Materiálové faktory ovlivňující životnost ložisek

Materiálové faktory ovlivňující životnost ložisek

Mezi časné způsoby selhání ložisek patří především praskání, plastická deformace, opotřebení, koroze a únava. Za normálních podmínek je selhání ložiska způsobeno především kontaktní únavou. Kromě provozních podmínek je selhání ložisek omezeno především tvrdostí, pevností, houževnatostí, odolností proti opotřebení, odolností proti korozi a vnitřním pnutím oceli. Hlavní faktory způsobující selhání v důsledku materiálů ložisek jsou následující.

Ložisková ocel ovlivňuje životnost ložiska

Ložisková ocel (AISI 52100 a GCr15) je jedním z hlavních faktorů, které ovlivňují životnost ložisek. K zajištění zlepšení využívá především výběr materiálu, záruku materiálu a tepelné zpracování životnost ložiska. Valivá ložiska jsou obecně vyrobena z ložiskové oceli s vysokým obsahem uhlíku a jejich chemické složení zůstává téměř nezměněno. Různé metody tavení však vedou k různé čistotě materiálů, což má velký vliv na životnost. Za stejných podmínek kontaktního namáhání je kontaktní únavová životnost keramická ložiska je lepší než u ocelových ložisek; v případě vysoké rychlosti, malého zatížení a malého rázového zatížení lze upřednostnit keramická kuličková ložiska. Je vidět, že vliv materiálů na únavovou životnost ložisek je velmi významný.

AISI-52100-Ložisková ocel

Martenzitický stav ložiskové oceli

Když je původní strukturou vysokouhlíkové chromové oceli zrnitý perlit, ve stavu nízkoteplotního popouštění po kalení obsah uhlíku v kaleném martenzitu významně ovlivní mechanické vlastnosti oceli. Pevnost a houževnatost se pohybuje kolem 0.5 %, kontaktní únavová životnost je kolem 0.55 % a odolnost proti drcení je kolem 0.42 %. Když obsah uhlíku GCr15 ocel kalený martenzit je 0.5% ~ 0.56%, nejsilnější odolnost proti selhání lze získat komplexní mechanické vlastnosti.

Získaný martenzit je v tomto případě kryptokrystalický martenzit a naměřený obsah uhlíku je průměrný obsah uhlíku. Ve skutečnosti není obsah uhlíku v martenzitu v rámci mikroregionu jednotný. Koncentrace uhlíku v blízkosti karbidu je vyšší než u původního feritu daleko od karbidu. Proto jsou teploty, při kterých začínají podléhat martenzitické přeměně, různé. To inhibuje růst martenzitových zrn a zobrazení mikroskopické morfologie a stává se kryptokrystalickým martenzitem. Dokáže se vyhnout mikrotrhlinám, ke kterým snadno dochází při kalení oceli s vysokým obsahem uhlíku, a jeho spodní strukturou je pásový martenzit s vysokou pevností a houževnatostí. Proto pouze tehdy, když se během kalení vysokouhlíkové oceli získá středněuhlíkový kryptokrystalický martenzit, mohou ložiskové díly dosáhnout nejlepšího stavu odolnosti proti selhání.

Martenzitický stav ložiskové oceli

Zbytkový austenit v ložiskové oceli

Po kalení může chromová ocel s vysokým obsahem uhlíku obsahovat 8%~20% Ar (zadržený austenit). Ar v ložiskových částech má výhody i nevýhody. Aby bylo možné přizpůsobit se nejlepšímu stavu, měl by být obsah Ar vhodný. Protože množství Ar souvisí hlavně s podmínkami austenitizace kalení a ohřevu, jeho množství ovlivní také obsah uhlíku zchlazeného martenzitu a množství nerozpuštěných karbidů. Je obtížné přesně odrážet vliv množství Ar na mechanické vlastnosti. Za tímto účelem byly stanoveny austenitické podmínky a k získání různých množství Ar byl použit proces austenitizační tepelné stabilizace. Byl studován vliv obsahu Ar na tvrdost a kontaktní únavovou životnost oceli GCr15 po kalení a při nízkých teplotách. Se zvyšujícím se obsahem austenitu se zvyšuje tvrdost a kontaktní únavová životnost a poté klesá po dosažení vrcholu, ale vrcholový obsah Ar je jiný. Vrchol tvrdosti se objevuje při asi 17 % Ar, zatímco životnost kontaktní únavy Vrchol nastává při asi 9 %.

