軸承鋼的生產現狀與發展（一）
2009-11-02 首鋼技術研究院
1 前言
滾動軸承是重要的機械基礎件，在宇航、軍工、機械制造、鐵路運輸以及汽車制造等行業中應用十分廣泛。它在很大程度上決定了裝備的精度、性能、壽命與可靠性。軸承鋼是重要的特鋼品種，其純凈度和組織均勻性是影響軸承壽命的重要因素。含1.0%C、1.5%Cr的GCr15滾珠軸承鋼是專用鋼中質量要求Z為苛刻的鋼種，該鋼種是19世紀末發明的，100年來，成分基本沒變化，而質量提高了很多，它是發達國家中在生產、科研方面投入人力、物力Z多的鋼種，一向被認為是高質量鋼的代表。其冶煉方法，從30~40年代傳統的酸性平爐、堿性平爐、堿性電弧爐單煉，60年代的鋼包滴流脫氣法和真空循環脫氣法(RH)精煉，發展到今天的綜合爐外精煉工藝(LF+RH、LF+VD等)，使鋼中氧含量及其它有害元素的含量大幅度降低，疲勞壽命猛增，例如瑞典SKF公司是世界公認的軸承及軸承鋼生產“王國”，質量居全球之冠，它們80年代創建的SKF-MR法(MR是熔煉加精煉的意思)，使軸承鋼的氧含量達到10×10－6以下，日本山陽特殊鋼公司從60年代起經過整整30~40年的努力，到80年代末，Z終形成了90tEAF-LF-RH-CC工藝生產軸承鋼，氧含量達到5.0×10－6左右。
經過幾十年的發展，中國目前不僅已經成為軸承鋼生產大國，形成了幾條軸承鋼生產工藝路線，即EF＋LF＋VD、EF＋VAD、EF＋吹氬或喂絲工藝路線等，年產軸承鋼80萬噸左右（日本60萬噸、瑞典70萬噸），基本能滿足國內市場的需求，并有少量出口；而且其內部質量也接近或達到水平，如氧含量降到了10×10－6左右。但是國產軸承鋼與瑞典SKF、日本山陽等先進廠家相比還存在一定差距，主要表現在以下三個方面：一是鋼中微量雜質元素含量偏高；二是表面質量差(包括尺寸精度、表面裂紋和脫碳等)；三是內部質量不穩定，波動范圍大。
2 軸承的工作環境及對軸承鋼的性能要求
2.1工作環境
軸承是由內、外套圈、滾動體（滾珠、滾柱或滾針）和保持器四部分組成，除保持器外，其余都是由軸承鋼組成。當軸承工作時，軸承內、外套圈，軸承滾動體間承受高頻、變應力的作用。軸承的工作條件十分復雜。載荷集中作用在滾動體的很小面積上。理論上講對于滾珠，作用在一點上；而對于滾柱則作用在一條線上，并且滾動體與套圈間接觸面積也很小（呈點/線接觸），因此軸承零件在工作時，其滾動體和套圈表面的單位面積上要承受很大的壓力，一般高達1500－5000N/mm2；軸承旋轉時，還要承受離心力的作用，作用力隨轉速的增加而增大；滾動體和套圈間不僅存在滾動，而且還有滑動，所以在滾動體與套圈之間還存在著摩擦。在以上幾種力的綜合作用下，在套圈或滾動體的表面上抗疲勞強度低的部位首先產生疲勞裂紋，Z后形成疲勞剝落，使軸承破損失效。軸承正常的破損形式是接觸疲勞損壞，常見的還有塑性變形、壓痕、磨損、裂紋等。
2.2性能要求
軸承的壽命和可靠性雖然與軸承的設計、加工制造、潤滑條件、安裝、維護保養等因素有關，但軸承材料的高質量和可靠性是關鍵?；谝陨蠈S承的工作條件和破損的分析，對軸承鋼的性能應有如下要求：
(1)高的純凈度和高均勻性；
(2)足夠的抗壓強度和抗永久變形能力；
(3)優良的接觸疲勞性能；
(4)高的耐磨性；
(5)良好的尺寸穩定性；
(6)良好的工藝性能。
對于在特殊條件下工作的軸承，還有特殊要求，如耐高溫性能、耐低溫性能、防腐蝕性能和抗磁性能等等。
