轴承钢中非金属夹杂物控制关键技术

随着我国国民经济的不断发展，对轴承钢性能提出了更高的要求。超纯净轴

承钢被广泛地应用于高速铁路、风电装备、航空发动机、高档轿车变速箱、高速

精密机床和长寿命冶金轧机等对使用寿命、可靠性、承载能力严格要求的领域。

超纯净轴承钢炼钢冶炼难度极高，主要是由于其钢中非金属夹杂物控制存在以下

两个难题：（1）超高洁净度，总氧含量低于 5 ppm；（2）大颗粒夹杂物数量要求

少，尺寸小于 15 μm。近 30 年来，通过引进、消化和吸收，实现了大部分高端

装备的国产化，但对高端装备用高可靠长寿命轴承的国产化一直没有解决。因此，

开发超纯净轴承钢中非金属夹杂物控制关键技术，为打破此领域国外产品及技术

垄断、实现国内自主生产有重要意义。

（1）超纯净轴承钢精炼渣成分设计技术. 铝脱氧轴承钢都是通过高碱度精

炼渣提升钢材的洁净度，减少钢中夹杂物数量。高碱度精炼渣具有很高的脱氧脱

硫能力，效率高，可生产超低硫轴承钢。由于高碱度精炼渣中 CaO 含量高，易被

钢中[Al]还原而进入钢液，从而生成 Ds 类夹杂，对轴承钢性能产生不利影响。

另外，高碱度使精炼渣熔点变高，成渣慢，炉渣流动性变差，会影响脱氧脱硫效

果，有可能引起卷渣。低碱度精炼渣由于碱度低，降低了 CaO-Al 2 O 3 类夹杂的影

响，但脱氧能力下降使得氧化物夹杂上升。本项目研究应用 FactSage 热力学计

算软件，研究了不同精炼渣成分对钢液成分、夹杂物成分的影响，通过对不同精

炼渣系进行设计优化，确定精炼渣成分；同时，本项目在碱度 7-12 范围内进行

工业试验，考虑了不同碱度精炼渣对轴承钢洁净度和夹杂物成分的影响，从而更

系统准确地确定了有利于超纯净轴承钢夹杂物控制的最优精炼渣成分。

图 1 精炼渣碱度对渣中 Al 2 O 3 和 CaO 活度的影响

（2）超纯净轴承钢 VD 精炼控制技术.在真空状态下吹氩搅拌钢液，促使夹

杂物从钢液内排除，使钢的洁净度提高。VD 精炼过程渣钢剧烈反应，渣中 CaO、

MgO 被还原为[Ca]和[Mg]进入钢液，与钢中 Al 2 O 3 夹杂物反应生成镁铝尖晶石和

钙铝酸盐，导致钢中 Ds 类夹杂数量增加，可能导致水口结瘤和最终轧材中出现

Ds 类夹杂缺陷，影响轴承钢的质量水平，VD 精炼真空度的控制对于夹杂物的上

浮去除和夹杂物成分非常重要。本项目对 VD 真空度进行了优化，使得最终产品

夹杂物中的 CaO 含量由 30%左右降低至 5%以下，显著减少了 CaO-Al 2 O 3 和

CaO-Al 2 O 3 -MgO 复合夹杂物的生成，使钢中夹杂物由 CaO-Al 2 O 3 类转变为镁铝尖晶

石类，减轻了 Ds 类夹杂的危害。

图 2 不同 VD 真空度条件下轴承钢轧材中夹杂物成分

（3）热处理过程夹杂物成分控制技术。对于轴承钢钢液中的夹杂物已经形

成了一系列脱氧、精炼渣改性、真空精炼等成熟的夹杂物控制方法，可以较好实

现冶炼过程从精炼到连铸过程夹杂物的有效控制。轴承钢轧制热处理过程不仅能

够改变钢的组织结构和性能，也会使得氧化物夹杂与钢基体发生高温反应，造成

钢基体成分偏析、原有氧化物夹杂的改变和新氧化物夹杂的析出。同时，热处理

过程钢基体中氧化物夹杂的种类、性质、尺寸及形貌特征变化直接影响着最终轴

承钢产品的组织和性能。本项目研究了在不同热处理温度（1225

o C、1300 o C 和1375

o ）和热处理时间条件下，GCr15 轴承钢中非金属夹杂物的演变规律，并且

发现热处理过程轴承钢中的 MgO-Al 2 O 3 -CaO 会逐渐转变为 MgO-Al 2 O 3 -CaS 夹杂物，

小尺寸夹杂物完成转变所需时间较短，而大尺寸夹杂物完成转变所需时间较长。

在不同热处理温度下，钢中夹杂物尺寸基本不变，但夹杂物转变速率不同。通过

热力学计算和动力学模型，对轴承钢热处理过程中夹杂物的转变机理进行揭示。