Aké sú hlavné výkonnostné obmedzenia ložísk z nehrdzavejúcej ocele vo vysoko zaťažených alebo vysokorýchlostných aplikáciách

Ložiská z nehrdzavejúcej ocele sú široko používané v špecializovaných aplikáciách, ako je spracovanie potravín, lekárske vybavenie a námorné inžinierstvo vďaka svojej vynikajúcej odolnosti proti korózii. Pri použití pri extrémnom zaťažení alebo vysokých rýchlostiach však materiálové vlastnosti ložísk z nehrdzavejúcej ocele, najmä bežnej martenzitickej nehrdzavejúcej ocele triedy AISI 440C, obmedzujú ich výkon.

I. Obmedzenia pri aplikáciách s vysokým zaťažením: únava a krehkosť

1. Kapacita zaťaženia a životnosť kontaktov

Hoci ložiská z nehrdzavejúcej ocele AISI 440C môžu dosiahnuť vysokú tvrdosť (zvyčajne 58-60 HRC) prostredníctvom tepelného spracovania a ponúkajú vynikajúcu odolnosť proti opotrebeniu, stále zaostávajú za štandardnými ložiskovými oceľami s vysokým obsahom uhlíka (ako je GCr15/52100) z hľadiska základného výkonu.

Dynamické zaťaženie: Dynamické zaťaženie ocele 440C je vo všeobecnosti nižšie ako u ocele 52100. Je to predovšetkým kvôli vysokému obsahu chrómu v oceli 440C, ktorá tvorí veľké množstvo karbidov. Tieto častice karbidu, distribuované v matrici, sa môžu stať zdrojmi trhlín v oblastiach koncentrácie napätia, čo ovplyvňuje vnútornú čistotu a rovnomernosť ocele.

Kontaktná únavová sila: Pri vysokom zaťažení sú obežné dráhy ložísk vystavené extrémne vysokému Hertzovmu namáhaniu. Pri opakovanom vysokom kontaktnom namáhaní je únavová životnosť ocele 440C nižšia ako pri oceli 52100. To znamená, že pri rovnakých podmienkach zaťaženia sa výrazne skráti predpokladaná životnosť (L10) ložiska 440C.

2. Húževnatosť a odolnosť proti nárazu

440C je typická martenzitická nehrdzavejúca oceľ. Jeho vysoká tvrdosť ide na úkor húževnatosti.

Tendencia ku krehkosti: Vďaka vysokému obsahu uhlíka má 440C po vytvrdnutí relatívne krehkú štruktúru. V aplikáciách s rázovým zaťažením alebo silnými vibráciami je tento materiál náchylnejší na krehké lomy alebo odlupovanie obežnej dráhy, najmä v oblastiach koncentrácie napätia.

Odolnosť proti vtlačeniu: Napriek svojej vysokej tvrdosti nemusí byť 440C taká odolná voči brinelovaniu ako špeciálne upravené legované ocele, keď sú vystavené náhlym statickým alebo nárazovým zaťaženiam, čo ovplyvňuje jej geometrickú presnosť pri vysokom zaťažení.

II. Výkonnostné výzvy vo vysokorýchlostných aplikáciách: Nárast teploty a rozmerová stabilita

1. Odvod tepla a limity prevádzkovej teploty

Počas vysokorýchlostnej prevádzky vytvára trenie v ložisku značné množstvo tepla. Nerezová oceľ predstavuje nasledujúce termodynamické výzvy:

Tepelná vodivosť: Nerezová oceľ, najmä 440C, má zvyčajne nižšiu tepelnú vodivosť ako bežná ložisková oceľ. Táto nižšia tepelná vodivosť sťažuje rýchle odvádzanie tepla generovaného v ložisku, čo vedie k rýchlej akumulácii nárastu teploty.

Vplyv popúšťania: Keď prevádzková teplota ložiska prekročí hornú popúšťaciu teplotu 440 °C (zvyčajne pod 200 °C), dôjde k sekundárnemu mäknutiu, ktoré spôsobí zníženie tvrdosti materiálu, čím sa výrazne zníži jeho odolnosť proti opotrebovaniu a nosnosť. Teplo generované vysokou rýchlosťou môže ľahko spustiť tento typ tepelného zlyhania.

2. Riadenie mazania a vlastnosti trenia

Vysoké otáčky kladú extrémne vysoké nároky na mazanie a vlastnosti ložísk z nehrdzavejúcej ocele robia riadenie mazania ešte zložitejším.

Klzné trenie: Pri vysokých rýchlostiach sa klzné trenie medzi guľôčkami a obežnými dráhami a medzi guľôčkami a klietkami/držiakmi zintenzívňuje. Nedostatočné mazanie alebo nesprávny výber maziva môže spôsobiť vážne opotrebovanie adhéznej vrstvy na povrchu nehrdzavejúcej ocele.

Vôľa ložísk: V dôsledku rozdielu v koeficiente lineárnej tepelnej rozťažnosti (CTE) 440C v porovnaní s bežnými ložiskovými oceľami, v spojení s vplyvom zvýšenia teploty, môže vnútorná vôľa ložísk pracujúcich pri vysokých rýchlostiach nepredvídateľne kolísať, čo vedie k strate kontroly predpätia alebo zvýšenému treniu, čo ďalej obmedzuje obmedzujúcu rýchlosť.

3. Komplexné obmedzenia v zložitých prostrediach

Ložiská z nehrdzavejúcej ocele sa často používajú v korozívnom prostredí. V zložitých prevádzkových podmienkach vysokého zaťaženia, vysokých rýchlostí a prítomnosti korózie sa vlastnosti materiálu ďalej zhoršujú.

Synergia koróznej únavy: Korozívne médiá urýchľujú tvorbu jamiek na povrchu obežnej dráhy. Tieto korózne škvrny sa stávajú zdrojmi koncentrácie napätia. Pri opakovanom vysokom zaťažení môžu ľahko vyvolať koróznu únavu, čo vedie k predčasnému zlyhaniu ložísk.

Obmedzenia tried iných ako 440C: Austenitické nehrdzavejúce ocele (ako napríklad 304 a 316), ktoré sú odolnejšie voči korózii, ale majú nižšiu tvrdosť a pevnosť, majú nosnosť a prevádzkové rýchlosti oveľa nižšie ako triedy 440C pri vysokom zaťažení alebo podmienkach vysokej rýchlosti. Vo všeobecnosti sú vhodné len pre prostredie s nízkou rýchlosťou, nízkou záťažou a extrémne korozívne prostredie a nie sú vhodné pre aplikácie s vysokou záťažou alebo vysokou rýchlosťou.