軸承鋼內在質量的綜合標誌就是疲勞壽命,有學者提出觀點:降低氧含量仍未起到大幅度提高軸承鋼疲勞壽命的作用。其實只有同時降低氧化物和硫化物含量,才能充分挖掘材質潛力,大幅度提高軸承鋼的疲勞壽命。
為什麼降低氧含量不能提高軸承鋼疲勞壽命呢?
原因:在氧化物夾雜量降低以後,多餘的硫化物又成為影響鋼材疲勞壽命的不利因素。只有同時降低氧化物和硫化物含量,才能充分挖掘材質潛力,大幅度提高軸承鋼的疲勞壽命。
那哪些因素影響軸承鋼疲勞壽命呢?分享如下:
1、氮化物對疲勞壽命的影響
有的學者指出:鋼中增氮,氮化物的體積分數卻下降,這是由於鋼中夾雜物的平均尺寸減少的緣故,受技術所限,還有相當數量的小於0.2in夾雜物顆粒未計算在內。恰恰是這些微小的氮化物顆粒的存在狀態,對軸承鋼的疲勞壽命有著直接影響。 Ti是形成氮化物的最強元素之一,比重小,易上浮,還會有一部分Ti留在鋼中形成多棱角的夾雜物。這種夾雜物容易引起局部應力集中,產生疲勞裂紋,因此要控制此種夾雜物的產生。
試驗結果表明:鋼中氧含量降至20ppm以下,氮含量有所提高,非金屬夾雜物的大小、類型和分佈狀態得到了改善,穩定夾雜物有明顯的降低。鋼中氮化物顆粒雖然增多,但其顆粒甚小,並於晶界或晶內呈彌散狀態分佈,成為有利因素,使軸承鋼的強度和韌性得到了良好配合,極大地增加鋼的硬度、強度,特別是接觸疲勞壽命改善效果是客觀存在的。
2、氧化物對疲勞壽命的影響
鋼中氧含量是影響材質的重要因素,氧含量越低其純潔度越高,相對應的額定壽命就越長。鋼中氧含量和氧化物有著密切的關係,鋼液在凝固過程中,鋁、鈣、矽等元素溶解的氧形成氧化物。氧化物夾雜含量是氧的函數。隨著氧含量的降低,氧化物夾雜將減少;氮含量和氧含量一樣,同樣和氮化物存在函數關係,但由於氧化物在鋼材中分佈的較分散,起著和碳化物同樣作用的支點作用,所以對鋼材疲勞壽命沒有起到破壞作用。
鋼由於氧化物的存在,破壞了金屬基體的延續性,又由於氧化物的膨脹係數小於軸承鋼基體膨脹係數,當承受交變應力時,易於產生應力集中,成為金屬疲勞的發源地。應力集中多數產生在氧化物、點狀夾雜物和基體之間,當應力達到足夠大時,就產生裂紋,並迅速擴展而破壞。夾雜物塑性越低,形狀越尖棱,則應力集中也就越大。
3、硫化物對疲勞壽命的影響
鋼中硫含量幾乎全部以硫化物形態存在。鋼中硫含量增高,則鋼中硫化物相應增高,但因硫化物能很好地包圍在氧化物周圍,減少了氧化物對疲勞壽命的影響,所以夾雜物的數量對疲勞壽命的影響並不是絕對的,與夾雜物的性質、大小和分佈有關。個一定夾雜物越多,疲勞壽命就一定越低,必須綜合考慮其他影響因素。在軸承鋼中硫化物呈細小狀彌散分佈,並且混入氧化物夾雜之中,即使採用金相方法也難以辨認。試驗證實:在原有工藝的基礎上,增加Al量對降低氧化物﹑硫化物起到積極的作用。這是因為Ca具有相當強的脫硫能力。夾雜物對強度影響甚微,而對鋼的韌性危害較大,其危害程度又取決於鋼的強度。
GCr15鋼的斷裂過程,根據斷口分析主要為解理和準解理斷裂機制。著名專家肖紀美指出:鋼中夾雜物是一種脆性相,體積分數愈高,韌性愈低;夾雜物的尺寸愈大,韌性下降的愈快。對於解理斷裂的韌性而言,夾雜物的尺寸愈細小,夾雜物的間距愈小,則韌性不但不下降,反而提高,如果晶內脆性相排列較密,則可縮短位錯堆塞距離,不易發生解理斷裂,從而提高解理斷裂強度。有人專門做過試驗:A、B兩批鋼材屬於同一鋼種,但是各自所含夾雜物的情況不同。
經過熱處理,A、B兩批鋼材達到相同的抗拉強度95 kg/mm',A、B鋼材的屈服強度是一樣的。在延伸率和麵縮率方面,B鋼材略低於A鋼材仍為合格。經疲勞試驗(旋轉彎曲)後發現:A鋼材是長壽命材,疲勞極限高;B鋼材為短壽命材,疲勞極限低。當鋼材試樣所受循環應力略高於A鋼材的疲勞極限時,B鋼材的壽命只有A鋼材的1/10。 A、B鋼材中的夾雜物均為氧化物。從夾雜物總量上看,A鋼材的純淨度比B鋼材的純淨度更差一些,但A鋼材的氧化物顆粒大小一致,分佈均勻;B鋼材含有一些大顆粒的夾雜物,分佈也不均勻。