高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 顾超王仲亮肖微王敏刘宇黄永生包燕平 Research status and progress on cleanliness of high-fatigue-life bearing steels GU Chao,WANG Zhong-liang.XIAO Wei,WANG Min,LIU Yu.HUANG Yong-sheng.BAO Yan-ping 引用本文： 顾超，王仲亮，肖微，王敏，刘宇，黄永生，包燕平.高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展.工程科学学报，2021,433)： 299-310.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.10.09.005 GU Chao,WANG Zhong-liang,XIAO Wei,WANG Min,LIU Yu,HUANG Yong-sheng,BAO Yan-ping.Research status and progress on cleanliness of high-fatigue-life bearing steels[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(3):299-310.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2020.10.09.005 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.10.09.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 稀土-镁复合处理对GC15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报.2019,41(6：763htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.008 RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报.2020,42(7)：846 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.19.002 高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法 Detection of nonmetallic inclusion in high-strength gear steel with high cleanliness 工程科学学报.2020.42(7)：912 https:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.15.005 F钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 Evaluation of cleanliness and distribution of inclusions in the thickness direction of interstitial free(IF)steel slabs 工程科学学报.2020,42(2：194 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.03.22.004 夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响 Influence of inclusion on stress and strain fields in ultra-high strength steel 工程科学学报.2017,397)：1027 https:/1oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.07.007 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报.2019,41(12：1567 https:doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.12.18.004

高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 顾超 王仲亮 肖微 王敏 刘宇 黄永生 包燕平 Research status and progress on cleanliness of high-fatigue-life bearing steels GU Chao, WANG Zhong-liang, XIAO Wei, WANG Min, LIU Yu, HUANG Yong-sheng, BAO Yan-ping 引用本文: 顾超, 王仲亮, 肖微, 王敏, 刘宇, 黄永生, 包燕平. 高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(3): 299-310. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.09.005 GU Chao, WANG Zhong-liang, XIAO Wei, WANG Min, LIU Yu, HUANG Yong-sheng, BAO Yan-ping. Research status and progress on cleanliness of high-fatigue-life bearing steels[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(3): 299-310. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.09.005 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.09.