Zbytkový austenit v ložiskové oceli

Při poklesu zkušebního zatížení se snižuje dopad na kontaktní únavovou životnost v důsledku zvýšení obsahu Ar. Je to proto, že když je množství Ar malé, má malý vliv na snížení pevnosti, ale účinek tuhnutí je zřejmý. Důvodem je, že když je zatížení malé, Ar prochází malou deformací, což nejen snižuje vrchol napětí, ale také zpevňuje deformovaný Ar prostřednictvím zpracování a martenzitické transformace vyvolané napětím. Pokud je však zatížení velké, velká plastická deformace Ar a matrice způsobí lokální koncentraci napětí a prasknutí, čímž se sníží životnost. Je třeba zdůraznit, že příznivý účinek Ar musí být ve stabilním stavu Ar. Pokud se samovolně přemění na martenzit, houževnatost oceli se prudce sníží a ocel zkřehne.

Nerozpuštěné karbidy v ložiskové oceli

Množství, morfologie, velikost a distribuce nerozpuštěných karbidů v kalené oceli jsou ovlivněny nejen chemickým složením oceli a původní strukturou před kalením, ale také podmínkami austenitizace. Pokud jde o vliv nerozpuštěných karbidů na životnost ložisek, existuje méně studií o vlivu. Karbid je tvrdá a křehká fáze. Kromě toho, že je prospěšný pro odolnost proti opotřebení, způsobí koncentraci napětí v matrici během zatěžování (zejména pokud je karbid nesférický) a způsobí trhliny, které sníží houževnatost a odolnost proti únavě. Kromě vlastního vlivu na vlastnosti oceli ovlivňují kalené nerozpuštěné karbidy také obsah uhlíku a obsah Ar a distribuci kaleného martenzitu, čímž mají další vliv na vlastnosti oceli.

Nerozpuštěné karbidy v ložiskové oceli

Pro odhalení vlivu nerozpuštěných karbidů na výkon byla použita ocel s různým obsahem uhlíku. Po kalení byl obsah uhlíku martenzitu a obsah Ar stejný, ale obsah nerozpuštěného karbidu byl odlišný. Po popuštění na 150°C, Protože martenzit má stejný obsah uhlíku a vyšší tvrdost, malé zvýšení nerozpuštěných karbidů tvrdost příliš nezvýší. Tlakové zatížení odrážející pevnost a houževnatost se sníží, ale výrazně se zvýší kontaktní únavová životnost, která je citlivá na koncentraci napětí. snížit. Proto je nadměrné kalení nerozpuštěných karbidů škodlivé pro komplexní mechanické vlastnosti a odolnost oceli proti poruchám. Vhodné snížení obsahu uhlíku v ložiskové oceli je jednou z možností, jak zvýšit životnost ložisek.

TEPELNÝ VÝKON
NOSNÁ SUROVINY
tepelné zpracování 1

Pokročilé zařízení pro tepelné zpracování od Aubearing

Kromě množství zchlazených nerozpuštěných karbidů ovlivňujících vlastnosti materiálu ovlivňuje vlastnosti materiálu také velikost, morfologie a distribuce. Aby se předešlo poškození nerozpuštěných karbidů v ložiskové oceli, je nutné, aby nerozpuštěné karbidy byly malé (malé množství), malé (malá velikost), stejnoměrné (rozdíl velikosti je velmi malý jeden od druhého a rovnoměrně rozložené), kulatý (každý karbid je kulový). Je třeba zdůraznit, že malé množství nerozpuštěných karbidů v ložiskové oceli po kalení je nutné nejen pro udržení dostatečné odolnosti proti opotřebení, ale také pro získání jemnozrnného kryptomartensitu.

