鋼中夾雜物一般分為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)和DS類（單顆粒球狀類），其中A類夾雜物(硫化物類)：具有高的延展性，有較寬范圍形態(tài)比（長度/寬度）的單個(gè)灰色夾雜物，一般端部呈圓角；B類(氧化鋁類)：大多數(shù)沒有變形，帶角的，形態(tài)比?。ㄒ话悖?），黑色或帶藍(lán)色的顆粒，沿軋制方向排成一行（至少有3個(gè)顆粒）；C類(硅酸鹽類)：具有高的延展性，有較寬范圍形態(tài)比（一般≥3）的單個(gè)呈黑色或深灰色夾雜物，一般端部呈銳角；D類(球狀氧化物類)：不變形，帶角或圓形的，形態(tài)比?。ㄒ话悖?），黑色或帶藍(lán)色的，無規(guī)則分布的顆粒，其中Dsulf表示球狀S化物，Dcas表示球狀CaS，DRES表示球狀稀土S化物，Ddup表示球狀復(fù)相夾雜物，如CaS包裹著Al2O3；DS類（單顆粒球狀類）：圓形或近似圓形，直徑≥13μm的單顆粒夾雜物。對(duì)于TiN夾雜物，軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)GB/T18254-2016規(guī)定G8Cr15、GCr15按形貌并入B類、D類、DS類評(píng)級(jí)，其他牌號(hào)供需雙方協(xié)商。
1、軸承鋼中大尺寸夾雜物的形成及控制
各類夾雜物對(duì)軸承壽命的危害性按大小可以排成D＞DS＞B＞C＞A的次序，D類和DS類夾雜大致可分為以下幾種：獨(dú)立鈣鋁酸鹽夾雜物；獨(dú)立MgO·Al2O3夾雜物；(Ca，Mg，Al)×Oy復(fù)合態(tài)夾雜物；外面包有硫化物的復(fù)合夾雜物。
夾雜物的尺寸對(duì)軸承疲勞極限的影響極為明顯，尺寸愈大，疲勞壽命愈短。在夾雜物中，大尺寸的鈣鋁酸鹽夾雜物夾雜有害指數(shù)最高。
鈣鋁酸鹽夾雜物的生成自由焓變化(ΔG)在煉鋼溫度下都是負(fù)值，在高堿度精煉渣生產(chǎn)的軸承鋼中，總能找到鈣鋁酸鹽和鎂鋁尖晶石夾雜，所以控制鋼中的[Ca]、[O]含量，對(duì)控制鈣鋁酸鹽夾雜物的形成和成分轉(zhuǎn)變有重要意義。
Al的加入量對(duì)夾雜物有很大的影響，控制著夾雜物性質(zhì)的變化：當(dāng)鋼中Al比較低時(shí)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%左右)，能找到許多Al2O3夾雜;當(dāng)Al比較高時(shí)(0.02%～ 0.08%)，Al能夠和MgO爐襯反應(yīng)，置換出其中的Mg進(jìn)入鋼液，鋼液凝固后就形成MgO·Al2O3和MgO夾雜;同時(shí)鋼中過高的Mg含量可抑制xCaO·yAl2O3的生成。
在渣中各成分中，CaF2對(duì)夾雜物的形成作用也比較大。無論在鋁含量高或者低的時(shí)候，加入CaF2都生成了許多MgO·Al2O3夾雜。這有可能是CaF2能侵蝕爐襯，使MgO入鋼液中，利于MgO·Al2O3夾雜的生成。CaF2煉鋼過程會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，所以現(xiàn)在很多良心企業(yè)在渣中已不再加入CaF2，但中間包連澆爐數(shù)過多，爐襯同樣會(huì)被侵蝕，使MgO入鋼液中，同樣有利于MgO·Al2O3夾雜的生成。
但渣中MgO成分對(duì)鋼中MgO·Al2O3夾雜的生成影響比較小。在渣系中MgO含量高的鋼中，酸溶Al不高，沒有發(fā)現(xiàn)MgO·Al2O3和MgO夾雜;但在渣中MgO含量并不高的鋼中，由于酸溶Al比較高，能發(fā)現(xiàn)很多的MgO·Al2O3和MgO夾雜生成，這是由于Al能夠和MgO爐襯反應(yīng)，置換出其中的Mg進(jìn)入鋼液，鋼液凝固后就形成MgO·Al2O3和MgO夾雜。