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报. 2019, 41(6): 763 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.008 RH精炼过程中吹氧量对IF钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报. 2020, 42(7): 846 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002 高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法 Detection of nonmetallic inclusion in high-strength gear steel with high cleanliness 工程科学学报. 2020, 42(7): 912 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.15.005 IF钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 Evaluation of cleanliness and distribution of inclusions in the thickness direction of interstitial free (IF) steel slabs 工程科学学报. 2020, 42(2): 194 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.22.004 夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响 Influence of inclusion on stress and strain fields in ultra-high strength steel 工程科学学报. 2017, 39(7): 1027 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.007 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报. 2019, 41(12): 1567 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.18.004

工程科学学报.第43卷，第3期：299-310.2021年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.3:299-310,March 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.09.005;http://cje.ustb.edu.cn 高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 顾 超”，王仲亮，肖微)，王敏，刘宇)，黄永生2，包燕平)四 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)中天钢铁集团有限公司.江苏213011 ☒通信作者，E-mail:baoyp@ustb.edu.cn 摘要对比了国内外高疲劳寿命轴承钢主要杂质元素、主要夹杂物特征等冶金性能的差异，并对比了不同治金质量下，轴 承钢的疲劳性能及诱发疲劳断裂的因素，总结了国产轴承钢洁净度现状及与国外优质轴承钢的差距.在此基础上，围绕高疲 劳寿命轴承钢，以进一步提高国产轴承钢质量为目的，分析梳理了国产轴承钢冶炼技术及夹杂物控制方法的发展轨迹，探讨 了国产轴承钢进一步提高疲劳寿命及质量的发展方向 关键词轴承钢：夹杂物：疲劳性能：洁净度：脱氧方式 分类号TF762 Research status and progress on cleanliness of high-fatigue-life bearing steels GU Chao.WANG Zhong-liang".XIAO Wei,WANG Min,LIU Yu),HUANG Yong-sheng,BAO Yan-ping 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Zenith Steel Group Company,Jiangsu 213011,China Corresponding author,E-mail:baoyp @ustb.edu.cn ABSTRACT Bearing steel is a significant material for producing basic components in many industrial sectors,such as automotive, high-speed trains,and aerospace.In most cases,the bearings belong to the safety-relevant parts of these structures,so that extensive quality control measures are applied to ensure the entire assembly's reliability and safety.In the last century,the precise instruments' bearings were almost dependent on imports,which cost a large fortune.In recent years,the production technique and the production quality of domestic bearing steels keep improving.and the cleanliness keeps increasing.The qualities of some superior domestic bearing steels have become close