Zbytkové napětí po kalení a popouštění

Ložiskové díly mají po kalení a nízkoteplotním temperování stále velké vnitřní pnutí. Zbytkové vnitřní napětí v dílech má výhody i nevýhody. Po tepelném zpracování ložiskové oceli se se zvyšujícím se zbytkovým tlakovým napětím na povrchu zvyšuje únavová pevnost oceli. Naopak při poklesu zbytkového vnitřního napětí na povrchu klesá únavová pevnost ložiskové oceli. K únavovému selhání ložiska totiž dochází, když je vystaveno nadměrnému namáhání v tahu. Když na povrchu zůstane velké tlakové napětí, vyrovná se tahové napětí stejné hodnoty a skutečná hodnota tahového napětí ložiskové oceli se sníží, což způsobí únavu Když se mezní hodnota pevnosti zvýší, když zůstane velké tahové napětí na povrchu bude superponováno se zatížením tahovým napětím a skutečné tahové napětí ložiskové oceli se výrazně zvýší, i když se sníží mezní hodnota únavové pevnosti. Proto je také ponechání velkého tlakového napětí na povrchu dílů ložisek po kalení a popouštění jedním z opatření ke zlepšení životnosti (samozřejmě nadměrné zbytkové napětí může způsobit deformaci ložiska nebo dokonce prasknutí, proto je třeba věnovat dostatečnou pozornost) .

Obsah nečistot v ložiskové oceli

Nečistoty v ložiskové oceli zahrnují nekovové vměstky a obsah škodlivých prvků (rozpustných v kyselinách). Jejich poškození výkonu se často vzájemně posiluje. Například čím vyšší je obsah kyslíku, tím jsou oxidové inkluze. Vliv nečistot v ložiskové oceli na mechanické vlastnosti a odolnost dílů proti porušení souvisí s druhem, povahou, množstvím, velikostí a tvarem nečistot, ale obvykle má vliv na snížení houževnatosti, plasticity a únavové životnosti.
S rostoucí velikostí vměstků klesá únavová pevnost a čím vyšší je pevnost v tahu ložiskové oceli, tím větší je trend poklesu. Se zvyšujícím se obsahem kyslíku v ložiskové oceli (zvyšují se oxidové inkluze) se při působení vysokého napětí také snižuje ohybová únava a kontaktní únavová životnost. Proto u dílů ložisek pracujících pod vysokým namáháním je nutné snížit obsah kyslíku v ložiskové oceli používané při výrobě. Některé studie ukázaly, že inkluze MnS v oceli mají elipsoidní tvar a mohou obalovat škodlivé oxidové inkluze, takže mají menší dopad na snížení únavové životnosti a mohou být dokonce prospěšné, takže je lze shovívavě kontrolovat.

Obsah nečistot v ložiskové oceli

Řízení materiálových faktorů ovlivňujících životnost ložisek

Aby byly výše uvedené materiálové faktory ovlivňující životnost ložisek zachovány v nejlepším stavu, je nejprve nutné před kalením zkontrolovat původní strukturu oceli. Technická opatření, která lze provést, zahrnují: vysokoteplotní (1050°C) austenitizaci a rychlé ochlazení na 630°C izotermickou normalizaci pro získání pseudoeutektoidní jemné perlitové struktury nebo izotermické ošetření při 420°C pro získání bainitové struktury. Rychlé žíhání využívající odpadní teplo z kování a válcování lze také použít k získání jemnozrnné perlitové struktury, která zajistí jemné a rovnoměrné rozložení karbidů v oceli. Když je původní struktura v tomto stavu austenitizována kalením a zahříváním, kromě karbidů rozpuštěných v austenitu se nerozpuštěné karbidy agregují na jemné částice.

Když je původní struktura v oceli konstantní, závisí obsah uhlíku v kaleném martenzitu (tj. obsah uhlíku v austenitu po kalení a ohřevu), množství zadrženého austenitu a množství nerozpuštěných karbidů hlavně na teplotě kalného ohřevu a doba držení. s rostoucí teplotou kalícího ohřevu (po určitou dobu) klesá počet nerozpuštěných karbidů v oceli (zvyšuje se obsah uhlíku v kaleném martenzitu), zvyšuje se množství zadrženého austenitu a tvrdost nejprve roste s rostoucím kalením. teplota. Po dosažení maximální hodnoty se s rostoucí teplotou snižuje. Když je teplota kalícího ohřevu konstantní, s prodlužující se dobou austenitizace se snižuje množství nerozpuštěných karbidů, zvyšuje se množství zadrženého austenitu a zvyšuje se tvrdost. Když je čas delší, tento trend se zpomaluje. Když jsou karbidy v původní struktuře v pořádku, karbidy se snadno rozpouštějí na austenit, takže vrchol tvrdosti po kalení se posune na nižší teplotu a objeví se v kratší době austenitizace.

