轴承钢疲劳性能是评判轴承钢质量的重要指标之一，近年来高端主机厂对轴承服役时间要求逐渐苛刻，学者们的研究热点开始聚焦在超高周疲劳范围的轴承钢疲劳性能和断裂机理[1-2]。轴承钢疲劳失效的根源主要为钢中非金属夹杂物[3-5]，调控钢中夹杂物成为制造全流程的重点控制对象。
经过多年的装备升级和技术沉淀，我国特殊钢企业已拥有世界先进的冶炼和轧制生产设备，同时具有相对成熟的稳定化生产工艺。目前，轴承钢实物质量已接近世界级高性能轴承钢水平，但国产轴承钢在夹杂物稳定性控制方面，与瑞典、日本等轴承钢强国相比仍存在较大差距[6-11]。在钢中夹杂物调控方面，日本山阳特钢通过控制钢中氧含量来调控钢中夹杂物数量，而瑞典Ovako 特钢的攻关方向则是调控钢中夹杂物的分布和形态。为在此基础上研发高生产效率和低成本的高性能轴承钢生产线，本文对高性能轴承钢中夹杂物调控的关键冶金技术的研究进展进行综述。通过非铝脱氧钢中夹杂物控制、低氧稀土钢中夹杂物改性、镁改性钢中夹杂物和热处理工艺调控钢中夹杂物等一系列技术，能够稳定生产高性能轴承钢，并提供轴承钢中夹杂物高效稳定调控的研发思路和主攻方向。
1 高性能轴承钢中夹杂物调控现状
国内外特殊钢厂高性能轴承钢中夹杂物控制现状如表1 所示[12-34]。通过选用优质合金，严格控制冶炼过程中的杂质含量，以减少夹杂物生成的可能性。轴承钢生产采用铝为强脱氧剂，高碱度渣进行精炼脱氧，控制钢中氧化物夹杂含量。耐火材料对钢液质量的影响主要表现在其化学稳定性、导热性能以及与钢液相互作用方面。耐火材料在高温下可能会与钢液发生化学反应，引入不希望含有的元素或生成有害的化合物，影响钢的纯净度。选用高质量耐火材料，降低其对钢液质量的影响。在轴承钢冶炼过程中，钢液中的合金元素如铝、硅、锰等会与夹杂物发生作用，影响夹杂物的尺寸、分布、成分和形态。这些合金元素可以作为脱氧剂或净化剂，与氧化物夹杂反应，生成更具熔点较低的夹杂物，从而易于去除。
表1 国内外特殊钢厂高性能轴承钢中夹杂物控制现状
Tab.1 Current status of inclusion control in high performance bearing steel from special steel companies at home and abroad
目前国内外特殊钢企业使用的钢液洁净度普遍较高，但连铸过程涉及卷渣、耐材侵蚀、二次氧化、内生夹杂等复杂物理化学现象。铸坯初始凝固坯壳易捕捉到钢液中气泡和夹杂物，导致铸坯中夹杂物分布不均匀。连铸凝固过程轴承钢中氮化钛、硫化锰和复合夹杂物的析出速率不同，进一步恶化铸坯中夹杂物的均匀性。热处理工艺对夹杂物的影响主要表现在其能改变夹杂物的分布和稳定性。通过热处理可以促进有害夹杂物的溶解，或使有益夹杂物析出并均匀分布，从而提高轴承钢的性能[36]。
2 轴承钢中夹杂物成因及其对疲劳寿命的危害
2.1 轴承钢中夹杂物的来源与典型特征
轴承钢中Ds 类夹杂物主要来源于钢液精炼工序形成的MgO·Al2O3 或CaO·MgO·Al2O3 夹杂。钢液凝固过程中形成氮化钛夹杂，冶炼过程中卷渣形成钢中硅酸盐夹杂。轴承钢主要包含钙铝酸盐、尖晶石和硅酸盐3 类氧化物夹杂，其典型形貌如图1所示[35]。随着冶炼水平的大幅提升，钢中氧化物夹杂得到有效控制，氮化钛、钙铝酸盐夹杂开始成为裂纹起源。钢中非金属夹杂物的存在对钢的性能有重要影响，如影响钢的强度、韧性、疲劳寿命和腐蚀性能等。因此，在钢的生产和加工过程中，应采取相应的去除或控制措施，以提高钢的质量和性能。
图1 轴承钢中典型夹杂物SEM 图：(a)尖晶石夹杂；(b)钙铝酸盐夹杂；(c)氮化钛夹杂；(d)硫化锰夹杂[35]
Fig.1 SEM images of typical inclusions in the bearing steel:(a)Mg-Al-O;(b)Al-Ca-O-S;(c)TiN;(d)MnS[35]
2.2 轴承钢中夹杂物对疲劳寿命的影响