to foreign bearing steels with high quality.However,the stability still needs to be improved,especially in the aspects of calcium aluminate inclusions and the titanium content in steels.To understand the gaps between domestic and foreign bearing steels,the differences in metallurgical properties of high-fatigue-life bearing steels,such as the main impurity elements and the characteristics of main inclusions,were compared in this paper.Fatigue properties of bearing steels and factors that cause fatigue fracture under various metallurgical properties were also compared.The cleanliness status of domestic bearing steels and the gap with foreign high-quality bearing steels were summarized.There are two types of controlling strategies of the cleanliness for bearing steels:1) controlling the total oxygen content strictly to get an extremely low total oxygen content;2)controlling the size and type of oxide inclusions with a relatively low total oxygen content.On this basis,in order to further improve the efficiency of domestic steel bearings, the development of the smelting technology and the integration control system for domestic steel bearings were analyzed and sorted out. Besides,the development direction of further improving the quality and fatigue life of domestic bearing steel was discussed. KEY WORDS bearing steel;inclusion:fatigue property:cleanliness;deoxidation method 收稿日期：2020-10-09 基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-TP-20-026A1):中国博士后科学基金资助项目(2020M680348):钢铁治金新技术国家 重点实验室自主课题资助项目(41620004)

高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 顾    超1)，王仲亮1)，肖    微1)，王    敏1)，刘    宇2)，黄永生2)，包燕平1) 苣 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083    2) 中天钢铁集团有限公司，江苏 213011 苣通信作者，E-mail：baoyp@ustb.edu.cn 摘    要    对比了国内外高疲劳寿命轴承钢主要杂质元素、主要夹杂物特征等冶金性能的差异，并对比了不同冶金质量下，轴 承钢的疲劳性能及诱发疲劳断裂的因素，总结了国产轴承钢洁净度现状及与国外优质轴承钢的差距. 在此基础上，围绕高疲 劳寿命轴承钢，以进一步提高国产轴承钢质量为目的，分析梳理了国产轴承钢冶炼技术及夹杂物控制方法的发展轨迹，探讨 了国产轴承钢进一步提高疲劳寿命及质量的发展方向. 关键词    轴承钢；夹杂物；疲劳性能；洁净度；脱氧方式 分类号    TF762 Research status and progress on cleanliness of high-fatigue-life bearing steels GU Chao1) ，WANG Zhong-liang1) ，XIAO Wei1) ，WANG Min1) ，LIU Yu2) ，HUANG Yong-sheng2) ，BAO Yan-ping1) 苣 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Zenith Steel Group Company, Jiangsu 213011, China 苣 Corresponding author, E-mail: baoyp@ustb.edu.cn ABSTRACT    Bearing steel is a significant material for producing basic components in many industrial sectors, such as automotive, high-speed trains, and aerospace. In most cases, the bearings belong to the safety-relevant parts of these structures, so that extensive quality control measures are applied to ensure the entire assembly ’s reliability and safety. In the last