3 微量元素對軸承鋼質量的影響
3.1氧
滾動軸承是重要的機械基礎件，在宇航、軍工、機械制造、鐵路運輸以及汽車制造等行業中應用十分廣泛。它在很大程度上決定了裝備的精度、性能、壽命與可靠性。軸承鋼是重要的特鋼品種，其純凈度和組織均勻性是影響軸承壽命的重要因素。含1.0%C、1.5%Cr的GCr15滾珠軸承鋼是專用鋼中質量要求Z為苛刻的鋼種，該鋼種是19世紀末發明的，100年來，成分基本沒變化，而質量提高了很多，它是發達國家中在生產、科研方面投入人力、物力Z多的鋼種，一向被認為是高質量鋼的代表。其冶煉方法，從30~40年代傳統的酸性平爐、堿性平爐、堿性電弧爐單煉，60年代的鋼包滴流脫氣法和真空循環脫氣法(RH)精煉，發展到今天的綜合爐外精煉工藝(LF+RH、LF+VD等)，使鋼中氧含量及其它有害元素的含量大幅度降低，疲勞壽命猛增，例如瑞典SKF公司是世界公認的軸承及軸承鋼生產“王國”，質量居全球之冠，它們80年代創建的SKF-MR法(MR是熔煉加精煉的意思)，使軸承鋼的氧含量達到10×10－6以下，日本山陽特殊鋼公司從60年代起經過整整30~40年的努力，到80年代末，Z終形成了90tEAF-LF-RH-CC工藝生產軸承鋼，氧含量達到5.0×10－6左右。
經過幾十年的發展，中國目前不僅已經成為軸承鋼生產大國，形成了幾條軸承鋼生產工藝路線，即EF＋LF＋VD、EF＋VAD、EF＋吹氬或喂絲工藝路線等，年產軸承鋼80萬噸左右（日本60萬噸、瑞典70萬噸），基本能滿足國內市場的需求，并有少量出口；而且其內部質量也接近或達到水平，如氧含量降到了10×10－6左右。但是國產軸承鋼與瑞典SKF、日本山陽等先進廠家相比還存在一定差距，主要表現在以下三個方面：一是鋼中微量雜質元素含量偏高；二是表面質量差(包括尺寸精度、表面裂紋和脫碳等)；三是內部質量不穩定，波動范圍大。
2 軸承的工作環境及對軸承鋼的性能要求
2.1工作環境
軸承是由內、外套圈、滾動體（滾珠、滾柱或滾針）和保持器四部分組成，除保持器外，其余都是由軸承鋼組成。當軸承工作時，軸承內、外套圈，軸承滾動體間承受高頻、變應力的作用。軸承的工作條件十分復雜。載荷集中作用在滾動體的很小面積上。理論上講對于滾珠，作用在一點上；而對于滾柱則作用在一條線上，并且滾動體與套圈間接觸面積也很小（呈點/線接觸），因此軸承零件在工作時，其滾動體和套圈表面的單位面積上要承受很大的壓力，一般高達1500－5000N/mm2；軸承旋轉時，還要承受離心力的作用，作用力隨轉速的增加而增大；滾動體和套圈間不僅存在滾動，而且還有滑動，所以在滾動體與套圈之間還存在著摩擦。在以上幾種力的綜合作用下，在套圈或滾動體的表面上抗疲勞強度低的部位首先產生疲勞裂紋，Z后形成疲勞剝落，使軸承破損失效。軸承正常的破損形式是接觸疲勞損壞，常見的還有塑性變形、壓痕、磨損、裂紋等。
2.2性能要求
軸承的壽命和可靠性雖然與軸承的設計、加工制造、潤滑條件、安裝、維護保養等因素有關，但軸承材料的高質量和可靠性是關鍵?；谝陨蠈S承的工作條件和破損的分析，對軸承鋼的性能應有如下要求：
(1)高的純凈度和高均勻性；
(2)足夠的抗壓強度和抗永久變形能力；
(3)優良的接觸疲勞性能；
(4)高的耐磨性；
(5)良好的尺寸穩定性；
(6)良好的工藝性能。
對于在特殊條件下工作的軸承，還有特殊要求，如耐高溫性能、耐低溫性能、防腐蝕性能和抗磁性能等等。
3 微量元素對軸承鋼質量的影響
