Perché la riduzione del contenuto di ossigeno non migliora la durata a fatica dell'acciaio per cuscinetti? Dopo un'analisi, si ritiene che la ragione risieda nel fatto che, una volta ridotta la quantità di inclusioni di ossido, l'eccesso di solfuri diventa un fattore sfavorevole che influenza la durata a fatica dell'acciaio. Solo riducendo contemporaneamente il contenuto di ossidi e solfuri è possibile sfruttare appieno il potenziale del materiale e migliorare significativamente la durata a fatica dell'acciaio per cuscinetti.
Quali fattori influiscono sulla durata a fatica dell'acciaio per cuscinetti? I problemi sopra descritti vengono analizzati come segue:
1. L'effetto dei nitruri sulla durata a fatica
Alcuni studiosi hanno evidenziato che l'aggiunta di azoto all'acciaio riduce la frazione volumetrica dei nitruri. Ciò è dovuto alla diminuzione della dimensione media delle inclusioni nell'acciaio. Tuttavia, a causa dei limiti tecnologici, si conta ancora un numero considerevole di particelle di inclusione di dimensioni inferiori a 0,2 pollici. È proprio la presenza di queste minuscole particelle di nitruro ad avere un impatto diretto sulla durata a fatica dell'acciaio per cuscinetti. Il titanio (Ti) è uno degli elementi che più facilmente formano nitruri. Ha una bassa densità e galleggia facilmente. Una parte del Ti rimane nell'acciaio formando inclusioni multiangolari. Tali inclusioni possono causare concentrazioni di stress locali e cricche da fatica, pertanto è necessario controllarne la formazione.
I risultati dei test mostrano che il contenuto di ossigeno nell'acciaio è ridotto al di sotto di 20 ppm, il contenuto di azoto è aumentato, le dimensioni, il tipo e la distribuzione delle inclusioni non metalliche sono migliorati e le inclusioni stabili sono significativamente ridotte. Sebbene le particelle di nitruro nell'acciaio aumentino, queste sono molto piccole e distribuite in modo disperso al bordo del grano o all'interno del grano, il che diventa un fattore favorevole, in modo che la resistenza e la tenacità dell'acciaio per cuscinetti siano ben bilanciate e la durezza e la resistenza dell'acciaio siano notevolmente aumentate, in particolare l'effetto di miglioramento della durata a fatica da contatto è oggettivo.
2. L'effetto degli ossidi sulla durata a fatica
Il contenuto di ossigeno nell'acciaio è un fattore importante che influenza le proprietà del materiale. Minore è il contenuto di ossigeno, maggiore è la purezza e più lunga è la corrispondente durata nominale. Esiste una stretta relazione tra il contenuto di ossigeno nell'acciaio e gli ossidi. Durante il processo di solidificazione dell'acciaio fuso, l'ossigeno disciolto di alluminio, calcio, silicio e altri elementi forma ossidi. Il contenuto di inclusioni di ossido è funzione dell'ossigeno. Al diminuire del contenuto di ossigeno, diminuiscono anche le inclusioni di ossido; il contenuto di azoto è analogo a quello di ossigeno e ha una relazione funzionale con i nitruri, ma poiché l'ossido è più disperso nell'acciaio, svolge lo stesso ruolo del carburo, quindi non ha un effetto distruttivo sulla durata a fatica dell'acciaio.
A causa della presenza di ossidi, l'acciaio interrompe la continuità della matrice metallica e, poiché il coefficiente di dilatazione degli ossidi è inferiore a quello della matrice di acciaio, quando sottoposto a sollecitazioni alternate, si genera facilmente una concentrazione di stress che può dare origine alla fatica del metallo. La maggior parte della concentrazione di stress si verifica tra gli ossidi, le inclusioni puntiformi e la matrice. Quando lo stress raggiunge un valore sufficientemente elevato, si formano delle cricche che si propagano rapidamente fino alla rottura. Minore è la plasticità delle inclusioni e più affilata è la loro forma, maggiore è la concentrazione di stress.
3. L'effetto del solfuro sulla durata a fatica
Quasi tutto lo zolfo presente nell'acciaio si trova sotto forma di solfuri. Maggiore è il contenuto di zolfo nell'acciaio, maggiore è la quantità di solfuri presenti. Tuttavia, poiché i solfuri possono essere ben inglobati dagli ossidi, l'influenza di questi ultimi sulla durata a fatica si riduce, pertanto l'influenza del numero di inclusioni sulla durata a fatica non è univoca. La natura, le dimensioni e la distribuzione delle inclusioni sono strettamente correlate. Un numero maggiore di inclusioni, certamente, comporta una minore durata a fatica, e altri fattori influenti devono essere considerati in modo esaustivo. Nell'acciaio per cuscinetti, i solfuri sono dispersi e distribuiti in forma fine e sono mescolati con inclusioni di ossido, difficili da identificare anche con metodi metallografici. Gli esperimenti hanno confermato che, rispetto al processo originale, l'aumento della quantità di Al ha un effetto positivo sulla riduzione di ossidi e solfuri. Questo perché il Ca possiede una notevole capacità desolforante. Le inclusioni hanno scarso effetto sulla resistenza, ma sono più dannose per la tenacità dell'acciaio, e il grado di danno dipende dalla resistenza dell'acciaio.
Xiao Jimei, un noto esperto, ha sottolineato che le inclusioni nell'acciaio costituiscono una fase fragile: maggiore è la frazione volumetrica, minore è la tenacità; maggiore è la dimensione delle inclusioni, più rapidamente diminuisce la tenacità. Per quanto riguarda la tenacità alla frattura per clivaggio, minore è la dimensione delle inclusioni e minore è la loro spaziatura, maggiore non solo non diminuisce, ma aumenta la tenacità. La frattura per clivaggio è meno probabile che si verifichi, aumentando così la resistenza alla frattura per clivaggio. Qualcuno ha condotto un test particolare: due lotti di acciaio A e B appartengono allo stesso tipo di acciaio, ma le inclusioni contenute in ciascuno sono diverse.
Dopo il trattamento termico, i due lotti di acciaio A e B hanno raggiunto la stessa resistenza alla trazione di 95 kg/mm², e i limiti di snervamento degli acciai A e B erano identici. In termini di allungamento e riduzione di area, l'acciaio B è leggermente inferiore all'acciaio A, ma risulta comunque idoneo. Dopo la prova di fatica (flessione rotazionale), si è constatato che: l'acciaio A è un materiale a lunga durata con un elevato limite di fatica; l'acciaio B è un materiale a breve durata con un basso limite di fatica. Quando la sollecitazione ciclica del campione di acciaio è leggermente superiore al limite di fatica dell'acciaio A, la durata dell'acciaio B è solo 1/10 di quella dell'acciaio A. Le inclusioni negli acciai A e B sono ossidi. In termini di quantità totale di inclusioni, la purezza dell'acciaio A è inferiore a quella dell'acciaio B, ma le particelle di ossido dell'acciaio A sono della stessa dimensione e distribuite uniformemente; l'acciaio B contiene alcune inclusioni di grandi dimensioni, e la loro distribuzione non è uniforme. Ciò dimostra pienamente la correttezza del punto di vista del signor Xiao Jimei.
Data di pubblicazione: 25 luglio 2022