nové asi 5

Suma sumárum, po kalení oceli GCrI5 je optimální strukturní složení asi 7 % nerozpuštěných karbidů a asi 9 % zbytkového austenitu (průměrný obsah uhlíku v kryptokrystalickém martenzitu je asi 0.55 %). když jsou karbidy v původní struktuře malé a rovnoměrně rozložené, když je mikrostrukturní složení na výše uvedené úrovni spolehlivě kontrolováno, je výhodné získat vysoké komplexní mechanické vlastnosti a tím mít vysokou životnost. Je třeba zdůraznit, že když je původní struktura s jemnými rozptýlenými karbidy zchlazena, zahřívána a udržována v teple, nerozpuštěné jemné karbidy se shlukují a rostou, čímž se stanou hrubými. Proto by doba kalení a ohřevu ložiskových dílů s touto originální strukturou neměla být příliš dlouhá. Použitím rychlého ohřevu austenitizačního kalícího procesu se dosáhne vyšších komplexních mechanických vlastností.

Aby se po kalení a temperování ponechalo na povrchu dílů ložiska velké tlakové napětí, může být během kalení a ohřevu zavedena nauhličovací nebo nitridační atmosféra a po krátkou dobu lze provádět povrchové nauhličování nebo nitridování. Protože skutečný obsah uhlíku v austenitu není vysoký, když se tento druh oceli kalí a zahřívá, což je mnohem nižší než rovnovážná koncentrace znázorněná na fázovém diagramu, může absorbovat uhlík (nebo dusík). Když austenit obsahuje vyšší uhlík nebo dusík, jeho Ms klesá. Během kalení podléhá povrchová vrstva martenzitické přeměně za vnitřní vrstvou a jádrem, což má za následek větší zbytkové tlakové napětí. Poté, co byla ocel GCrl5 zahřátá a zchlazena v nauhličovací atmosféře a v nekarburizační atmosféře (obě byly temperovány při nízké teplotě), zkouška kontaktní únavy ukázala, že životnost povrchově nauhličené oceli byla 1.5krát delší než životnost nenauhličované oceli. Důvodem je, že povrch nauhličených dílů má velké zbytkové tlakové napětí.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Hlavní materiálové faktory a stupeň kontroly, které ovlivňují životnost dílů valivých ložisek z chromové oceli s vysokým obsahem uhlíku, jsou:

(1) Karbidy v původní struktuře oceli před kalením musí být jemné a rozptýlené. Toho lze dosáhnout použitím vysokoteplotní austenitizace 630℃ nebo 420℃ nebo využitím odpadního tepla z kování a válcování pro rychlé žíhání.

(2) Po kalení oceli GCr15 je nutné získat mikrostrukturu kryptokrystalického martenzitu s průměrným obsahem uhlíku asi 0.55 %, asi 9 % Ar a asi 7 % nerozpuštěných karbidů v jednotném a kulatém stavu. Tuto mikrostrukturu lze získat řízením teploty a času kalícího ohřevu.

(3) Poté, co jsou součásti kaleny a temperovány při nízké teplotě, je na povrchu vyžadováno velké zbytkové tlakové napětí, které pomáhá zlepšit odolnost proti únavě. Povrch může být během kalení a ohřevu krátkodobě nauhličován nebo nitridován, takže na povrchu zůstává velké tlakové napětí.

(4) Ocel používaná k výrobě dílů ložisek vyžaduje vysokou čistotu, zejména kvůli snížení obsahu O2, N2, P, oxidů a fosfidů. Elektrostruskové přetavování, vakuové tavení a další technická opatření lze použít k zajištění toho, aby obsah kyslíku v materiálu byl ≤15PPM.