century, the precise instruments ’ bearings were almost dependent on imports, which cost a large fortune. In recent years, the production technique and the production quality of domestic bearing steels keep improving, and the cleanliness keeps increasing. The qualities of some superior domestic bearing steels have become close to foreign bearing steels with high quality. However, the stability still needs to be improved, especially in the aspects of calcium aluminate inclusions and the titanium content in steels. To understand the gaps between domestic and foreign bearing steels,  the  differences  in  metallurgical  properties  of  high-fatigue-life  bearing  steels,  such  as  the  main  impurity  elements  and  the characteristics of main inclusions, were compared in this paper. Fatigue properties of bearing steels and factors that cause fatigue fracture under various metallurgical properties were also compared. The cleanliness status of domestic bearing steels and the gap with foreign high-quality  bearing  steels  were  summarized.  There  are  two  types  of  controlling  strategies  of  the  cleanliness  for  bearing  steels:  1) controlling  the  total  oxygen  content  strictly  to  get  an  extremely  low  total  oxygen  content;  2)  controlling  the  size  and  type  of  oxide inclusions with a relatively low total oxygen content. On this basis, in order to further improve the efficiency of domestic steel bearings, the development of the smelting technology and the integration control system for domestic steel bearings were analyzed and sorted out. Besides, the development direction of further improving the quality and fatigue life of domestic bearing steel was discussed. KEY WORDS    bearing steel；inclusion；fatigue property；cleanliness；deoxidation method 收稿日期: 2020−10−09 基金项目: 中央高校基本科研业务费资助项目（FRF-TP-20-026A1）；中国博士后科学基金资助项目（2020M680348）；钢铁冶金新技术国家 重点实验室自主课题资助项目（41620004） 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期：299−310，2021 年 3 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 3: 299−310, March 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.09.005; http://cje.ustb.edu.cn

300 工程科学学报，第43卷，第3期 轴承钢是一种重要的基础设备零件制造材 临界条件，如图2所示，在相同应力及尺寸条件下， 料，在特钢生产中占据重要地位-面对突飞猛 最先引起裂纹的夹杂物种类为TiN,其次为CaO、 进的中国制造业，部分钢铁材料的质量进步已经 尖晶石及钙铝酸盐 逐渐成为制约国产设备进一步优化并对标国际的 (1) 限制性环节，例如高速铁路技术.中国的高速铁路 Kmax.ine =0.5o Vn VS 技术遥居世界第一，已与众多国家进行了出口洽 谈，但高速铁路用轴承钢等高质量特殊钢到目前 、0 为止仍未完全摆脱进口，为此，近年来国内各钢铁 企业对轴承钢的生产技术进行了迎难攻关，工信 △·◆ 部也于2019年将包括轴承钢在内的40种高品质 钢材纳入《重点新材料首批次应用示范指导目录》 TiNOI 3.4 MPam 20Mm0-乡 中，为大力发展国产高端钢材提供了基础与支持 -Caom 29m AlCa 1轴承钢质量影响因素及疲劳性能 -Spinel9 2.2 MPa:mie 104 105 10 107 108 109 对于钢材质量来说，最终评判其高低的指标 N 性因素为其所形成零件的使用性能，但钢材质量 因2不同种类夹杂物在轴承钢中最大裂尖应力强度因子($F)对比 Fig.2 Comparison of maximum stress intensity factors (SIF)of 并不是影响使用性能的单一因素，零件的加工装 different inclusions in bearing steels 配及使用环境等均会对其使用性能造成影响 (图1).