在未經(jīng)鈣處理的鋼中，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%左右，Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0005%左右，Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0005%以下，鋼中發(fā)現(xiàn)了許多Al2O3夾雜物單獨(dú)存在；進(jìn)行微量鈣處理后，鋼樣Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.02%～0.08%左右，Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0005%以下，Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0018%～0.0037%，鋼中只存在大量規(guī)則的球形xCaO·yAl2O3夾雜。
鈣對(duì)夾雜物變性作用非常明顯。高Ca含量的軸承鋼，其夾雜物都變性為球形鈣鋁酸鹽夾雜，沒有生成MgO·Al2O3，這說明Mg、Ca有一定的牽制作用;當(dāng)Mg占優(yōu)勢的時(shí)候，能大量生成MgO·Al2O3，反之則大量生成鈣鋁酸鹽夾雜。
綜上所述，鋼中Al、Ca和Mg含量對(duì)D類和DS類夾雜物的影響比較重要，因此控制D類和DS類夾雜，要從控制鋼中Al、Ca和Mg含量入手。隨著鋼中Al含量的增加，Mg含量也增加，并且在高堿度渣(CaO/SiO2≥3)條件下，鋼中Mg含量增加的趨勢更加明顯，從而導(dǎo)致軸承鋼中MgO·Al2O3形成的可能性提高。同樣，隨著鋼中酸溶Al的增加，Ca含量也增加，尤其是在高堿度條件下影響更加顯著，在鋼中低Mg的情況下，就會(huì)生成球狀的xCaO·yAl2O3夾雜物。
在高堿度條件下，鈣鋁酸鹽與MgO·Al2O3很容易相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)Ca較高時(shí)，就會(huì)生成鈣鋁酸鹽，當(dāng)Mg較高時(shí)就會(huì)生成MgO·Al2O3，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中要充分優(yōu)化控制鋼中Ca、Mg和Al含量，達(dá)到D類和DS類夾雜物的最低化。
研究表明，當(dāng)軸承鋼氧含量為10×10-6，疲勞壽命是氧含量為40×10-6的軸承鋼的10倍，氧含量降到5×10-6，其疲勞壽命是氧含量為40×10-6的軸承鋼的30倍，與真空電弧重熔和電渣重熔相當(dāng)。
因此軸承鋼氧含量一定要低，GB/T18254-2016標(biāo)準(zhǔn)中優(yōu)質(zhì)鋼要求O≤0.0012%，高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼要求O≤0.0009%，特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼要求O≤0.0006%，鋼中氧含量低不但意味著Al2O3夾雜少，也意味著鈣鋁酸鹽夾雜物少。降低氧含量主要通過電爐或轉(zhuǎn)爐加Al粒沉淀脫氧和LF精煉過程加入SiC擴(kuò)散脫氧以及RH過程真空脫氣來完成。
軸承鋼中Al含量要求≤0.05%，如果鋼水中Al含量過高的話，不加Ca，結(jié)晶器水口容易結(jié)瘤，影響澆鑄和鋼水質(zhì)量，加Ca的話則容易形成鈣鋁酸鹽夾雜物，對(duì)軸承鋼疲勞壽命有害。軸承鋼高級(jí)和特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼Ca含量要求控制在≤0.0010%，如果高Al的話，只有控制鋼中較低的總O含量，才可少生成Al2O3夾雜物來減輕或避免結(jié)晶器水口結(jié)瘤，同時(shí)高Al的話，鋼中的酸溶Al一方面會(huì)與MgO爐襯及渣中CaO置換反應(yīng)，致使鋼中鈣鎂鋁酸鹽和MgO夾雜數(shù)量增加，另一方面，澆鑄過程中又可能增加鋼液的二次氧化，產(chǎn)生滯留在鋼液中的A1203夾雜，兩方面綜合反而導(dǎo)致鋼中全氧含量增加。
