(tǒng)計，得到不同夾雜物和非夾雜物引起疲勞斷裂的比例，如圖 8所示?？梢钥吹剑@兩種鋼的裂紋萌生方式完全不同。在鋁脫氧軸承鋼中，所有的疲勞裂紋都是由夾雜物引起的，而在非鋁脫氧軸承鋼中，由夾雜物引起的疲勞裂紋只占39%，另外61%的疲勞裂紋是由于非夾雜物造成的。此外，鋁脫氧軸承鋼疲勞裂紋萌生部位觀察到的夾雜物均為鈣鋁酸鹽，非鋁脫氧軸承鋼的夾雜物裂紋源中氮化物、硅酸鹽和尖晶石均存在，但是沒有鈣鋁酸鹽。
圖 8 夾雜物與鋼基體引起疲勞裂紋的萌生率對比
圖9和圖10顯示了兩種工藝軸承鋼中疲勞裂紋斷口的典型形態(tài)和裂紋萌生部位的夾雜物成分。
圖9 鋁脫氧軸承鋼中鈣鋁酸鹽類裂紋源(σ = 954 MPa, Nf = 4.57e+7)
圖10 非鋁脫氧軸承鋼中硅酸鹽裂紋源(σ=901MPa,Nf =1.93e+8)
（2）全氧含量與疲勞壽命的關系.對兩種脫氧工藝生產軸承鋼的全氧含量數據及疲勞壽命數據進行分析，得到加載應力分別為1200 MPa和1300 MPa下的鋼中全氧含量與疲勞壽命的關系圖，如圖11所示。對于鋁脫氧軸承鋼來說，隨著全氧含量的降低，疲勞壽命是逐漸增加的，特別是當加載應力為1300 MPa時，規(guī)律比較明顯。但是對于非鋁脫氧軸承鋼來說，其全氧含量明顯高于鋁脫氧軸承鋼，達到了10-11ppm，但是其疲勞壽命能達到全氧含量約為4-5ppm的鋁脫氧軸承鋼的疲勞壽命，這說明全氧含量只能一定程度上說明軸承鋼的性能，并不能用這一個指標代表其優(yōu)劣。對于較為純凈的軸承鋼來說，應該綜合考慮其各項冶金質量指標。
（a）加載應力約為1200 MPa （b）加載應力約為1300 MPa
圖11 全氧含量與疲勞壽命的關系
（3）不同夾雜物誘發(fā)的疲勞斷裂機理。由于鋁脫氧軸承鋼和非鋁脫氧軸承鋼中疲勞裂紋萌生部位觀察到的夾雜物差異較大，且由于采用相同的軋制和熱處理工藝，兩種鋼的鋼基體基本相同，因此這兩種鋼中不同夾雜物的作用是不同的。圖9和圖10顯示了兩種工藝軸承鋼中疲勞裂紋斷裂的典型形態(tài)和裂紋萌生部位的夾雜物成分，其中鋁脫氧軸承鋼中鈣鋁酸鹽引起疲勞裂紋時，它作為一個完整的夾雜物存在于其中一半斷口中，且夾雜物與鋼基體之間出現明顯的空洞；而非鋁脫氧軸承鋼中硅酸鹽夾雜引發(fā)疲勞裂紋時，夾雜被撕裂并留在兩半斷口上，且硅酸鹽夾雜與鋼基體之間沒有空隙。
由鈣鋁酸鹽和硅酸鹽夾雜物引發(fā)的疲勞失效機理可總結為如圖12所示，夾雜物和鋼基體的相對屈服強度差異被認為是主要影響因素，另外夾雜物和基體之間的結合強度、夾雜物本身的斷裂強度，以及試樣制造過程和熱處理過程造成的夾雜物和基體之間的殘余應力也是重要的影響因素。對于鋁脫氧軸承鋼中空洞包圍的鈣鋁酸鹽夾雜物，其首先與一側鋼基體發(fā)生脫粘，然后在空洞周圍鋼基體中萌發(fā)疲勞裂紋，夾雜物本身不發(fā)生斷裂。對于非鋁脫氧軸承鋼中的硅酸鹽夾雜物，夾雜物本身在疲勞加載過程中斷裂，并分別留在兩半失效試樣中。這兩種夾雜物的不同疲勞機制是由于夾雜的力學性能和夾雜物與鋼基體的結合關系不同所致。