Faktoren, die die Ermüdungslebensdauer von Wälzlagerstahl beeinflussen

Welche Faktoren beeinflussen die Dauerfestigkeit von Wälzlagerstahl? Die oben genannten Probleme werden wie folgt analysiert:
1. Der Einfluss von Nitriden auf die Ermüdungslebensdauer
Einige Wissenschaftler haben darauf hingewiesen, dass die Zugabe von Stickstoff zum Stahl den Volumenanteil von Nitriden verringert. Dies ist auf die Reduzierung der durchschnittlichen Größe der Einschlüsse im Stahl zurückzuführen. Aufgrund technologischer Beschränkungen ist jedoch weiterhin eine beträchtliche Anzahl von Einschlusspartikeln kleiner als 0,2 Zoll nachweisbar. Gerade das Vorhandensein dieser winzigen Nitridpartikel beeinflusst die Dauerfestigkeit von Wälzlagerstahl direkt. Titan ist eines der Elemente mit der höchsten Nitridbildungsrate. Es besitzt eine geringe Dichte und ist leicht schwimmfähig. Ein Teil des Titans verbleibt im Stahl und bildet mehreckige Einschlüsse. Solche Einschlüsse können lokale Spannungskonzentrationen und Ermüdungsrisse verursachen, weshalb die Kontrolle ihres Auftretens notwendig ist.
Die Testergebnisse zeigen, dass der Sauerstoffgehalt im Stahl auf unter 20 ppm gesenkt, der Stickstoffgehalt erhöht, Größe, Art und Verteilung nichtmetallischer Einschlüsse verbessert und die stabilen Einschlüsse deutlich reduziert werden. Obwohl die Anzahl der Nitridpartikel im Stahl zunimmt, sind diese sehr klein und dispergiert an den Korngrenzen oder innerhalb der Körner verteilt, was sich positiv auswirkt. Dadurch werden Festigkeit und Zähigkeit des Wälzlagerstahls optimal aufeinander abgestimmt, und Härte und Festigkeit des Stahls werden deutlich erhöht. Insbesondere die Verbesserung der Kontaktlebensdauer ist ein vielversprechender Effekt.
2. Der Einfluss von Oxiden auf die Ermüdungslebensdauer
Der Sauerstoffgehalt in Stahl ist ein wichtiger Faktor, der die Materialeigenschaften beeinflusst. Je niedriger der Sauerstoffgehalt, desto höher die Reinheit und desto länger die entsprechende Nennlebensdauer. Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen dem Sauerstoffgehalt im Stahl und den Oxiden. Während der Erstarrung von flüssigem Stahl bilden sich aus dem gelösten Sauerstoff von Aluminium, Calcium, Silicium und anderen Elementen Oxide. Der Anteil an Oxideinschlüssen ist eine Funktion des Sauerstoffgehalts. Mit sinkendem Sauerstoffgehalt nimmt auch der Anteil an Oxideinschlüssen ab. Der Stickstoffgehalt verhält sich analog zum Sauerstoffgehalt und steht ebenfalls in einem funktionalen Zusammenhang mit den Nitriden. Da Oxide jedoch im Stahl stärker dispergiert sind, wirken sie ähnlich wie Karbide und haben daher keinen negativen Einfluss auf die Dauerfestigkeit des Stahls.
Aufgrund der Oxide wird die Kontinuität der Metallmatrix im Stahl beeinträchtigt. Da der Ausdehnungskoeffizient der Oxide kleiner ist als der der Wälzlagerstahlmatrix, kommt es unter Wechselbeanspruchung leicht zu Spannungskonzentrationen, die die Ursache für Materialermüdung sein können. Die Spannungskonzentrationen treten hauptsächlich zwischen Oxiden, Punkt-Einschlüssen und der Matrix auf. Erreicht die Spannung einen ausreichend hohen Wert, entstehen Risse, die sich rasch ausbreiten und zum Materialzerfall führen. Je geringer die Plastizität der Einschlüsse und je schärfer deren Form ist, desto größer ist die Spannungskonzentration.
3. Der Einfluss von Sulfid auf die Ermüdungslebensdauer
Nahezu der gesamte Schwefelgehalt im Stahl liegt in Form von Sulfiden vor. Je höher der Schwefelgehalt im Stahl ist, desto höher ist auch der Sulfidgehalt. Da die Sulfide jedoch gut von Oxiden umschlossen werden können, ist der Einfluss der Oxide auf die Dauerfestigkeit gering. Daher ist der Einfluss der Anzahl der Einschlüsse auf die Dauerfestigkeit nicht absolut, sondern hängt von deren Art, Größe und Verteilung ab. Je mehr Einschlüsse vorhanden sind, desto geringer ist die Dauerfestigkeit. Weitere Einflussfaktoren müssen daher umfassend berücksichtigt werden. In Wälzlagerstahl sind Sulfide fein verteilt und mit Oxideinschlüssen vermischt, die selbst mit metallografischen Methoden schwer zu identifizieren sind. Experimente haben bestätigt, dass eine Erhöhung des Aluminiumgehalts im Vergleich zum ursprünglichen Prozess die Bildung von Oxiden und Sulfiden positiv beeinflusst. Dies liegt an der starken Entschwefelungswirkung von Calcium. Einschlüsse beeinträchtigen die Festigkeit nur geringfügig, sind aber schädlicher für die Zähigkeit des Stahls. Der Grad der Schädigung hängt von der Festigkeit des Stahls ab.
Xiao Jimei, ein anerkannter Experte, wies darauf hin, dass Einschlüsse in Stahl eine spröde Phase darstellen. Je höher ihr Volumenanteil, desto geringer die Zähigkeit; je größer die Einschlüsse, desto schneller nimmt die Zähigkeit ab. Bei der Spaltbruchzähigkeit hingegen gilt: Je kleiner die Einschlüsse und je geringer ihr Abstand zueinander sind, desto höher ist die Zähigkeit. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit eines Spaltbruchs verringert und die Spaltbruchfestigkeit erhöht. In einem speziellen Test wurden zwei Stahlchargen A und B derselben Stahlsorte untersucht, jedoch mit unterschiedlichen Einschlüssen.