Podstawowe wymagania eksploatacyjne dla stali łożyskowej

Podstawowe wymagania eksploatacyjne dla stali łożyskowej

Materiały łożyskowe obejmują pierścienie wewnętrzne, pierścienie zewnętrzne, elementy toczne i koszyki, nity i inne materiały pomocnicze. Zdecydowana większość łożysk i ich części wykonana jest ze stali łożyskowej. Wraz z rozwojem nowoczesnej nauki i technologii oraz coraz większym wykorzystaniem łożysk tocznych wymagania stawiane łożyskom są coraz wyższe, takie jak wysoka precyzja, długa żywotność i wysoka niezawodność. W przypadku niektórych łożysk specjalnego przeznaczenia materiały łożyskowe muszą również posiadać takie właściwości, jak odporność na wysoką temperaturę, odporność na korozję, odporność na działanie niemagnetyczne, odporność na bardzo niskie temperatury i promieniowanie. Ponadto materiały łożyskowe obejmują również materiały stopowe, metale nieżelazne i materiały niemetalowe. Dodatkowo łożyska wykonane z ceramiczny materiały są obecnie stosowane w lokomotywach, samochodach, metrze, lotnictwie, przemyśle lotniczym, chemicznym i innych dziedzinach.

Co to jest stal łożyskowa?

Stal łożyskowa nazywana jest również stalą wysokowęglową chromową, o zawartości węgla Wc wynoszącej około 1% i zawartości chromu Wcr wynoszącej 0.5–1.65%. Stal łożyskowa dzieli się na sześć kategorii: stal łożyskowa o wysokiej zawartości węgla, chromowana stal łożyskowa, stal łożyskowa bez chromu, nawęglana stal łożyskowa, stal łożyskowa nierdzewna, stal łożyskowa o średniej i wysokiej temperaturze oraz stal łożyskowa antymagnetyczna.

Wysokowęglowa chromowa stal łożyskowa GCr15 jest najczęściej produkowaną stalą łożyskową na świecie. Zawartość węgla Wc wynosi około 1%, a zawartość chromu Wcr wynosi około 1.5%. Przez ostatnie 100 lat, odkąd powstał w 1901 roku, główne elementy w zasadzie się nie zmieniły. Wraz z postępem nauki i technologii prace badawcze są kontynuowane, a jakość produktów stale się poprawia, stanowiąc ponad 80% całkowitej światowej produkcji stali łożyskowej. Jeśli więc nie ma specjalnych instrukcji dotyczących stali łożyskowej, odnosi się to do GCr15 (AISI 52100).

AISI-52100 – Stal łożyskowa

Podstawowe właściwości stali łożyskowej

Podstawowe wymagania materiałowe łożysk zależą w dużej mierze od parametrów roboczych łożysk. To, czy materiał użyty do produkcji łożysk tocznych jest odpowiedni, będzie miało ogromny wpływ na ich wydajność i żywotność. Ogólnie rzecz biorąc, głównymi formami uszkodzeń łożysk tocznych są odpryski zmęczeniowe pod wpływem naprężeń oraz uszkodzenia dokładności łożysk spowodowane tarciem i zużyciem. Ponadto występują pęknięcia, wgniecenia, rdza i inne przyczyny, które powodują nietypowe uszkodzenia łożysk. Dlatego łożyska toczne powinny charakteryzować się wysoką odpornością na odkształcenia plastyczne, niskim tarciem i zużyciem, dobrą dokładnością obrotu, dobrą dokładnością wymiarową i stabilnością oraz długą trwałością zmęczeniową stykową. Wiele z tych właściwości zależy od materiału i procesu obróbki cieplnej. Ponieważ podstawowe wymagania dotyczące materiałów na łożyska toczne są określone przez sposób uszkodzenia łożyska, materiały do ​​produkcji łożysk tocznych muszą po określonej obróbce cieplnej w procesie końcowym posiadać następujące właściwości:

Wysoka wytrzymałość zmęczeniowa kontaktowa

Uszkodzenia zmęczeniowe kontaktowe są główną formą normalnego uszkodzenia łożysk. Kiedy łożysko toczne pracuje, elementy toczne toczą się pomiędzy bieżniami pierścieni wewnętrznego i zewnętrznego łożyska. Części stykowe poddawane są okresowym obciążeniom przemiennym, które mogą sięgać setek tysięcy razy na minutę. Pod powtarzającym się działaniem okresowych naprężeń przemiennych na powierzchni styku następuje łuszczenie zmęczeniowe. Gdy łożysko toczne zacznie się odklejać, spowoduje to jego wibracje, zwiększenie hałasu i gwałtowny wzrost temperatury roboczej, co ostatecznie doprowadzi do uszkodzenia łożyska. Ta forma uszkodzenia nazywana jest kontaktowym uszkodzeniem zmęczeniowym. Dlatego stal na łożyska toczne musi charakteryzować się wysoką wytrzymałością zmęczeniową kontaktową.