从钢材质量的角度来说，控制钢材的洁净 式中：S为夹杂物面积；o为疲劳载荷 钢中夹杂物是反应钢材洁净度的一个重要指 度与组织均匀性是提高钢材质量的关键，而钢材 标，冶金工作者们持续致力于优化钢材冶炼工艺， 的洁净度及组织均匀性与钢材冶炼全流程以及连 减少钢中夹杂物的数量及尺寸，提升钢材洁净度. 铸、轧制、热处理等工序密不可分，其中洁净度主 随着冶炼技术的发展，钢材的洁净度逐渐提高.同 要受冶炼及连铸过程影响较大，而组织均匀性则 时冶金工作者们也开发出不同的脱氧方式及精炼 受连铸、轧制、热处理等工序影响较大，两者的影 渣技术，对脱氧过程中的夹杂物种类进行控制，通 响因素相互独立又密不可分，将整个轴承钢生产 流程串联成为一个有机整体 过改变夹杂物的塑性等性能，改变其对钢材使用 性能的影响，该工艺已在帘线钢、弹簧钢等钢种中 Cleanliness of steel 得到了广泛的应用 Steel quality Microstructure 为了探讨国产轴承钢的质量现状，本文对比 Service performance Processing and homogeneity of steel of bearings assembly 了国内外部分优质轴承钢的关键指标及疲劳性 Usage 能，以此为依据，针对轴承钢洁净度，回顾总结了 environment 轴承钢的冶炼技术发展，并分析了影响国产轴承 图1轴承使用性能主要影响因素 钢的关键问题及未来的发展方向. Fig.1 Main influence factor on the service character of bearings 2国内外轴承钢质量对比 在轴承钢的使用性能中，疲劳性能是最重要 的关注点之一，随着用户对零件服役时长要求的 2.1杂质元素含量对比 提高，对轴承钢疲劳性能的要求也随之提高，因 根据我国于2016年发布高碳铬轴承钢新国 此，近年来学者们对超高周疲劳（疲劳寿命N>10) 标GB/T18254一2016，新国标中全面禁止在轴 的关注逐渐增加习.随着研究的深人，学者们发 承钢冶炼中使用钙处理，并分别对其中T等残余 现在超高周疲劳范围内，钢材对夹杂物的敏感性 元素含量进行了要求（表I).因此，本文中对杂质 更高阿，且除了夹杂物尺寸对疲劳性能影响较大 元素的分析主要着眼于Ca、Ti及O、N气体元素. 外，夹杂物的种类对疲劳性能也存在不同程度的 图3为国外所生产的高碳铬轴承钢A、B和国 影响7-⑧】部分学者，通过对夹杂物在轴承钢中最 内所生产的高碳铬轴承钢C、D热轧棒材中Ca、 大裂尖应力强度因子(SIF)max ine的计算（式I)0, Ti及O、N气体元素I)轴承钢D中Ca的质量分 初步阐明了不同种类夹杂物引起疲劳断裂的不同 数为四种轴承钢中最高，且波动较大，为3.0×

轴承钢是一种重要的基础设备零件制造材 料，在特钢生产中占据重要地位[1−2] . 面对突飞猛 进的中国制造业，部分钢铁材料的质量进步已经 逐渐成为制约国产设备进一步优化并对标国际的 限制性环节，例如高速铁路技术. 中国的高速铁路 技术遥居世界第一，已与众多国家进行了出口洽 谈，但高速铁路用轴承钢等高质量特殊钢到目前 为止仍未完全摆脱进口. 为此，近年来国内各钢铁 企业对轴承钢的生产技术进行了迎难攻关，工信 部也于 2019 年将包括轴承钢在内的 40 种高品质 钢材纳入《重点新材料首批次应用示范指导目录》 中，为大力发展国产高端钢材提供了基础与支持. 1    轴承钢质量影响因素及疲劳性能 对于钢材质量来说，最终评判其高低的指标 性因素为其所形成零件的使用性能，但钢材质量 并不是影响使用性能的单一因素，零件的加工装 配及使用环境等均会对其使用性能造成影响 （图 1）. 从钢材质量的角度来说，控制钢材的洁净 度与组织均匀性是提高钢材质量的关键，而钢材 的洁净度及组织均匀性与钢材冶炼全流程以及连 铸、轧制、热处理等工序密不可分，其中洁净度主 要受冶炼及连铸过程影响较大，而组织均匀性则 受连铸、轧制、热处理等工序影响较大，两者的影 响因素相互独立又密不可分，将整个轴承钢生产 流程串联成为一个有机整体. Service performance of bearings Steel quality Processing and assembly Usage environment Cleanliness of steel Microstructure homogeneity of steel 图 1    轴承使用性能主要影响因素 Fig.1    Main influence factor on the service character of bearings 在轴承钢的使用性能中，疲劳性能是最重要 的关注点之一，随着用户对零件服役时长要求的 提高，对轴承钢疲劳性能的要求也随之提高，因 此，近年来学者们对超高周疲劳（疲劳寿命 Nf>107 ） 的关注逐渐增加[3−5] . 随着研究的深入，学者们发 现在超高周疲劳范围内，钢材对夹杂物的敏感性 更高[6] ，且除了夹杂物尺寸对疲劳性能影响较大 外，夹杂物的种类对疲劳性能也存在不同程度的 影响[7−8] . 部分学者[7,9] 通过对夹杂物在轴承钢中最 大裂尖应力强度因子（SIF）Kmax,inc 的计算（式 1） [10] ， 初步阐明了不同种类夹杂物引起疲劳断裂的不同 临界条件，如图 2 所示，在相同应力及尺寸条件下， 最先引起裂纹的夹杂物种类为 TiN，其次为 CaO、 尖晶石及钙铝酸盐. Kmax,inc = 0.5σ0 √ π √ S （1） 105 106 107 Nf 108 109 104 2 K 3 max, inc/(MPa·m1/2 ) TiN 3.4 MPa·m1/2 [7] CaO[7] AlCaO[7] AlCaO[9] Spinel[9] 2.9 MPa·m1/2 2.2 MPa·m1/2 2.92 MPa·m1/2 4 5 6 图 2    不同种类夹杂物在轴承钢中最大裂尖应力强度因子（SIF）对比 Fig.2     Comparison  of  maximum  stress  intensity  factors  (SIF)  of different inclusions in bearing steels 式中：S 为夹杂物面积；σ0 为疲劳载荷. 