非鋁脫氧軸承鋼中的硅酸鹽夾雜物和鋼基體結合緊密，與拉壓疲勞載荷相比，給鋼基體帶來相反的應力，降低了鋼基體的應變，從而延緩了鋼基體在拉伸過程中裂紋的產生。而在疲勞加載過程中，鋁脫氧軸承鋼中的鈣鋁酸鹽夾雜物與鋼基體之間發(fā)生脫粘，導致空洞的產生，導致這種相反的應力消失。因此，裂紋更容易在鋼基體中產生。由于鋼中的空洞更容易引發(fā)疲勞裂紋，在考慮夾雜物對疲勞行為的影響時，除了考慮夾雜物本身的性質外，還應考慮夾雜物周圍空洞的不同特征。
圖12 由不同氧化物夾雜物造成疲勞斷裂的機理
四、應用情況與效果
1、鋼材全氧含量水平控制作用
隨著研究的進行，該非鋁脫氧工藝不斷進步和成熟，對鋼中全氧含量的控制水平也在不斷提高。從圖11可以看到，在工藝優(yōu)化前，鋼中全氧含量較高且不穩(wěn)定，主要控制在7-12ppm范圍內；而在工藝優(yōu)化后，鋼中全氧含量已經能夠穩(wěn)定控制在5-9ppm范圍內。
圖11 非鋁脫氧工藝優(yōu)化前后全氧含量變化情況
2、軸承鋼軋材夾雜物體系結構調整
對非鋁脫氧及鋁脫氧兩種工藝生產的軸承鋼軋材進行取樣，檢測軋材中的全氧含量及夾雜物特征，得到非鋁脫氧軸承鋼中為10ppm，鋁脫氧軸承鋼中為4ppm。圖 12顯示了軋材中主要夾雜物的分布?？梢钥闯?，鋁脫氧工藝的氧化物密度大于非鋁脫氧工藝。非鋁脫氧工藝軋材中的主要氧化物夾雜是硅酸鹽，而鋁脫氧工藝軋材中的主要氧化物夾雜是尖晶石，非鋁脫氧工藝鋼中鈣鋁酸鹽和TiN的含量均小于鋁脫氧工藝。硫化物的含量差別較大，非鋁脫氧工藝中硫化物的含量明顯更多。
圖 12 軸承鋼軋材中主要夾雜物的分布對比
圖 13中顯示了兩種脫氧工藝軸承鋼中的主要夾雜物特征。從圖 13(a)可以看到，非鋁脫氧軸承鋼中的氧化物數量明顯比鋁脫氧軸承鋼中多，這與兩種鋼中的全氧含量是對應一致的。從圖 13(b)中可以看到，兩組鋼中不同氧化物的數量和尺寸存在明顯的差異，非鋁脫氧軸承鋼中，鋼中最多的氧化物為硅酸鹽，大部分夾雜物尺寸均分布在小于10μm的范圍內；尖晶石和鈣鋁酸鹽夾雜物的數量密度較小。而在鋁脫氧軸承鋼中，鈣鋁酸鹽、尖晶石和硅酸鹽類夾雜物的數量密度均較大。而且，鋁脫氧軸承鋼中尺寸大于15μm氧化物數量明顯比非鋁脫氧軸承鋼更多，尤其以鈣鋁酸鹽最為明顯。
兩組軸承鋼中的典型夾雜物如圖14所示，對應夾雜物成分如表1所示。非鋁脫氧軸承鋼中存在長條形的硫化錳和硅酸鹽類夾雜物，且硫化錳夾雜物中包裹了多個小尺寸的鈣鋁酸鹽等氧化物夾雜。
圖 13 鋁脫氧和非鋁脫氧軸承鋼中夾雜物對比：（a）數量密度，（b）不同類型氧化物尺寸分布
圖 14 兩組鋼中典型夾雜物：（a-c）非鋁脫氧軸承鋼及（d-f）鋁脫氧軸承鋼
表 1 典型夾雜物成分 / wt%
最終，與鋁脫氧軸承鋼中鋁酸鹽為主的夾雜物體系相比，非鋁脫氧鋼中形成了以塑性較好的硅酸鹽為主的夾雜物體系，有效的減少了鋼中的Ds類夾雜物和其他含鋁夾雜物，對近168爐數據進行夾雜物評級，評級結果顯示其中154爐Ds類夾雜物評0級，14爐評0.5級，從根本上實現了軸承鋼夾雜物的體系結構調整。