Wysoka odporność na zużycie

Gdy łożyska toczne pracują normalnie, oprócz tarcia tocznego występuje również tarcie ślizgowe. Główne części, w których występuje tarcie ślizgowe, to: powierzchnia styku elementu tocznego z bieżnią, powierzchnia styku elementu tocznego z kieszenią koszyka, klatką i żebrem prowadzącym tulejki oraz powierzchnia końcowa rolki i prowadnica tulejki. Poczekaj między bokami. Występowanie tarcia ślizgowego w łożyskach tocznych nieuchronnie powoduje zużycie części łożysk. Jeśli odporność stali łożyskowej na zużycie jest niska, łożysko toczne przedwcześnie utraci precyzję z powodu zużycia lub dokładność obrotu spadnie, co spowoduje zwiększone wibracje i skróconą żywotność łożyska. Dlatego stal łożyskowa musi charakteryzować się wysoką odpornością na zużycie.

Wysoka granica sprężystości

Gdy łożysko toczne pracuje, ponieważ powierzchnia styku pomiędzy elementem tocznym a bieżnią pierścieniową jest bardzo mała, gdy łożysko jest obciążone, zwłaszcza przy dużym obciążeniu, nacisk styku na powierzchnię styku jest bardzo duży. Aby zapobiec wystąpieniu nadmiernych odkształceń plastycznych pod wpływem dużych naprężeń kontaktowych, skutkujących utratą dokładności łożyska lub występowaniem pęknięć powierzchniowych, stal łożyskowa musi posiadać wysoką granicę sprężystości.
Cztery odpowiednie twardości

Odpowiednia twardość

Twardość jest jednym z ważnych wskaźników łożyska toczne. Jest to ściśle związane z wytrzymałością zmęczeniową materiału, odpornością na zużycie i granicą sprężystości i bezpośrednio wpływa na żywotność łożyska tocznego. Twardość łożyska określa się zwykle na podstawie sposobu i wielkości obciążenia, jakie łożysko przenosi, całkowitego rozmiaru łożyska i grubości ścianki. Twardość stali używanej do łożysk tocznych musi być odpowiednia. Jeśli jest za duży lub za mały, wpłynie to na żywotność łożyska. Jak wszyscy wiemy, głównymi formami awarii łożysk tocznych są kontaktowe uszkodzenia zmęczeniowe i utrata dokładności łożyska z powodu słabej odporności na zużycie lub niestabilności wymiarowej; jeśli części łożyska nie mają określonej wytrzymałości, ulegną kruchemu pękaniu pod wpływem dużych obciążeń udarowych. Uszkodzenie łożyska. Dlatego twardość łożyska należy określić w oparciu o specyficzne warunki łożyska i rodzaj uszkodzenia. W przypadku utraty dokładności łożyska spowodowanej odpryskami zmęczeniowymi lub słabą odpornością na zużycie należy wybierać części łożyska o wyższej twardości; w przypadku łożysk przenoszących większe obciążenia udarowe (takich jak łożyska walcownicze, łożyska kolejowe i niektóre łożyska samochodowe itp.) należy odpowiednio zmniejszyć twardość. Twardość jest konieczna, aby poprawić wytrzymałość łożyska.

Dobra udarność

Wiele łożysk tocznych będzie podczas użytkowania poddawanych pewnym obciążeniom udarowym, dlatego stal łożyskowa musi mieć określony stopień wytrzymałości, aby zapewnić, że łożyska nie ulegną uszkodzeniu w wyniku uderzenia. W przypadku łożysk przenoszących duże obciążenia udarowe, takich jak łożyska walcownicze i łożyska kolejowe, wymagane są materiały charakteryzujące się stosunkowo wysoką udarnością i odpornością na pękanie. Niektóre z tych łożysk wykorzystują proces obróbki cieplnej hartowania bainitu, a niektóre wykorzystują materiały ze stali nawęglanej, aby te łożyska gwarantowały dobrą odporność na uderzenia.

Dobra stabilność wymiarowa

Łożyska toczne to precyzyjne części mechaniczne, a ich dokładność mierzy się w mikronach. Podczas długotrwałego przechowywania i użytkowania zmiany w strukturze wewnętrznej lub naprężenia spowodują zmiany w rozmiarze łożyska, powodując utratę dokładności łożyska. Dlatego, aby zapewnić dokładność wymiarową łożyska, stal łożyskowa powinna charakteryzować się dobrą stabilnością wymiarową.