钢中夹杂物是反应钢材洁净度的一个重要指 标，冶金工作者们持续致力于优化钢材冶炼工艺， 减少钢中夹杂物的数量及尺寸，提升钢材洁净度. 随着冶炼技术的发展，钢材的洁净度逐渐提高. 同 时冶金工作者们也开发出不同的脱氧方式及精炼 渣技术，对脱氧过程中的夹杂物种类进行控制，通 过改变夹杂物的塑性等性能，改变其对钢材使用 性能的影响，该工艺已在帘线钢、弹簧钢等钢种中 得到了广泛的应用. 为了探讨国产轴承钢的质量现状，本文对比 了国内外部分优质轴承钢的关键指标及疲劳性 能，以此为依据，针对轴承钢洁净度，回顾总结了 轴承钢的冶炼技术发展，并分析了影响国产轴承 钢的关键问题及未来的发展方向. 2    国内外轴承钢质量对比 2.1    杂质元素含量对比 根据我国于 2016 年发布高碳铬轴承钢新国 标 GB/T 18254—2016[11] ，新国标中全面禁止在轴 承钢冶炼中使用钙处理，并分别对其中 Ti 等残余 元素含量进行了要求（表 1）. 因此，本文中对杂质 元素的分析主要着眼于 Ca、Ti 及 O、N 气体元素. 图 3 为国外所生产的高碳铬轴承钢 A、B 和国 内所生产的高碳铬轴承钢 C、D 热轧棒材中 Ca、 Ti 及 O、N 气体元素[12] . 轴承钢 D 中 Ca 的质量分 数为四种轴承钢中最高 ，且波动较大 ， 为 3.0× · 300 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期

顾超等：高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 301· 表1GB/T18254一2016高碳铬轴承钢中残余元素含量要求（质量分数） Table 1 Requirements of residual elements in high carbon chromium bearing steel in GB/T 18254-2016 Metallurgical quality Ni Cu Ca a a As As+Sn+Sb Pb High-quality steel ≤0.25≤0.25≤0.025≤0.020 ≤0.0012≤0.0050≤0.050≤0.04 ≤0.075 ≤0.002 Advanced high-quality steel ≤0.25≤0.25≤0.020 ≤0.020 ≤0.0010≤0.0009≤0.0030≤0.050≤0.04 ≤0.075 ≤0.002 Super high-quality steel ≤0.25≤0.25≤0.015 ≤0.015 ≤0.0010≤0.0006≤0.0015≤0.050≤0.04 ≤0.075 ≤0.002 Note:The oxygen content is tested in billets or rolled steels;The composition in steel grade GCr15SiMn,GCr15SiMo,and GCr18Mo is allowed 0.0005%addition. 106~4.6×106,轴承钢C中Ca的质量分数在1×106 较小，在82×106~9.5×106范围内，轴承钢C中 左右，波动较小，轴承钢A、B中Ca含量均为痕 Ti的质量分数最小值与轴承钢A将近，但其波动 量.轴承钢Ca含量与钙铝酸盐类夹杂物的长大密 较大，在8.1×106~12.0×106范围内.轴承钢B与 切相关，而轴承钢中该类夹杂物对疲劳寿命影响 轴承钢D中Ti含量相对较高.轴承钢中Ti含量与 较大，因此在冶炼过程中应尽量降低轴承钢中 氨化钛类夹杂物相关，Tⅰ含量的增加会导致氨化 Ca含量.轴承钢A中Ti的质量分数较低，且波动 钛类夹杂物的数量及尺寸增加. (a) (b) 4 16 3 12 8 1 A B D B D Steel type Steel type 90 (c) (d) 8 7 70 6 0 5 0 4 40 2 uao 30 20 10 0 Steel type Steel type 图3国内外轴承钢主要杂质元素对比.(a)Ca:(b)Ti:(c)T.O:(d)N Fig.3 Composition of main impurity elements in domestic and foreign bearing steels:(a)Ca;(b)Ti (c)T.O (d)N 轴承钢B中全氧量最低，为2×106~4×106，轴 物夹杂与析出物夹杂，其中氧化物夹杂包括：尖晶 承钢A中全氧量较高，为4×106~8×10.轴承钢 石类(Mg-Al-O)、钙铝酸盐类(Ca-Al-O-S)和硅 C与轴承钢D中全氧含量与轴承钢B相比均稍 酸盐(Si-Al-(Ca)-O)类；析出物夹杂包括：氨化钛 高，轴承钢C中全氧量为6×106~8×106；轴承钢 类(TN)和硫化锰类(MnS).高碳铬轴承钢A、B、 D中全氧量为5×106~6×106.轴承钢C与轴承钢 C和D热轧棒材中极少发现纯氧化铝类(A1-O)类 D中氨含量与轴承钢A与轴承钢B相比均较低， 夹杂物.6类夹杂物的尺寸特征与个数密度特 其中轴承钢A中氨含量最高，为79×106~83×106 征如图4所示. 2.2主要夹杂物对比 (1)尖晶石类夹杂物. 轴承钢中的显微夹杂物主要分为两类：氧化 轴承钢A中尖晶石类夹杂物的个数密度最