3.1氧
瑞典SKF公司和日本山陽特殊鋼公司對軸承鋼氧含量與疲勞壽命的關系，做過大量的試驗研究工作，得出了明確的結論，見圖1～2。Lund.T.等認為疲勞壽命與氧含量的關系為L10(相對壽命)=372〔O〕－1.6，即二次精煉鋼（氧含量為10×10－6）的疲勞壽命是大氣下熔煉鋼（氧含量為40×10－6）的10倍。上杉年一認為：精煉鋼氧含量降到5×10－6，其疲勞壽命是非精煉鋼的30倍，與真空自耗和電渣重熔鋼相當。大冶特殊鋼股份有限公司近年來對此也做過一系列試驗[15]，結果表明，當精煉鋼中氧含量降到20×10－6時，疲勞壽命是電弧爐大氣下熔煉鋼（氧含量為30×10－6）的1.5倍，15×10－6是2.0倍，8×10－6是3.0倍，接近電渣重熔鋼的水平（見圖2）。
軸承鋼中的氧含量與疲勞壽命之間的關系，國內外的試驗結果大體一致。但是應當指出的是，氧含量與疲勞壽命的關系是辯證的關系，不是的，因為鋼中氧含量的高低，實際上只能代表鋼中氧化物夾雜數量的多少，它不能代表硫化物和氮化物量的高低，更不用說夾雜物的尺寸及分布了。通常，一個軸承件的破壞，往往是由許多夾雜物中的一個大型夾雜物引起。這些夾雜物有硫化物（A類）、氧化物（B、C、D類）和氮化物。從這個意義上說，夾雜物的尺寸與分布對疲勞壽命影響Z大。因此，不同的冶煉方法，氧含量即使相同，其疲勞壽命也完全不一樣。圖3表示各種不同煉鋼方法生產的軸承鋼彎曲疲勞極限與氧含量的關系，可以看出氧含量大約為20×10－6的鋼材（LD＋RH）疲勞極限相當好，而采用硅鈣處理的鋼材(EF＋RH)盡管氧含量很低，5~10×10－6，由于其形成了危害嚴重的CaO類夾雜，疲勞極限并不高，冶鋼公司的試驗也證明了這一點，雖然電渣重熔鋼的氧含量(18.6×10－6)和夾雜物含量較高，但它的夾雜尺寸細小，分布均勻，它的疲勞壽命比低氧含量(8.2×10－6)爐外精煉鋼高。
據此，只能將氧含量看作是特定工藝范圍內疲勞極限的一個相關參數。只有在同一冶煉方法和大量試驗條件下，才有可能確定氧含量和疲勞性能之間的關系。
3.2硫
據此，只能將氧含量看作是特定工藝范圍內疲勞極限的一個相關參數。只有在同一冶煉方法和大量試驗條件下，才有可能確定氧含量和疲勞性能之間的關系。
3.2硫
峰公雄認為：
，硫對性能沒有影響。關于硫對疲勞壽命的影響，目前還存在著意見分歧，歸納起來有以下三種觀點[16~20]：一種認為適當提高鋼中硫化物含量有利于壽命的提高；另一種觀點認為硫化物含量增加會降低壽命；還有一種觀點則認為硫化物含量與疲勞壽命關系不大。認為硫化物有益的觀點，常用“共生理論”來解釋之。這種理論認為鋼液在凝固過程中，低熔點的硫化物粘附在氧化物表面上，形成硫化物包圍氧化物的共生夾雜，它能夠松弛拉應力，并能夠進行協調變形，從而減少氧化物的有害作用，但是這種理論是建立在鋼中氧化物夾雜較多的前提下。從本世紀70年代初期以來，許多研究結果都指出適當提高鋼中MnS類硫化物的含量對滾珠軸承的接觸疲勞壽命至少是無害的，甚至是有益的。Tricot認為蝶形裂紋源總是以氧化物夾雜為核心，他報道過一個只有單翼的蝶形裂紋源，另一翼之所以沒有形成，是因為該處有硫化物包覆于氧化物上(見圖4)。Eneke也持相似的觀點。他認為：當氧化物夾雜全部為硫化物包覆時，滾珠軸承的接觸疲勞壽命Z長。瑞典SKF公司曾經是世界上Z高質量滾珠軸承鋼的生產者。當時他們的產品主要是在酸性平爐中用硅還原法冶煉的。