轴承钢中夹杂物的机械性能，如表2 所示。钢中微小尺寸TiN 夹杂与大尺寸Al2O3 夹杂具有相同的危害，严重损害轴承钢的滚动接触疲劳寿命[36-39]。图2 为轴承钢疲劳裂纹源处夹杂物形貌[40-41]，在轧制过程中钢基体和夹杂物界面间形成应力集中。尖晶石夹杂是一种硬度较高的矿物，当材料受到循环载荷作用时，尖晶石夹杂会阻碍位错的运动，增大局部应力，促进裂纹萌生和扩展。硅酸盐夹杂物通常尺寸较大，较粗的硅酸盐夹杂可能会成为裂纹优先扩展的路径。钙铝酸盐夹杂是一种常见的陶瓷相，在金属基复合材料中作为增强相存在，它们的尺寸、形状和分布对疲劳性能有重要影响。细小的钙铝酸盐颗粒可以阻碍裂纹的扩展，从而提高材料的疲劳强度。但如果颗粒较大或形状不规则，则可能会引起应力集中，成为裂纹萌生的源头。氮化钛夹杂在疲劳载荷作用下，如果氮化钛颗粒的界面与基体金属结合不良，或者颗粒尺寸不均，导致应力集中和裂纹的萌生。
图2 轴承钢疲劳裂纹源处夹杂物形貌：(a)尖晶石夹杂；(b)硅酸盐夹杂；(c)钙铝酸盐夹杂；(d)氮化钛夹杂[41]
Fig.2 Morphologies of the fatigue fracture surfaces with inclusions:(a)spinel;(b)silicate;(c)calcium aluminum;(d)titanium nitride[41]
表2 轴承钢中夹杂物的机械性能[36]
Tab.2 The mechanical properties of inclusions in bearing steel[36]
引起轴承钢疲劳断裂的氧化物夹杂为大颗粒球状钙铝酸盐和多面体状尖晶石，轴承钢中夹杂物和疲劳裂纹萌生夹杂比例分数如图3 所示[42]，图4为按裂纹萌生源分类的疲劳试验S-N 曲线[43]。轴承钢的超声疲劳结果表明，在裂纹萌生处夹杂物为尖晶石、钙铝酸盐和氮化钛，其中钙铝酸盐对裂纹萌生所起到的贡献最大,严重危害高性能轴承钢的服役寿命。学者发现通过降低钢中全氧含量能够减少氧化物夹杂诱导的疲劳断裂比例，但当钢中全氧含量从8×10-6 下降至6×10-6 时，轴承钢的疲劳性能没有明显提升[44]，因此需要探索新的轴承钢中夹杂物调控的研发方向。
图3 轴承钢中夹杂物和疲劳裂纹萌生夹杂比例分数[42]
Fig.3 Number fraction of inclusions in bearing steel and fatigue crack initiation sites of the steel[42]
图4 按裂纹萌生源分类的疲劳试验S-N 曲线[43]
Fig.4 S-N curves of the fatigue experiments sorted by the crack initiation sources[43]
3 高性能轴承钢中夹杂物调控的最新技术现状
3.1 非铝脱氧的钢中夹杂物调控
轴承钢在非铝脱氧与铝脱氧流程中夹杂物演变如图5 所示。精炼前期非铝脱氧下钢中夹杂物主要为SiO2 和Al2O3，随后Al2O3 含量减少，CaO 含量增加。铝脱氧工艺能将钢中全氧控制在5×10-6 以内，但仍发现Ds 类夹杂诱导的疲劳失效现象，同时铝脱氧工艺存在水口堵塞结瘤和超低氧控制不稳定的问题。因此提出非铝脱氧生产轴承钢的工艺思路，采用硅锰合金预脱氧、扩散和真空脱氧控制钢中氧含量[45-47]。非铝脱氧改变钢中的夹杂物类型，有效缓水口堵塞的问题，形成低熔点塑性夹杂物。轴承钢在非铝脱氧与铝脱氧下夹杂物个数密度分布，如图6 所示，非铝脱氧工艺下钢中氧化物主要为塑性优异的硅酸盐类夹杂物，并有效降低Ds 类大颗粒和铝系夹杂物含量。
图5 轴承钢在非铝脱氧与铝脱氧流程中夹杂物演变：(a)铝脱氧；(b)非铝脱氧[47]
Fig.5 Evolution mechanism of inclusions in bearing steel during:(a)Al deoxidation;(b)non-Al deoxidation[47]
图6 轴承钢在非铝脱氧与铝脱氧下夹杂物数密度分布[47]
Fig.6 Comparison of the number density of inclusions in bearing steel under Al deoxidation and non-Al deoxidation processes[47]