10−6～4.6×10−6，轴承钢 C 中 Ca 的质量分数在 1×10−6 左右，波动较小，轴承钢 A、B 中 Ca 含量均为痕 量. 轴承钢 Ca 含量与钙铝酸盐类夹杂物的长大密 切相关，而轴承钢中该类夹杂物对疲劳寿命影响 较大 ，因此在冶炼过程中应尽量降低轴承钢中 Ca 含量. 轴承钢 A 中 Ti 的质量分数较低，且波动 较小 ，在 8.2×10−6～9.5×10−6 范围内 ，轴承钢 C 中 Ti 的质量分数最小值与轴承钢 A 将近，但其波动 较大，在 8.1×10−6～12.0×10−6 范围内. 轴承钢 B 与 轴承钢 D 中 Ti 含量相对较高. 轴承钢中 Ti 含量与 氮化钛类夹杂物相关，Ti 含量的增加会导致氮化 钛类夹杂物的数量及尺寸增加. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 A (c) B Total oxygen mass fraction/10−6 Steel type C D 5 4 3 2 1 0 A (a) B Ca mass fraction/10−6 Steel type C D 16 12 8 4 0 A (b) B Ti mass fraction/10−6 Steel type C D 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 A (d) B Nitrogen mass fraction/10−6 Steel type C D 图 3    国内外轴承钢主要杂质元素对比. （a）Ca；（b）Ti；（c）T.O；（d）N Fig.3    Composition of main impurity elements in domestic and foreign bearing steels: (a) Ca; (b) Ti; (c) T.O; (d) N 轴承钢 B 中全氧量最低，为 2×10−6～4×10−6，轴 承钢 A 中全氧量较高，为 4×10−6～8×10−6 . 轴承钢 C 与轴承钢 D 中全氧含量与轴承钢 B 相比均稍 高，轴承钢 C 中全氧量为 6×10−6～8×10−6；轴承钢 D 中全氧量为 5×10−6～6×10−6 . 轴承钢 C 与轴承钢 D 中氮含量与轴承钢 A 与轴承钢 B 相比均较低， 其中轴承钢 A 中氮含量最高，为 79×10−6～83×10−6 . 2.2    主要夹杂物对比 轴承钢中的显微夹杂物主要分为两类：氧化 物夹杂与析出物夹杂，其中氧化物夹杂包括：尖晶 石类（Mg‒Al‒O）、钙铝酸盐类（Ca‒Al‒O‒S）和硅 酸盐（Si‒Al‒(Ca)‒O）类；析出物夹杂包括：氮化钛 类（TiN）和硫化锰类（MnS）. 高碳铬轴承钢 A、B、 C 和 D 热轧棒材中极少发现纯氧化铝类（Al‒O）类 夹杂物. 6 类夹杂物[12] 的尺寸特征与个数密度特 征如图 4 所示. （1）尖晶石类夹杂物. 轴承钢 A 中尖晶石类夹杂物的个数密度最 表 1  GB/T 18254—2016 高碳铬轴承钢中残余元素含量要求（质量分数） Table 1  Requirements of residual elements in high carbon chromium bearing steel in GB/T 18254—2016 % Metallurgical quality Ni Cu P S Ca O a Tib Al As As+Sn+Sb Pb High-quality steel ≤0.25 ≤0.25 ≤0.025 ≤0.020 ― ≤0.0012 ≤0.0050 ≤0.050 ≤0.04 ≤0.075 ≤0.002 Advanced high-quality steel ≤0.25 ≤0.25 ≤0.020 ≤0.020 ≤0.0010 ≤0.0009 ≤0.0030 ≤0.050 ≤0.04 ≤0.075 ≤0.002 Super high-quality steel ≤0.25 ≤0.25 ≤0.015 ≤0.015 ≤0.0010 ≤0.0006 ≤0.0015 ≤0.050 ≤0.04 ≤0.075 ≤0.002 Note: a The oxygen content is tested in billets or rolled steels; b The composition in steel grade GCr15SiMn, GCr15SiMo, and GCr18Mo is allowed 0.0005% addition. 顾    超等： 高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展 · 301 ·

302 工程科学学报，第43卷，第3期 (a) (b (c) 1.5 15 15 10 1.0 0.5 0.5 B B Steel type Steel type Steel type 16(d 30 Average size 「(e) 1 30 (① Average size 12 Average size 20 8 6 10 10 4 B 0 0 C 0 B Steel type Steel type Steel type (h) 1.5 20 .0 t-wwyuoisn jou apijins 15 10 B C D B Steel type Steel type 12 Average size 14 0) Average size 12 8 10 8 6 6 4 4 2 0 D A B C D Steel type Steel type 图4国内外轴承钢主要夹杂物对比.(a)尖晶石类夹杂物个数密度：(b)钙铝酸盐类夹杂物个数密度：(c)硅酸盐类夹杂物个数密度：(d)尖品石类 夹杂物尺寸分布：()钙铝酸盐类夹杂物尺寸分布：(f)硅酸盐类夹杂物尺寸分布：(g)氨化钛类夹杂物个数密度：(h)硫化锰类夹杂物个数密度： ()氮化钛类夹杂物尺寸分布：(G)硫化锰类夹杂物尺寸分布 Fig.4 Composition of main inclusion in domestic and foreign bearing steels:(a)number density of spinel inclusion;(b)size distribution of spinel inclusion;(c)number density of calcium aluminate inclusion;(d)size distribution of calcium aluminate inclusion;(e)number density of silicate inclusion; (f)size distribution of silicate inclusion;(g)number density of titanium nitride inclusion;(h)size distribution of titanium nitride inclusion;(i)number density of manganese sulfide inclusion;(j)size distribution of manganese sulfide inclusion 大，为1.3mm2,但其平均尺寸及最大尺寸均较小， (C:1.1mm2;D:1.6mm2)均高于轴承钢A与B中 分别为2.3及7.4um.