Jakie są główne ograniczenia wydajności łożysk ze stali nierdzewnej w zastosowaniach wymagających dużych obciążeń i dużych prędkości

Łożyska ze stali nierdzewnej są szeroko stosowane w specjalistycznych zastosowaniach, takich jak przetwórstwo żywności, sprzęt medyczny i inżynieria morska, ze względu na ich doskonałą odporność na korozję. Jednakże, w przypadku stosowania pod ekstremalnymi obciążeniami lub dużymi prędkościami, nieodłączne właściwości materiałowe łożysk ze stali nierdzewnej, szczególnie popularnego gatunku martenzytycznej stali nierdzewnej AISI 440C, ograniczają ich wydajność.

I. Ograniczenia w zastosowaniach wymagających dużych obciążeń: zmęczenie i kruchość

1. Nośność i trwałość zmęczeniowa

Chociaż łożyska ze stali nierdzewnej AISI 440C mogą osiągnąć wysoką twardość (zazwyczaj 58-60 HRC) poprzez obróbkę cieplną, oferując doskonałą odporność na zużycie, nadal pozostają w tyle za standardowymi wysokowęglowymi stalami łożyskowymi chromowanymi (takimi jak GCr15/52100) pod względem podstawowych parametrów.

Nośność dynamiczna: Nośność dynamiczna stali 440C jest generalnie niższa niż stali 52100. Wynika to przede wszystkim z dużej zawartości chromu w stali 440C, która tworzy dużą ilość węglików. Te cząstki węglika rozmieszczone w osnowie mogą stać się źródłem pęknięć w obszarach koncentracji naprężeń, wpływając na wewnętrzną czystość i jednorodność stali.

Wytrzymałość zmęczeniowa styku: W warunkach dużego obciążenia bieżnie łożysk poddawane są ekstremalnie wysokim naprężeniom hercowskim. Trwałość zmęczeniowa stali 440C poddana powtarzającym się wysokim naprężeniom kontaktowym jest gorsza w porównaniu ze stalą 52100. Oznacza to, że przy tych samych warunkach obciążenia oczekiwana trwałość (L10) łożyska 440C ulega znacznemu skróceniu.

2. Wytrzymałość i odporność na uderzenia

440C to typowa martenzytyczna stal nierdzewna. Wysoka twardość odbywa się kosztem wytrzymałości.

Tendencja do kruchości: Ze względu na wysoką zawartość węgla, 440C ma stosunkowo kruchą strukturę po utwardzeniu. W zastosowaniach, w których występują obciążenia udarowe lub silne wibracje, materiał ten jest bardziej podatny na kruche pękanie lub odpryskiwanie bieżni, szczególnie w obszarach koncentracji naprężeń.

Odporność na wgniecenia: Pomimo wysokiej twardości, stal 440C może nie być tak odporna na Brinelling jak specjalnie obrobiona stal stopowa, poddana nagłym obciążeniom statycznym lub udarowym, co wpływa na jej dokładność geometryczną pod dużymi obciążeniami.

II. Wyzwania wydajnościowe w zastosowaniach wymagających dużej prędkości: wzrost temperatury i stabilność wymiarowa

1. Limity rozpraszania ciepła i temperatury roboczej

Podczas pracy z dużą prędkością tarcie w łożysku generuje znaczną ilość ciepła. Stal nierdzewna stwarza następujące wyzwania termodynamiczne:

Przewodność cieplna: Stal nierdzewna, zwłaszcza 440C, ma zazwyczaj niższą przewodność cieplną niż zwykła stal łożyskowa. Ta niższa przewodność cieplna utrudnia szybkie rozproszenie ciepła wytwarzanego w łożysku, co prowadzi do szybkiego gromadzenia się wzrostu temperatury.

Efekt odpuszczania: Gdy temperatura robocza łożyska przekracza górną temperaturę odpuszczania wynoszącą 440°C (zwykle poniżej 200°C), następuje wtórne zmiękczenie, powodujące spadek twardości materiału, znacznie zmniejszając jego odporność na zużycie i nośność. Ciepło generowane przez duże prędkości może łatwo wywołać tego typu awarię termiczną.

2. Zarządzanie smarowaniem i charakterystyka tarcia

Wysokie prędkości stawiają niezwykle wysokie wymagania w zakresie smarowania, a właściwości łożysk ze stali nierdzewnej sprawiają, że zarządzanie smarowaniem jest jeszcze bardziej złożone.

Tarcie ślizgowe: Przy dużych prędkościach tarcie ślizgowe między kulkami a bieżniami oraz między kulkami a koszykami/uchwytami wzrasta. Nieodpowiednie smarowanie lub niewłaściwy dobór smaru może spowodować poważne zużycie przyczepności na powierzchni stali nierdzewnej.

Luz łożyskowy: Ze względu na różnicę współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej (CTE) wynoszącą 440°C w porównaniu ze zwykłą stalą łożyskową, w połączeniu z efektem wzrostu temperatury, luz wewnętrzny łożysk pracujących przy dużych prędkościach może zmieniać się w nieprzewidywalny sposób, prowadząc do utraty kontroli napięcia wstępnego lub zwiększonego tarcia, co jeszcze bardziej ogranicza prędkość graniczną.

3. Kompleksowe ograniczenia w złożonych środowiskach

Łożyska ze stali nierdzewnej są często stosowane w środowiskach korozyjnych. W złożonych warunkach pracy, dużych obciążeniach, dużych prędkościach i obecności korozji, właściwości materiału ulegają dalszemu pogorszeniu.

Synergia zmęczenia korozyjnego: Media korozyjne przyspieszają wżery na powierzchni bieżni. Te plamy korozji stają się źródłami koncentracji naprężeń. Pod wpływem powtarzających się dużych obciążeń mogą łatwo wywołać zmęczenie korozyjne, prowadząc do przedwczesnej awarii łożyska.

Ograniczenia gatunków innych niż 440C: Austenityczne stale nierdzewne (takie jak 304 i 316), które są bardziej odporne na korozję, ale mają niższą twardość i wytrzymałość, mają nośność i prędkości robocze znacznie niższe niż gatunki 440C w warunkach dużego obciążenia lub dużych prędkości. Na ogół nadają się tylko do zastosowań z małą prędkością, niewielkim obciążeniem i wyjątkowo korozyjnymi środowiskami i nie nadają się do zastosowań z dużym obciążeniem lub dużą prędkością.