轴承钢在非铝脱氧与铝脱氧下氧化物夹杂物尺寸分布，如图7 所示。非铝脱氧工艺钢中钙铝酸盐夹杂物平均尺寸与铝脱氧工艺相比较小，能够有效控制大颗粒Ds 类夹杂物尺寸。
图7 轴承钢在非铝脱氧与铝脱氧下氧化物夹杂物尺寸分布[47]
Fig.7 Comparison of the size distribution of inclusions in bearing steel under Al deoxidation and non-Al deoxidation processes[47]
3.2 低氧稀土轴承钢中夹杂物调控
稀土调控钢中夹杂物有助于改善钢中Ds 大颗粒夹杂物的形态，降低其对疲劳性能的危害。研究人员开发低氧稀土金属和氧钢液的夹杂物改性技术[48-50]。
图8 为未添加稀土的轴承钢、低氧稀土轴承钢和添加商业稀土的轴承钢的疲劳寿命。与未添加稀土轴承钢相比，添加稀土的高纯净的轴承钢拉压疲劳寿命提升40 倍，滚动接触疲劳寿命提升40%。图9 为进口轴承钢和低氧稀土轴承钢中夹杂物形貌，发现进口轴承钢中夹杂物主要为大尺寸硫化锰和氧化铝(图9a)，而低氧稀土轴承钢中夹杂物以细小均匀的球状稀土氧硫化物为主(图9b)。疲劳加载下，与典型的氧化铝相比，轴承钢中细小稀土氧硫夹杂能够显著减小夹杂物和基体界面处的应力集中，有效延缓夹杂物引发的疲劳裂纹萌生[48]。通过调控钢中稀土和夹杂物的固溶，研发出性能优越的低氧稀土钢，在不改变传统冶金工艺的基本上，轴承钢的综合性能得到大幅度提升。学者们发现钢中稀土的固溶能够显著限制碳在钢中的扩散行为，稀土元素能够与碳形成稳定的碳化物，从而在钢的微观结构中形成“钉扎”作用，阻碍了碳原子的扩散，因此调控钢中碳扩散和夹杂物能实现同时调优钢的基体组织和夹杂物特征的目的[49]。
图8 未添加稀土的轴承钢、低氧稀土轴承钢和添加商业稀土的轴承钢的疲劳寿命[48]
Fig.8 Fatigue life of bearing steel without rare earths added,low-oxygen rare earth bearing steel,and bearing steel with commercial rare earths added[48]
图9 轴承钢中夹杂物：(a)进口轴承钢；(b)低氧稀土轴承钢[48]
Fig.9 Inclusions in bearing steel:(a)imported bearing steel;(b)low-oxygen rare earth bearing steel[48]
3.3 镁对轴承钢中夹杂物的调控
采用含镁合金对钢液进行脱氧处理，随镁加入量的增加，形成的初始细小MgO·Al2O3 被逐渐调控为MgO，在钢中均匀弥散分布[51]。图10 为1 600 ℃下镁铝复合脱氧形成的钢中夹杂物，并给出氧化铝、氧化镁和尖晶石稳定存在区[52]。镁和氧具有强亲和力，镁脱氧不仅有助于生成钢中小尺寸夹杂物，还有助于进一步稳定控制钢中氧含量[53]，将氧含量控制在一定范围内。与铝脱氧轴承钢相比，采用镁和镁铝复合脱氧的钢中夹杂物由大尺寸、形状多变团簇状Al2O3和钙铝酸盐夹杂物转变为细小球状的MgOAl2O3 夹杂物，达到改善夹杂物形状和尺寸的效果。当镁含量达到3.8×10-5 时，MgO·Al2O3 夹杂物改性为MgO，夹杂物数密度为17.59 个/mm2，夹杂物平均尺寸达到2.02 μm。
图10 1 600 ℃下铁液中A12O3、MgO 和MgO·A12O3 的形成稳定性[52]
Fig.10 Stability diagrams of the formation of A12O3,MgO,and MgO·A12O3 in steel at 1 600 ℃[52]
3.4 热处理对夹杂物特征的调控
采用热处理能使钢中夹杂物发生球化，细化夹杂物尺寸[54]。轴承钢中Al2O3-MnS 和MnS 的长宽比随热处理时间延长而不断减小，宏观形状逐渐趋于球化。