轴承钢C中尖晶石类夹杂物 的钙铝酸盐类夹杂物(A:0.6mm2:B:0.4mm2) 的个数密度仅次于国外A轴承钢，其个数密度为 此外，4种轴承钢平均尺寸虽差别不大，但最大尺 0.9mm2,但其平均尺寸较大，且最大尺寸为4种 寸相差较大.轴承钢C与D的最大尺寸分别为 轴承钢中最大，为13.4um.轴承钢B与轴承钢 28.6和29.8m,轴承钢A与B的最大尺寸分别为 D个数密度较低，均为0.7mm2,其中轴承钢B中 20.5和15.5m.轴承钢中该类夹杂物的尺寸通常 尖晶石类夹杂物的平均尺寸与最大尺寸均较高， 较大，其对疲劳寿命的影响较为突出 分别为3.3及10.8m (3)硅酸盐类夹杂物 (2)钙铝酸盐类夹杂物 4种轴承钢中硅酸盐类夹杂物的个数密度与 轴承钢C与D中钙铝酸盐类夹杂物的个数密度 尖晶石类夹杂物和钙铝酸盐类夹杂物相比较小

大，为 1.3 mm−2，但其平均尺寸及最大尺寸均较小， 分别为 2.3 及 7.4 μm. 轴承钢 C 中尖晶石类夹杂物 的个数密度仅次于国外 A 轴承钢，其个数密度为 0.9 mm−2，但其平均尺寸较大，且最大尺寸为 4 种 轴承钢中最大 ，为 13.4 μm. 轴承钢 B 与轴承钢 D 个数密度较低，均为 0.7 mm−2，其中轴承钢 B 中 尖晶石类夹杂物的平均尺寸与最大尺寸均较高， 分别为 3.3 及 10.8 μm. （2）钙铝酸盐类夹杂物. 轴承钢 C 与 D 中钙铝酸盐类夹杂物的个数密度 （C：1.1 mm−2 ；D：1.6 mm−2）均高于轴承钢 A 与 B 中 的钙铝酸盐类夹杂物（A： 0.6 mm−2 ；B： 0.4 mm−2） . 此外，4 种轴承钢平均尺寸虽差别不大，但最大尺 寸相差较大. 轴承钢 C 与 D 的最大尺寸分别为 28.6 和 29.8 μm，轴承钢 A 与 B 的最大尺寸分别为 20.5 和 15.5 μm. 轴承钢中该类夹杂物的尺寸通常 较大，其对疲劳寿命的影响较为突出. （3）硅酸盐类夹杂物. 4 种轴承钢中硅酸盐类夹杂物的个数密度与 尖晶石类夹杂物和钙铝酸盐类夹杂物相比较小， 1.5 1.0 0.5 0 A (g) B Number density of titanium nitride inclusion/mm−2 Steel type C D 15 25 20 10 5 0 A (h) Number density of manganese B sulfide inclusion/mm−2 Steel type C D 12 10 8 6 4 2 0 A (i) Average size B Size of titanium nitride inclusion/μm Steel type C D 14 12 10 8 6 4 2 0 A (j) Average size B Size of manganese sulfide inclusion/μm Steel type C D 1.5 1.0 0.5 0 A (a) B Number density of spinel inclusion/mm−2 Steel type C D 1.5 1.0 0.5 0 A (b) B Number density of calcium aluminate inclusion/mm−2 Steel type C D 1.5 1.0 0.5 0 A (c) B Number density of silicate inclusion/mm−2 Steel type C D 16 14 12 10 8 6 4 2 0 A (d) Average size B Size of spinel inclusion/μm Steel type C D 30 25 20 15 10 5 0 A (e) Average size B Size of calcium aluminate inclusion/μm Steel type C D 30 20 10 0 A (f) Average size B Size of silicate inclusion/μm Steel type C D 图 4    国内外轴承钢主要夹杂物对比. （a）尖晶石类夹杂物个数密度；（b）钙铝酸盐类夹杂物个数密度；（c）硅酸盐类夹杂物个数密度；（d）尖晶石类 夹杂物尺寸分布；（e）钙铝酸盐类夹杂物尺寸分布；（f）硅酸盐类夹杂物尺寸分布；（g）氮化钛类夹杂物个数密度；（h）硫化锰类夹杂物个数密度； （i）氮化钛类夹杂物尺寸分布；（j）硫化锰类夹杂物尺寸分布 Fig.4     Composition  of  main  inclusion  in  domestic  and  foreign  bearing  steels:  (a)  number  density  of  spinel  inclusion;  (b)  size  distribution  of  spinel inclusion; (c) number density of calcium aluminate inclusion; (d) size distribution of calcium aluminate inclusion; (e) number density of silicate inclusion; (f) size distribution of silicate inclusion; (g) number density of titanium nitride inclusion; (h) size distribution of titanium nitride inclusion; (i) number density of manganese sulfide inclusion; (j) size distribution of manganese sulfide inclusion · 302 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期