其氧含量約為25~50×10－6，硫含量在0.018%以上。和堿性電弧爐鋼比較，其特點之一是90%的夾雜為硫化物和氧硫化物。按上述研究，這被認為就是其壽命高的原因。但必須看到，這些觀點只在有限的條件下才值得重視。一方面，是因為硫化物包覆氧化物并非僅靠控制氧硫比就一定能實現。凝固速率也會影響硫化物在氧化物上析出的過程。在熱加工和熱處理溫度下，已形成的硫化物“膜”有可能部分再次溶于鋼的基體。由于硫化物和氧化物變形抗力的差異，熱加工時“膜”還可能被擠掉，這些因素對高硫軸承鋼壽命測定值分散度大看來是有影響的。另一方面，所謂用硫化物包覆氧化物可提高滾珠軸承的壽命只是相對的。即硫化物的危害性相對于氧化物的較小一些。然而不可否認它也是雜質，同樣也會破壞鋼基體組織的連續性與均勻性。隨著酸性平爐的逐漸淘汰及爐外精煉技術的廣泛應用，現在滾珠軸承鋼的含氧量水平已可降到5×10－6，氧化物夾雜大大減少。Cogne等指出[18]：在這種條件下硫化物的破壞作用自然也就會顯現出來(見圖5)。Tardy等發現實際上有兩個影響因素：[%O]和[%O]/[%S]。[%O]/[%S]恒定，[%O]低者其接觸疲勞壽命高。
但值得注意：硫與氧相似，它也只能代表鋼中硫化物夾雜的數量，不能代表其尺寸和分布。這是由于鋼中硫化物含量較低，絕不意味著大顆粒夾雜物完全消失，因為鋼在凝固過程中，夾雜物存在著聚集、長大的條件。特別是硫化物夾雜，由于它容易產生偏析，其尺寸的大小與鋼錠的重量、鋼液的澆鑄溫度更為密切。例如日本山陽特殊鋼公司已將鋼中的硫含量降到了很低的程度(0.002％)，但它的硫化物級別并不很低，平均為1.34級?，F在有些特殊用鋼，為了有利于切削加工，要求鋼中含有一定數量的硫(0.02~0.06％)，同時要求其硫化物細小分散，級別要低。因為要改善鋼中硫化物的尺寸和分布，使其變得細小分散，必須注意凝固條件，應盡量將澆鑄溫度降低，以減少硫化物偏析。
3.3鈣
鈣在軸承鋼中主要是以鋁酸鈣、硅鋁酸鈣、硫化鈣等形式存在。這種夾雜物與其它夾雜物不同，熱加工時既不變形，也不會破碎。在球狀夾雜兩側經?？梢钥吹?ldquo;孔穴”，此處較易造成應力裂紋。在氧含量很低的軸承鋼中，鈣可部分替代硫化錳中的錳。富鈣硫化物的韌性很差，同氧化物相似，起產生裂紋的作用。
含CaO的點狀夾雜物經常是軸承鋼產生裂紋的源泉，佩特爾森(Peterson)根椐點狀夾雜就是裂紋的假設。提出了下列疲勞極限與夾雜尺寸的關系式：
式中：SN：疲勞極限，MN/m2；
Rm：材料的抗拉強度，MN/m2；
a：點狀夾雜的周長，um；
R：點狀夾雜的半徑，um。
利用上式所作的預測值和實測結果基本吻合，由此證明點狀夾雜的確是軸承疲勞壽命降低的直接原因，夾雜尺寸愈大，疲勞壽命愈短。
對有些鋼種而言，為了提高鋼材的機械加工性能，并改善非金屬夾雜物的形態與分布，在冶煉過程中有意向鋼中加鈣。但對軸承鋼而言，殘留鈣不是有意添加的，而是來源于與鋼水接觸的熔渣和爐襯。軸承鋼如果采用Ca或Ca－Si脫氧，鋼中必將產生危害性極大的D類球狀夾雜物，使其疲勞壽命大幅度降低。因此，在很多國家的軸承鋼標準中都規定(如瑞典SKF、美國ASTM標準等)，不能用Ca或Ca－Si脫氧。
3.4其它殘余元素
關于滾珠軸承鋼中的有害元素，除了氧、硫、鈣之外，近來鈦與氮也備受關注，因為它引入TiN夾雜，其危害甚至比等粒度的剛玉更大(見圖5)。Cogne等和坪田等認為Ti含量超過30~50×10－6時疲勞壽命開始下降。關于軸承鋼中氮和鈦形成氮化鈦夾雜的條件以及如何控制氮化鈦的尺寸和分布還沒有文獻報道，有待今后研究。
