Почему снижение содержания кислорода не улучшает усталостную долговечность подшипниковой стали? После анализа было установлено, что причина заключается в том, что после уменьшения количества оксидных включений избыток сульфидов становится неблагоприятным фактором, влияющим на усталостную долговечность стали. Только одновременное снижение содержания оксидов и сульфидов позволяет в полной мере использовать потенциал материала и значительно повысить усталостную долговечность подшипниковой стали.
Какие факторы влияют на усталостную долговечность подшипниковой стали? Вышеуказанные проблемы анализируются следующим образом:
1. Влияние нитридов на усталостную долговечность.
Некоторые исследователи отмечают, что при добавлении азота в сталь объемная доля нитридов уменьшается. Это связано с уменьшением среднего размера включений в стали. Несмотря на технологические ограничения, все еще подсчитывается значительное количество включений размером менее 0,2 дюйма. Именно наличие этих крошечных частиц нитридов оказывает прямое влияние на усталостную долговечность подшипниковой стали. Титан является одним из наиболее прочных элементов, образующих нитриды. Он имеет малую удельную плотность и легко всплывает. Часть титана остается в стали, образуя многоугольные включения. Такие включения могут вызывать локальную концентрацию напряжений и усталостные трещины, поэтому необходимо контролировать их образование.
Результаты испытаний показывают, что содержание кислорода в стали снижается до уровня ниже 20 ppm, содержание азота увеличивается, улучшаются размер, тип и распределение неметаллических включений, а количество стабильных включений значительно уменьшается. Хотя количество нитридных частиц в стали увеличивается, эти частицы очень малы и распределены в дисперсном состоянии на границах зерен или внутри зерен, что является благоприятным фактором, благодаря которому прочность и ударная вязкость подшипниковой стали хорошо согласуются, а твердость и прочность стали значительно повышаются, особенно в части улучшения усталостной долговечности при контакте.
2. Влияние оксидов на усталостную долговечность.
Содержание кислорода в стали является важным фактором, влияющим на свойства материала. Чем ниже содержание кислорода, тем выше чистота стали и тем дольше соответствующий номинальный срок службы. Существует тесная взаимосвязь между содержанием кислорода в стали и оксидами. В процессе затвердевания расплавленной стали растворенный кислород алюминия, кальция, кремния и других элементов образует оксиды. Содержание оксидных включений зависит от содержания кислорода. По мере уменьшения содержания кислорода количество оксидных включений уменьшается; содержание азота аналогично содержанию кислорода и также имеет функциональную связь с нитридами, но поскольку оксиды более дисперсны в стали, они играют ту же роль, что и карбиды, поэтому не оказывают разрушительного воздействия на усталостную долговечность стали.
Из-за наличия оксидов сталь нарушает целостность металлической матрицы, а поскольку коэффициент теплового расширения оксидов меньше коэффициента теплового расширения матрицы подшипниковой стали, при воздействии знакопеременных напряжений легко возникает концентрация напряжений, которая становится причиной усталости металла. Большая часть концентрации напряжений происходит между оксидами, точечными включениями и матрицей. Когда напряжение достигает достаточно большого значения, возникают трещины, которые быстро расширяются и разрушают. Чем ниже пластичность включений и чем острее их форма, тем больше концентрация напряжений.
3. Влияние сульфидов на усталостную долговечность.
Практически вся сера в стали существует в виде сульфидов. Чем выше содержание серы в стали, тем выше содержание сульфидов. Однако, поскольку сульфиды могут быть хорошо окружены оксидами, влияние оксидов на усталостную долговечность снижается, поэтому влияние количества включений на усталостную долговечность не является абсолютным, оно связано с природой, размером и распределением включений. Чем больше включений, тем ниже должна быть усталостная долговечность, и необходимо всесторонне учитывать другие влияющие факторы. В подшипниковой стали сульфиды диспергированы и распределены в мелкодисперсной форме и смешаны с оксидными включениями, которые трудно идентифицировать даже металлографическими методами. Эксперименты подтвердили, что на основе исходного процесса увеличение количества Al оказывает положительное влияние на снижение содержания оксидов и сульфидов. Это объясняется достаточно сильной десульфурирующей способностью Ca. Включения мало влияют на прочность, но оказывают более негативное воздействие на ударную вязкость стали, причем степень повреждения зависит от прочности стали.
Известный эксперт Сяо Цзимэй отметил, что включения в стали представляют собой хрупкую фазу, и чем выше их объемная доля, тем ниже вязкость; чем больше размер включений, тем быстрее снижается вязкость. Что касается вязкости хрупкого разрушения, то чем меньше размер включений и чем меньше расстояние между ними, тем не только не уменьшается, но и увеличивается вязкость. Вероятность хрупкого разрушения снижается, что повышает прочность на хрупкое разрушение. Кто-то провел специальный эксперимент: две партии стали А и В относятся к одному и тому же типу стали, но содержащиеся в них включения различаются.
После термообработки обе партии стали А и В достигли одинаковой прочности на растяжение 95 кг/мм², а пределы текучести стали А и В были одинаковыми. По показателям удлинения и уменьшения площади поперечного сечения сталь В немного уступает стали А, но все еще соответствует требованиям. После испытаний на усталость (вращение на изгиб) было установлено, что: сталь А является долговечным материалом с высоким пределом усталости; сталь В является недолговечным материалом с низким пределом усталости. Когда циклическое напряжение образца стали немного превышает предел усталости стали А, срок службы стали В составляет всего 1/10 от срока службы стали А. Включения в стали А и В представляют собой оксиды. По общему количеству включений чистота стали А хуже, чем у стали В, но частицы оксида в стали А имеют одинаковый размер и равномерно распределены; сталь В содержит некоторые крупные включения, распределение которых неравномерно. Это полностью подтверждает правильность точки зрения г-на Сяо Цзимей.
Дата публикации: 25 июля 2022 г.