Waarom leidt een verlaging van het zuurstofgehalte niet tot een langere vermoeiingslevensduur van lagerstaal? Na analyse blijkt dat de reden hiervoor is dat, nadat de hoeveelheid oxide-insluitingen is verminderd, het overtollige sulfide een negatieve invloed heeft op de vermoeiingslevensduur van het staal. Alleen door tegelijkertijd het gehalte aan oxiden en sulfiden te verlagen, kan het potentieel van het materiaal volledig worden benut en de vermoeiingslevensduur van lagerstaal aanzienlijk worden verbeterd.
Welke factoren beïnvloeden de vermoeiingslevensduur van lagerstaal? Bovenstaande problemen worden als volgt geanalyseerd:
1. Het effect van nitriden op de vermoeiingslevensduur
Sommige wetenschappers hebben erop gewezen dat wanneer stikstof aan staal wordt toegevoegd, het volumeaandeel nitriden afneemt. Dit komt door de afname van de gemiddelde grootte van de insluitsels in het staal. Door technologische beperkingen worden er echter nog steeds aanzienlijk veel insluitsels kleiner dan 0,2 inch geteld. Juist de aanwezigheid van deze minuscule nitriden heeft een directe invloed op de vermoeiingslevensduur van lagerstaal. Titaan (Ti) is een van de sterkste elementen om nitriden te vormen. Het heeft een lage soortelijke massa en is gemakkelijk te zweven. Een deel van het Ti blijft in het staal achter en vormt meerhoekige insluitsels. Dergelijke insluitsels kunnen leiden tot lokale spanningsconcentraties en vermoeiingsscheuren, waardoor het noodzakelijk is om het ontstaan van dergelijke insluitsels te beheersen.
De testresultaten tonen aan dat het zuurstofgehalte in het staal is verlaagd tot onder de 20 ppm, het stikstofgehalte is verhoogd, de grootte, het type en de verdeling van niet-metallische insluitsels zijn verbeterd en de stabiele insluitsels aanzienlijk zijn verminderd. Hoewel het aantal nitridedeeltjes in het staal toeneemt, zijn deze deeltjes zeer klein en verspreid langs de korrelgrenzen of binnen de korrels. Dit is een gunstige factor, waardoor de sterkte en taaiheid van het lagerstaal goed op elkaar zijn afgestemd en de hardheid en sterkte van het staal aanzienlijk zijn verbeterd. Met name de contactvermoeidheidslevensduur is verbeterd.
2. Het effect van oxiden op de vermoeiingslevensduur
Het zuurstofgehalte in staal is een belangrijke factor die de materiaaleigenschappen beïnvloedt. Hoe lager het zuurstofgehalte, hoe hoger de zuiverheid en hoe langer de bijbehorende levensduur. Er bestaat een nauw verband tussen het zuurstofgehalte in staal en oxiden. Tijdens het stollingsproces van gesmolten staal vormt de opgeloste zuurstof van aluminium, calcium, silicium en andere elementen oxiden. Het gehalte aan oxide-insluitingen is afhankelijk van het zuurstofgehalte. Naarmate het zuurstofgehalte afneemt, neemt ook het gehalte aan oxide-insluitingen af. Het stikstofgehalte is vergelijkbaar met het zuurstofgehalte en heeft eveneens een functionele relatie met nitriden. Omdat de oxiden echter meer verspreid zijn in het staal, fungeren ze als een soort ankerpunt voor carbiden en hebben ze daarom geen nadelig effect op de vermoeiingslevensduur van staal.
Door de aanwezigheid van oxiden wordt de continuïteit van de metaalmatrix in staal verstoord. Omdat de uitzettingscoëfficiënt van oxiden kleiner is dan die van de dragende staalmatrix, ontstaat er bij wisselende spanning gemakkelijk spanningsconcentratie, wat de oorzaak kan zijn van metaalmoeheid. De meeste spanningsconcentraties treden op tussen oxiden, puntinsluitingen en de matrix. Wanneer de spanning een voldoende hoge waarde bereikt, ontstaan er scheuren die zich snel uitbreiden en het materiaal beschadigen. Hoe lager de plasticiteit van de insluitingen en hoe scherper de vorm, hoe groter de spanningsconcentratie.
3. Het effect van sulfiden op de vermoeiingslevensduur
Vrijwel alle zwavel in staal is aanwezig in de vorm van sulfiden. Hoe hoger het zwavelgehalte in het staal, hoe hoger het sulfidegehalte. Omdat sulfiden echter goed omgeven kunnen worden door oxiden, is de invloed van de oxiden op de vermoeiingslevensduur beperkt. De invloed van het aantal insluitsels op de vermoeiingslevensduur is daarom niet per se eenduidig, maar hangt af van de aard, grootte en verdeling van de insluitsels. Hoe meer insluitsels er zijn, hoe lager de vermoeiingslevensduur zal zijn. Andere beïnvloedende factoren moeten daarom ook in overweging worden genomen. In lagerstaal zijn sulfiden verspreid en fijn verdeeld, en vermengd met oxide-insluitsels, die zelfs met metallografische methoden moeilijk te identificeren zijn. Experimenten hebben bevestigd dat, op basis van het oorspronkelijke proces, een verhoging van de hoeveelheid aluminium een positief effect heeft op de vermindering van oxiden en sulfiden. Dit komt doordat calcium een vrij sterk ontzwavelingsvermogen heeft. Insluitsels hebben weinig invloed op de sterkte, maar zijn schadelijker voor de taaiheid van het staal, en de mate van schade hangt af van de sterkte van het staal.
Xiao Jimei, een bekende expert, wees erop dat insluitsels in staal een brosse fase vormen: hoe hoger het volumeaandeel, hoe lager de taaiheid; hoe groter de insluitsels, hoe sneller de taaiheid afneemt. Wat betreft de taaiheid bij splijtbreuk geldt dat hoe kleiner de insluitsels en hoe kleiner de afstand ertussen, hoe minder taaiheid er is, maar hoe meer deze toeneemt. De kans op splijtbreuk neemt daardoor af en de splijtbreuksterkte neemt toe. Iemand heeft een speciale test uitgevoerd: twee partijen staal, A en B, behoorden tot hetzelfde staaltype, maar de hoeveelheid insluitsels in elk monster was verschillend.
Na de warmtebehandeling bereikten de twee partijen staal A en B dezelfde treksterkte van 95 kg/mm², en de vloeigrens van beide partijen was gelijk. Wat betreft rek en oppervlakteverkleining is staal B iets lager dan staal A, maar voldoet het nog steeds aan de eisen. Na de vermoeiingstest (rotatiebuigen) bleek dat: staal A een materiaal met een lange levensduur en een hoge vermoeiingsgrens is; staal B een materiaal met een korte levensduur en een lage vermoeiingsgrens is. Wanneer de cyclische belasting van het staalmonster iets hoger is dan de vermoeiingsgrens van staal A, is de levensduur van staal B slechts 1/10 van die van staal A. De insluitsels in staal A en B zijn oxiden. Wat betreft de totale hoeveelheid insluitsels is de zuiverheid van staal A lager dan die van staal B, maar de oxidedeeltjes in staal A zijn van gelijke grootte en gelijkmatig verdeeld; staal B bevat enkele grotere insluitsels en de verdeling is niet uniform. Dit toont volledig aan dat de mening van de heer Xiao Jimei correct is.
Geplaatst op: 25 juli 2022