由于沒有可靠的檢測方法，對于殘余元素如砷、鉍、鉛、銻和錫等對軸承鋼壽命的影響報導很少。對于雜質元素鋁、銅、鉬、鎳、釩與軸承疲勞壽命間的關系研究表明[14]：為了獲得高疲勞壽命的軸承鋼，其雜質元素的相對量必須符合下述條件。
滾珠軸承鋼有白點敏感性，鋼中氫增加會導致疲勞壽命下降。磷會促進加熱時晶粒的長大，使鋼脆性增加而強度降低，易于在淬火時開裂。鎳會降低滾珠軸承淬火層的硬度。銅會引起失效。
由于殘余元素的有害作用，為了提高軸承鋼質量，國外在標準中對殘余元素有明確的規定，如SKF D33“SKF3熱軋球化退火鋼棒”標準中規定Ti≤30ppm；As≤0.04%；Sn≤0.04%；Sb≤0.03%；Pb≤0.002%；T.O≤0.0015%。在80年代末90年代初，德國FAG軸承公司、日本NTN和NSK等公司的軸承鋼交貨標準規定Ti≤30ppm、T.O≤15ppm、[S]≤0.008%。
4 夾雜物對軸承鋼質量的影響
4.1夾雜物類型和數量對疲勞壽命的影響
鋼中的非金屬夾雜物，破壞了金屬的連續性和均勻性。在交變應力的作用下，易于引起應力集中，成為疲勞裂紋源，降低鋼的疲勞壽命。但是不同的夾雜物類型、形態、數量、尺寸和分布，對鋼的疲勞壽命影響是不相同的。不同類型的夾雜物在軋制時表現為不同的形狀。脆性夾雜物(如Al2O3夾雜)一般沿軋制方向排列成串狀或點鏈狀；塑性夾雜物(如硫化物)呈連續性分布；點狀(或球狀)夾雜物在熱加工時不變形；即不同類型的夾雜物，具有不同的熱應力變形能力。硬脆夾雜物不具有塑性，在加工和使用過程中難以變形，構成應力集中，使疲勞裂紋萌生期縮短，影響了疲勞性能的提高。有時在變形時，這些夾雜物還能將鋼的基體劃傷。顯微觀察表明，在點狀不變形夾雜物的周圍，常常發現有喇叭形的空洞和裂紋。這種空洞引起“劃傷”往往就是疲勞破壞的“胚芽”，因此點狀夾雜物危害極大。大量的試驗工作證實了脆硬夾雜物的危害性。圖6是含D類(點狀)和B類(Al2O3)夾雜物鋼的彎曲旋轉疲勞性能與失效率的關系。從圖中可以看出，D類夾雜物比B類夾雜物的危害大得多。氮化鈦夾雜物也是一種具有規則外形的硬而脆的夾雜物，氮化鈦夾雜甚至比氧化物更為有害。與脆硬性夾雜物相比，塑性夾雜在熱變形時，能夠與基體協調一致的變形，不會導致嚴重的局部應力集中，使疲勞裂紋萌生期延長，因而塑性夾雜物對疲勞壽命的影響遠遠小于脆硬性夾雜物。
以上說明，非金屬夾雜物對軸承鋼性能的有害影響因素，歸納起來，可以分為兩個方面。首先是夾雜物的種類和數量，其次是它們的幾何性因子(粒度、形狀、分布等)。
4.2夾雜物尺寸和分布對疲勞壽命的影響
關于夾雜物的幾何性因子對滾珠軸承接觸疲勞壽命的影響，歷來試驗結果和理論分析是一致的。分布越均勻越好。因為每個夾雜物周圍都有應力場，兩夾雜物過于靠近則兩應力場就會疊加起來。形狀越尖銳或粒度越大越不利，因為應力集中系數較大。這種觀點不錯，但再深入一步，還要看到夾雜的幾何性因子在某種程度上是由夾雜類型決定的，例如剛玉常呈點鏈狀分布或簇狀分布的碎屑。
