轴承钢的耐用性,通常用疲劳寿命来衡量。研究表明,仅仅降低氧含量并不能显著提升轴承钢的疲劳寿命。实际上,同时减少氧化物和硫化物含量才是提升疲劳寿命的关键。
为何单纯降低氧含量无法有效提升疲劳寿命?当氧化物杂质减少后,硫化物成为了新的疲劳寿命限制因素。只有同时减少这两种杂质,才能充分发挥材料的潜力,显著提高轴承钢的疲劳寿命。
以下是影响轴承钢疲劳寿命的主要因素:
氮化物的影响 某些学者指出,虽然钢中的氮含量增加,但氮化物的体积比例却降低了,这是因为夹杂物的平均尺寸减小。微小的氮化物颗粒对轴承钢的疲劳寿命有直接影响。钛(Ti)是形成氮化物的强大元素之一,它会形成多边形的夹杂物,可能导致局部应力集中,从而引发疲劳裂纹。因此,需要控制这类夹杂物的生成。 实验结果显示,当钢中的氧含量降至20ppm以下,氮含量有所增加时,非金属夹杂物的大小、类型和分布都得到了改善,稳定的夹杂物明显减少。尽管氮化物颗粒数量增多,但它们非常小且均匀分布在晶界或晶粒内部,这对增强轴承钢的硬度、强度以及接触疲劳寿命产生了积极影响。
氧化物的影响 钢中的氧含量是决定材料纯净度的重要因素,氧含量越低,材料的纯净度越高,相应的额定寿命越长。在凝固过程中形成的氧化物夹杂与氧含量密切相关。随着氧含量的降低,氧化物夹杂也随之减少。尽管氧化物在钢中分布较为分散,类似于碳化物的作用,但在承受交变应力时,氧化物的存在会破坏金属基体的连续性,导致应力集中,成为疲劳裂纹的起源。
硫化物的影响 钢中的硫主要以硫化物的形式存在。硫含量升高会导致硫化物增多,但硫化物可以包围氧化物,减少氧化物对疲劳寿命的负面影响。夹杂物数量对疲劳寿命的影响并非绝对,还取决于夹杂物的性质、大小和分布情况。实验显示,在现有工艺基础上增加铝(Al)的含量有助于降低氧化物和硫化物的含量。这是因为钙(Ca)具有很强的脱硫能力。夹杂物对钢的韧性有较大危害,其程度取决于钢的强度。
通过对比两种含有不同夹杂物含量的钢材(A和B),我们发现虽然A钢材的纯净度略低于B钢材,但A钢材中的氧化物颗粒大小一致且分布均匀,而B钢材则含有较大颗粒的夹杂物且分布不均。这导致A钢材具有更高的疲劳极限和更长的使用寿命,证实了夹杂物的特性、大小和分布对其疲劳性能的重要性。