因此為了避免以上問題，軸承鋼中應(yīng)少Al，Al含量一般控制在0.010-0.020%范圍之內(nèi)，這時(shí)鋼中一般形成Al2O3夾雜物。盡管優(yōu)質(zhì)鋼對(duì)Ca含量則沒有要求，但一般Al含量還是要控制在0.010-0.020%范圍之內(nèi)，因?yàn)槿绻鸆a含量控制在≤0.0010%，同高級(jí)和特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，但如果Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0018%～0.0037%，鋼中會(huì)存在大量規(guī)則的球形xCaO·yAl2O3夾雜，同樣對(duì)軸承鋼疲勞壽命有害。
對(duì)有些鋼種而言，為了提高鋼材的機(jī)械加工性能，并改善非金屬夾雜物的形態(tài)與分布，在冶煉過程中有意向鋼中加鈣。但對(duì)軸承鋼而言，殘留鈣不是有意添加的，而是來源于鋼渣和與鋼水接觸的爐襯，軸承鋼如果采用Ca或Ca-Si脫氧，鋼中勢必將產(chǎn)生危害性極大的D類和DS類球狀?yuàn)A雜物，使其疲勞壽命大幅度降低。因此，在很多國家的軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定(如瑞典SKF、美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)等)不能用Ca或Ca-Si脫氧，或?yàn)楦纳其撍目蓾残韵蜾撍形笴a線。
另外值得一提的是，煉鋼過程爐渣成分要少CaF2或無CaF2，中間包連澆爐數(shù)也不能太多，防止MgO爐襯侵蝕，生成MgO·Al2O3和MgO夾雜物。
2、氮與鈦夾雜物的形成及控制措施
鋼中的氮化物以氮化鈦（TiN）為主，是一種硬度很高的不變形夾雜物，在交變應(yīng)力的作用下會(huì)造成應(yīng)力集中損壞軸承，進(jìn)而對(duì)軸承設(shè)備造成損壞。
鋼中鈦、氮含量與氮化鈦夾雜有一定的關(guān)系，即隨著鈦、氮含量的提高，鋼中氮化鈦夾雜增加。氮化鈦是一種硬而脆的夾雜物，它對(duì)鋼的疲勞壽命特別有害。
相同尺寸條件下，氮化物比氧化物更有害。尺寸小的TiN與尺寸較大的Al2O3具有相同的有害指數(shù)。
所以要想提高軸承鋼的疲勞壽命就應(yīng)當(dāng)盡量減少鋼中鈦和氮的含量，減少其形成氮化鈦的可能性。
用LD+RH生產(chǎn)的軸承鋼中總氧量為20×10-6左右，其疲勞極限與用EAF+RH生產(chǎn)的軸承鋼總氧量＜10×10-6時(shí)的疲勞極限相當(dāng)。用轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)軸承鋼疲勞性能較高可以用轉(zhuǎn)爐鋼中氮含量較低來解釋。通常情況下轉(zhuǎn)爐鋼氮含量低于30×10-6，而電爐鋼氮含量高于60×10-6。
研究表明Ti超過30×10-6時(shí)疲勞壽命即開始下降，當(dāng)Ti含量從40×10-6降到10×10-6以下，能使壽命提高約2倍。當(dāng)鋼中O≤0.0010%時(shí)，這時(shí)影響軸承疲勞壽命的就是氮化鈦夾雜。
采用電爐生產(chǎn)軸承鋼，由于電弧易吸氮，鋼中氮含量較高，一般在60×10-6-120×10-6之間。這種情況，只有通過降低鈦含量，才能達(dá)到減少氮化鈦夾雜的目的，但是要將鋼中鈦含量降到較低水平，付出的代價(jià)太大，因?yàn)樵谀壳暗牟僮髑闆r下，在電爐內(nèi)，只能選用昂貴的低鈦鉻鐵加人(因?yàn)楹t軸承鋼鈦的主要來源是鉻鐵合金)，而降低鋼中氮含量則比降低鈦含量容易些，經(jīng)濟(jì)一些。
用轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)軸承鋼氮含量比電爐生產(chǎn)軸承鋼N含量低，因此對(duì)于轉(zhuǎn)爐煉鋼來說，減少氮化鈦夾雜，比電爐煉鋼相對(duì)容易一些。
國外已將鈦列入[O]+[Ti]對(duì)軸承性能的影響進(jìn)行了研究，研究表明當(dāng)[O]+[Ti]≤18×10-6，壽命比普通軸承鋼材提高約2倍，說明低O和低Ti有利于軸承壽命的提高，國外將鈦列入[O]+[Ti]對(duì)性能的影響進(jìn)行研究也足以表明降鈦含量的重要性。
有關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為鋼中氮含量為 60ppm，則應(yīng)控制鈦含量≤ 27ppm；當(dāng)鋼中氮含量增加到 80ppm，則應(yīng)控制鈦含量≤ 20ppm。
軸承鋼GB/T18254-2016標(biāo)準(zhǔn)要求優(yōu)質(zhì)鋼Ti含量控制在≤0.0050%，高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼Ti含量控制在≤0.0030%，特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼Ti含量控制在≤0.0015%。
減少軸承鋼中TiN夾雜，有三種途徑：1、減少鋼中N含量；2、減少鋼中Ti含量；3、同時(shí)減少鋼中N和Ti含量。顯然第3種途徑最佳。第1種途徑最經(jīng)濟(jì)，第2種途徑經(jīng)濟(jì)性位于第1種和第3種之間。
軸承鋼冶煉中的鈦含量60%來自鐵合金，優(yōu)選的鈦鉻鐵是當(dāng)前各鋼廠降低軸承鋼鈦含量的主要方法。
鈦是一種較強(qiáng)的脫氧劑，根據(jù)鋼中氧含量的不同程度可以氧化成 TiO、 TiO2、Ti2O3、Ti3O5。因此可以通過控制電爐或轉(zhuǎn)爐鋼中氧含量，來降低鋼中的鈦含量。
研究表明隨著鋼中酸溶鋁含量的增加，鋼中的鈦含量明顯增加，同時(shí)資料也表明隨著爐渣中SiO2含量增加，鋼液中與其平衡的鈦含量是下降的。
采用電爐或轉(zhuǎn)爐氧位≥500ppm 以上控制，減少精煉過程含鋁脫氧劑使用量，提高精煉爐渣中SiO2含量，即降低精煉爐渣堿度，有利于對(duì)鋼液中鈦含量控制。
但是從軸承鋼脫氧角度認(rèn)為，電爐或轉(zhuǎn)爐高氧含量出鋼、降低鋼液中酸溶鋁含量、降低精煉爐渣堿度均不利于控制鋼液中氧含量。
為了滿足以上要求，可采取優(yōu)選鈦鉻鐵，電爐或轉(zhuǎn)爐高氧位控制，精煉過程減少脫氧劑 Al使用量，保持成品鋼中低Al含量（Al含量：0.010～0.020%），降低鋼中Ti含量；為了降低鋼中的O含量，精煉前期使用高堿度（CaO/SiO2≥5）精煉渣，SiC脫氧，精煉后期加入石英砂或硅灰石，降低精煉渣堿度（堿度=1～3），進(jìn)一步降低鋼水中的Ti含量，同時(shí)RH真空脫氣和中間包、澆鑄過程做到保護(hù)澆注，防止吸氣，從而降低鋼中N含量，減少鋼中的TiN夾雜物。
3、結(jié)語
1）控制鋼中大顆粒夾雜物，在電爐或轉(zhuǎn)爐加Al粒沉淀脫氧和LF精煉過程加入SiC擴(kuò)散脫氧以及RH過程真空脫氣來降低O含量，軸承鋼中少Al控制，Al含量控制在0.010-0.020%范圍之內(nèi)，Ca含量控制在≤0.0010%，煉鋼過程爐渣成分要少CaF2或無CaF2，同時(shí)中間包連澆爐數(shù)也不能太多，從而減少鋼中的大顆粒夾雜物。
2）控制鋼中TiN夾雜物，可采取優(yōu)選鈦鉻鐵，電爐或轉(zhuǎn)爐高氧位控制，精煉過程減少脫氧劑 Al使用量，成品鋼中低Al控制（Al含量：0.010～0.020%），精煉前期使用高堿度（CaO/SiO2≥5）精煉渣，SiC脫氧，精煉后期加入石英砂或硅灰石，降低精煉渣堿度（堿度=1～3），RH真空脫氣和中間包、澆鑄過程保護(hù)澆注，降低鋼中的Ti含量和N含量，從而減少鋼中的TiN夾雜物。