綜上所述，夾雜物對疲勞壽命的影響是一個復雜的課題，它包括夾雜物的數量、成份、形貌、尺寸和分布等的影響。有時甚至后者影響更大，因為通常一個軸承件的破壞，往往是由許多夾雜物中的一個大型夾雜物所引起的；夾雜物的形狀多種多樣，有圓形和方形，有條狀、角狀和鏈狀等不規則形狀。一般認為細條狀塑性夾雜物的危害小，尖棱狀硬脆性夾雜危害Z大，因為它容易劃傷金屬基體和引起應力集中。同一個夾雜物，由于離開表面的距離不同，其影響程度也不一樣。一般認為，裂紋出現在切應力Z大處(離表面約0.35~0.55mm)。夾雜物離開這個位置越遠，其危害就越小。夾雜物粒度對軸承壽命的影響，也會隨夾雜的位置不同而有所區別。因此為了改善軸承鋼的質量，應盡量將鋼的各類夾雜物(包括A、B、C、D類和氮化物)含量降低，尺寸變小，分布更均勻，Z終達到提高軸承壽命的目的。
，硫對性能沒有影響。關于硫對疲勞壽命的影響，目前還存在著意見分歧，歸納起來有以下三種觀點[16~20]：一種認為適當提高鋼中硫化物含量有利于壽命的提高；另一種觀點認為硫化物含量增加會降低壽命；還有一種觀點則認為硫化物含量與疲勞壽命關系不大。認為硫化物有益的觀點，常用“共生理論”來解釋之。這種理論認為鋼液在凝固過程中，低熔點的硫化物粘附在氧化物表面上，形成硫化物包圍氧化物的共生夾雜，它能夠松弛拉應力，并能夠進行協調變形，從而減少氧化物的有害作用，但是這種理論是建立在鋼中氧化物夾雜較多的前提下。從本世紀70年代初期以來，許多研究結果都指出適當提高鋼中MnS類硫化物的含量對滾珠軸承的接觸疲勞壽命至少是無害的，甚至是有益的。Tricot認為蝶形裂紋源總是以氧化物夾雜為核心，他報道過一個只有單翼的蝶形裂紋源，另一翼之所以沒有形成，是因為該處有硫化物包覆于氧化物上(見圖4)。Eneke也持相似的觀點。他認為：當氧化物夾雜全部為硫化物包覆時，滾珠軸承的接觸疲勞壽命Z長。瑞典SKF公司曾經是世界上Z高質量滾珠軸承鋼的生產者。當時他們的產品主要是在酸性平爐中用硅還原法冶煉的。其氧含量約為25~50×10－6，硫含量在0.018%以上。和堿性電弧爐鋼比較，其特點之一是90%的夾雜為硫化物和氧硫化物。按上述研究，這被認為就是其壽命高的原因。但必須看到，這些觀點只在有限的條件下才值得重視。一方面，是因為硫化物包覆氧化物并非僅靠控制氧硫比就一定能實現。凝固速率也會影響硫化物在氧化物上析出的過程。在熱加工和熱處理溫度下，已形成的硫化物“膜”有可能部分再次溶于鋼的基體。由于硫化物和氧化物變形抗力的差異，熱加工時“膜”還可能被擠掉，這些因素對高硫軸承鋼壽命測定值分散度大看來是有影響的。另一方面，所謂用硫化物包覆氧化物可提高滾珠軸承的壽命只是相對的。即硫化物的危害性相對于氧化物的較小一些。然而不可否認它也是雜質，同樣也會破壞鋼基體組織的連續性與均勻性。隨著酸性平爐的逐漸淘汰及爐外精煉技術的廣泛應用，現在滾珠軸承鋼的含氧量水平已可降到5×10－6，氧化物夾雜大大減少。Cogne等指出[18]：在這種條件下硫化物的破壞作用自然也就會顯現出來(見圖5)。Tardy等發現實際上有兩個影響因素：[%O]和[%O]/[%S]。[%O]/[%S]恒定，[%O]低者其接觸疲勞壽命高。
3.3鈣
鈣在軸承鋼中主要是以鋁酸鈣、硅鋁酸鈣、硫化鈣等形式存在。這種夾雜物與其它夾雜物不同，熱加工時既不變形，也不會破碎。在球狀夾雜兩側經?？梢钥吹?ldquo;孔穴”，此處較易造成應力裂紋。在氧含量很低的軸承鋼中，鈣可部分替代硫化錳中的錳。富鈣硫化物的韌性很差，同氧化物相似，起產生裂紋的作用。
含CaO的點狀夾雜物經常是軸承鋼產生裂紋的源泉，佩特爾森(Peterson)根椐點狀夾雜就是裂紋的假設。提出了下列疲勞極限與夾雜尺寸的關系式：