3、非鋁脫氧工藝夾雜物對澆注性的影響
為了研究非鋁脫氧工藝夾雜物對鋼液澆注性的影響，對兩種工藝生產軸承鋼的中間包鋁含量進行了統(tǒng)計，如圖15所示，非鋁脫氧工藝中間包鋁含量大部分控制在5-30 ppm范圍內，鋼中鋁含量很少。鋁脫氧工藝中間包中鋼液鋁含量控制在50-180 ppm范圍內，整體控制區(qū)間大，不利于成分的精準控制。
軸承鋼中水口結瘤物多為含鋁的夾雜物，因此在這種鋼中鋁含量較少的軸承鋼澆注，鋼液的連澆性能好，如圖16所示，非鋁脫氧工藝中間包連澆14爐后，液面曲線平穩(wěn)，塞棒曲線前兩爐上漲后，經緩慢下降之后趨于平穩(wěn)。表 2中統(tǒng)計了不同工藝下小方坯（160 mm×160 mm）連鑄時中間包的連澆爐數，受到生產計劃限制，非鋁脫氧工藝目前連澆爐數達17爐，且水口內壁光滑無絮瘤物，而轉爐低鋁工藝（鋼中鋁含量比鋁脫氧工藝少，控制約0.0050wt%）軸承鋼小方坯連鑄平均連澆爐數也可達7.9爐，均遠遠大于鋁脫氧軸承鋼連澆5爐次。圖17為不同工藝水口結瘤情況，可以看到非鋁脫氧工藝中間包連澆十多爐后，水口無擴徑，內部無明顯結瘤，僅個別位置存在厚度約3 mm的絮瘤物。對該水口內壁進行取樣觀察，發(fā)現主要為大顆粒的氧化鋁，是鋁碳質水口本體。而低鋁工藝軸承鋼小方坯連鑄連澆10爐后水口內壁結瘤情況，結瘤物厚度約為6 mm。
圖15（a）非鋁脫氧及（b）鋁脫氧工藝中間包鋁含量統(tǒng)計
圖16 連澆14爐后塞棒及液面曲線
表 2 不同工藝下連澆爐數對比
圖17 （a）非鋁脫氧工藝水口內壁結瘤情況及結瘤物，（b）低鋁脫氧工藝水口內壁結瘤情況
因此，較高的鋁含量雖然有利于鋼中低氧/超低氧的控制，但是在實際生產中，小方坯鋁脫氧工藝軸承鋼連鑄時時常出現水口結瘤問題，而且隨著冶煉過程中鋁加入量的增加，水口越容易出現堵塞情況，說明鋼液的流動性越差。
4、夾雜物誘發(fā)的軸承鋼疲勞壽命及斷裂臨界尺寸預測
將超聲疲勞實驗得到的斷口在電鏡下進行觀察，統(tǒng)計由夾雜物作為裂紋源造成斷裂的試樣，對夾雜物的成分進行檢測，發(fā)現這些夾雜物主要為含鈣類復合夾雜物、尖晶石和氮化鈦。
圖 18 夾雜物造成疲勞斷裂的門檻值
根據各類夾雜物的最小Kmax,inc值，計算得到不同加載應力條件下，不同夾雜物引起疲勞斷裂的臨界尺寸如圖 19所示。當夾雜物尺寸大于臨界尺寸時，疲勞裂紋就會萌生?？梢钥吹?，圖中所有夾雜物的臨界尺寸均隨應力幅值的增大而減小，在同一加載應力條件下，氮化鈦的臨界尺寸最小，而對于不同企業(yè)軸承鋼中的鈣鋁酸鹽的臨界尺寸，可以得到最大臨界尺寸和最小臨界尺寸，其他企業(yè)的鈣鋁酸鹽的臨界尺寸均在該區(qū)間內。因此，可以得到不同類型夾雜物造成疲勞斷裂的臨界尺寸大小順序為：氮化鈦<尖晶石<硅酸鹽<鈣鋁酸鹽，而且當應力幅值為1200MPa時，各類型夾雜物的臨界尺寸分別為：氮化鈦12.04μm，尖晶石12.58μm，硅酸鹽12.66μm；鈣鋁酸鹽15.97μm。
圖 19 不同夾雜物造成疲勞斷裂的臨界尺寸