稀土和铝脱氧轴承钢中夹杂物特征随热处理时间变化，如图11 所示[55]。随热处理时间延长，钢中的夹杂物长宽比均呈现出不断下降的趋势，且稀土轴承钢中夹杂物的长宽比铝脱氧轴承钢更低，表明其更易球化。钢中的夹杂物平均直径呈现出不断下降的趋势，当热处理时间小于200 min 时，铝脱氧轴承钢中夹杂物的平均直径小于稀土轴承钢。继续延长热处理时间，稀土轴承钢的平均直径继续降低，逐渐低于铝脱氧轴承钢。热处理能无害化调控轴承钢中长条状硫化物，降低诱导裂纹萌生趋势。对于大尺寸的钙铝酸盐类夹杂物进行控制。在非铝脱氧的钢中进行夹杂物的调整，以形成性质优良的硅酸盐类夹杂物，这样能有效减少Ds 类大尺寸夹杂物和铝系夹杂物的含量。通过稀土元素来调整钢中的夹杂物，能够帮助改善Ds 类大尺寸夹杂物的形态。镁元素的加入有助于生成较小尺寸的钢中夹杂物。通过热处理，可以使钢中的夹杂物发生球化转变，从而进一步细化其尺寸。
图11 稀土和铝脱氧轴承钢中夹杂物特征随热处理时间变化：(a)夹杂物长宽比；(b)夹杂物平均直径[55]
Fig.11 Changes in inclusion characteristics of rare earth bearing steel and aluminum deoxidized bearing steels with heat treatment time:(a)length-width ratio;(b)average diameter[55]
4 高性能轴承钢中夹杂物的智能化调控展望
国内高端特殊钢企业生成的轴承钢实物质量已与国外高性能轴承钢相近，对钢中夹杂物的调控思路与国外企业类似，但轴承钢全流程冶金关键控制要点繁多，导致国内轴承钢产品质量的稳定性较差。因此需将轴承钢制造大数据与智能技术结合，挖掘过程大数据、设备状态与轴承钢质量间的多维耦合关系，实现高性能轴承钢的多目标优化及高效稳定生产。将高性能计算、人工智能、设备感知、与仿真模型结合，开发高精度数字化模型。综上所述，提出几个高性能轴承钢中夹杂物智能化调控的发展趋势。
(1)轴承钢铸坯中夹杂物的智能预报 建造具有自主决策和判断的智能化连铸机，实现轴承钢铸坯中夹杂物尺寸、数量和分布的全流程全尺度空间的定量预报。准确预报轴承钢铸坯中夹杂物分布，模型应考虑钢中酸溶铝、镁、氧、钙和硫等溶质元素的扩散和偏析。耦合传热、凝固、夹杂物转变动力学和夹杂物形成热力学。分析不同脱氧和冶金工况下，钢中总氧、总铝、总钛和总钙含量下轴承钢铸坯中夹杂物的演变规律。
(2)冶金反应器中夹杂物的去除率预报 轴承钢质量与钢中夹杂物的去除率密切相关。耦合人工智能和设备感知，开发高精度数字化仿真模型，开发钢液中夹杂物聚集和凝固前沿动态捕获的离散相模型。包括反应器的类型、尺寸、以及内部的流动和传热情况等。这些参数会影响夹杂物在反应器中的行为和去除效果。包括冶炼过程中的温度、压力、以及反应器的操作方式等。这些操作条件会影响夹杂物在反应器中的去除效果。
(3)轴承钢轧材中夹杂物的智能预报 通过建立数学模型和仿真，结合现场实际数据和检测结果，对轴承钢轧材中的夹杂物进行预测和预报。包括轧制温度、轧制速度、以及轧制过程中的冷却等。这些工艺参数会影响轴承钢轧材中夹杂物的大小、形状和分布。智能预报方法可以提前发现潜在的夹杂物问题，为生产提供有益的参考和指导。
5 结语
通过介绍国内外高性能轴承钢中夹杂物稳定调控现状，并分析轴承钢中夹杂物成因及其危害，提出未来高性能轴承钢中夹杂物调控的重点研发方向。
(1)大颗粒钙铝酸盐类夹杂物调控 采用非铝脱氧的钢中夹杂物调控，形成塑性优异的硅酸盐类夹杂物，有效降低Ds 类大颗粒和铝系夹杂物含量；稀土调控钢中夹杂物，有助于改善钢中Ds 大颗粒夹杂物的形态；镁有助于生成钢中小尺寸夹杂物；热处理使钢中夹杂物发生球化，进一步细化夹杂物尺寸。
(2)轴承钢中夹杂物的稳定化调控 将轴承钢制造大数据与智能技术结合，研发轴承钢铸坯中夹杂物的智能预报、冶金反应器中夹杂物的去除率预报和轴承钢轧材中夹杂物的智能预报模型，实现高性能轴承钢的多目标优化及高效稳定生产。
通过以上高性能轴承钢中夹杂物调控技术，国内特殊钢企业可以稳定高效生产高性能轴承钢产品。
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