Rm：材料的抗拉強度，MN/m2；
a：點狀夾雜的周長，um；
R：點狀夾雜的半徑，um。
利用上式所作的預測值和實測結果基本吻合，由此證明點狀夾雜的確是軸承疲勞壽命降低的直接原因，夾雜尺寸愈大，疲勞壽命愈短。
對有些鋼種而言，為了提高鋼材的機械加工性能，并改善非金屬夾雜物的形態與分布，在冶煉過程中有意向鋼中加鈣。但對軸承鋼而言，殘留鈣不是有意添加的，而是來源于與鋼水接觸的熔渣和爐襯。軸承鋼如果采用Ca或Ca－Si脫氧，鋼中必將產生危害性極大的D類球狀夾雜物，使其疲勞壽命大幅度降低。因此，在很多國家的軸承鋼標準中都規定(如瑞典SKF、美國ASTM標準等)，不能用Ca或Ca－Si脫氧。
3.4其它殘余元素
關于滾珠軸承鋼中的有害元素，除了氧、硫、鈣之外，近來鈦與氮也備受關注，因為它引入TiN夾雜，其危害甚至比等粒度的剛玉更大(見圖5)。Cogne等和坪田等認為Ti含量超過30~50×10－6時疲勞壽命開始下降。關于軸承鋼中氮和鈦形成氮化鈦夾雜的條件以及如何控制氮化鈦的尺寸和分布還沒有文獻報道，有待今后研究。
由于沒有可靠的檢測方法，對于殘余元素如砷、鉍、鉛、銻和錫等對軸承鋼壽命的影響報導很少。對于雜質元素鋁、銅、鉬、鎳、釩與軸承疲勞壽命間的關系研究表明[14]：為了獲得高疲勞壽命的軸承鋼，其雜質元素的相對量必須符合下述條件。
由于殘余元素的有害作用，為了提高軸承鋼質量，國外在標準中對殘余元素有明確的規定，如SKF D33“SKF3熱軋球化退火鋼棒”標準中規定Ti≤30ppm；As≤0.04%；Sn≤0.04%；Sb≤0.03%；Pb≤0.002%；T.O≤0.0015%。在80年代末90年代初，德國FAG軸承公司、日本NTN和NSK等公司的軸承鋼交貨標準規定Ti≤30ppm、T.O≤15ppm、[S]≤0.008%。
4 夾雜物對軸承鋼質量的影響
4.1夾雜物類型和數量對疲勞壽命的影響
以上說明，非金屬夾雜物對軸承鋼性能的有害影響因素，歸納起來，可以分為兩個方面。首先是夾雜物的種類和數量，其次是它們的幾何性因子(粒度、形狀、分布等)。
4.2夾雜物尺寸和分布對疲勞壽命的影響
關于夾雜物的幾何性因子對滾珠軸承接觸疲勞壽命的影響，歷來試驗結果和理論分析是一致的。分布越均勻越好。因為每個夾雜物周圍都有應力場，兩夾雜物過于靠近則兩應力場就會疊加起來。形狀越尖銳或粒度越大越不利，因為應力集中系數較大。這種觀點不錯，但再深入一步，還要看到夾雜的幾何性因子在某種程度上是由夾雜類型決定的，例如剛玉常呈點鏈狀分布或簇狀分布的碎屑。
綜上所述，夾雜物對疲勞壽命的影響是一個復雜的課題，它包括夾雜物的數量、成份、形貌、尺寸和分布等的影響。有時甚至后者影響更大，因為通常一個軸承件的破壞，往往是由許多夾雜物中的一個大型夾雜物所引起的；夾雜物的形狀多種多樣，有圓形和方形，有條狀、角狀和鏈狀等不規則形狀。一般認為細條狀塑性夾雜物的危害小，尖棱狀硬脆性夾雜危害Z大，因為它容易劃傷金屬基體和引起應力集中。同一個夾雜物，由于離開表面的距離不同，其影響程度也不一樣。一般認為，裂紋出現在切應力Z大處(離表面約0.35~0.55mm)。夾雜物離開這個位置越遠，其危害就越小。夾雜物粒度對軸承壽命的影響，也會隨夾雜的位置不同而有所區別。因此為了改善軸承鋼的質量，應盡量將鋼的各類夾雜物(包括A、B、C、D類和氮化物)含量降低，尺寸變小，分布更均勻，Z終達到提高軸承壽命的目的。