Dobra odporność na rdzę

Łożyska toczne podlegają wielu procesom produkcyjnym i długiemu cyklowi produkcyjnemu. Niektóre półprodukty lub gotowe części wymagają długiego przechowywania przed montażem. Dlatego części łożysk są podatne na korozję podczas procesu produkcyjnego lub podczas przechowywania gotowych produktów, szczególnie w wilgotnym powietrzu. Dlatego od stali łożyskowej wymaga się dobrych właściwości antykorozyjnych.

Dobra wydajność procesu

Podczas procesu produkcji łożysk tocznych ich części poddawane są wielu procesom obróbki na zimno i na gorąco. Wymaga to, aby stal łożyskowa miała dobre właściwości procesowe, takie jak właściwości formowania na zimno i na gorąco, właściwości cięcia i szlifowania, właściwości obróbki cieplnej itp., aby zaspokoić potrzeby dużych, wysokowydajnych, tanich i wysokowydajnych zakładów produkcyjnych. wysokiej jakości produkcja łożysk tocznych.

Ponadto w przypadku łożysk stosowanych w specjalnych warunkach pracy, oprócz powyższych podstawowych wymagań, należy przedstawić odpowiednie specjalne wymagania eksploatacyjne dla użytej stali, takie jak odporność na wysokie temperatury, działanie przy dużych prędkościach, odporność na korozję i właściwości antymagnetyczne.

Proces obróbki cieplnej stali łożyskowej

Proces obróbki cieplnej stali łożyskowej składa się z dwóch głównych etapów: obróbki wstępnej i końcowej obróbki cieplnej. Stal GCr15 jest najpowszechniej stosowanym rodzajem stali łożyskowej. Jest to wysokowęglowa, chromowa stal łożyskowa o niskiej zawartości stopów i dobrej wydajności. Stal łożyskowa GCr15 ma wysoką i jednolitą twardość, dobrą odporność na zużycie i wysoką odporność na zmęczenie kontaktowe po obróbce cieplnej.

wyżarzanie

(1) Wyżarzanie całkowite i wyżarzanie izotermiczne: Wyżarzanie całkowite nazywane jest również wyżarzaniem rekrystalizacyjnym i ogólnie określanym jako wyżarzanie. Wyżarzanie to stosowane jest głównie do odlewów, odkuwek i profili walcowanych na gorąco z różnych stali węglowych i stopowych o składzie podeutektoidalnym, a czasami także w konstrukcjach spawanych. Jest powszechnie stosowany jako końcowa obróbka cieplna niektórych nieistotnych przedmiotów lub jako wstępna obróbka cieplna niektórych przedmiotów.

(2) Wyżarzanie sferoidyzujące: Wyżarzanie sferoidyzujące stosuje się głównie w przypadku nadeutektoidalnej stali węglowej i stopowej stali narzędziowej (takich jak gatunki stali stosowane do produkcji narzędzi skrawających, narzędzi pomiarowych i form). Jego głównym celem jest zmniejszenie twardości, poprawa obrabialności i przygotowanie do późniejszego hartowania.

wyżarzanie

(3) Wyżarzanie odprężające: Wyżarzanie odprężające nazywane jest również wyżarzaniem niskotemperaturowym (lub odpuszczaniem w wysokiej temperaturze). Ten rodzaj wyżarzania stosowany jest głównie w celu wyeliminowania naprężeń szczątkowych w odlewach, odkuwkach, częściach spawanych, częściach walcowanych na gorąco, częściach ciągnionych na zimno itp. Jeśli naprężenia te nie zostaną wyeliminowane, spowoduje to odkształcenie lub pęknięcie części stalowych po przez określony czas lub podczas kolejnych procesów cięcia.

Hartowanie

Głównymi metodami poprawy twardości są ogrzewanie, utrwalanie ciepła i szybkie chłodzenie. Najczęściej stosowanymi czynnikami chłodniczymi są solanka, woda i olej. Przedmiot hartowany w słonej wodzie łatwo jest uzyskać dużą twardość i gładką powierzchnię, nie jest podatny na powstawanie miękkich miejsc, które nie są hartowane, ale łatwo jest spowodować poważne odkształcenie przedmiotu, a nawet pękanie. Zastosowanie oleju jako środka hartującego jest odpowiednie tylko do hartowania niektórych stali stopowych lub małych detali ze stali węglowej, gdzie stabilność przechłodzonego austenitu jest stosunkowo duża.

Hartowanie

Ruszenie

(1) Zmniejsz kruchość i wyeliminuj lub zmniejsz naprężenia wewnętrzne. Po hartowaniu części stalowe będą miały duże naprężenia wewnętrzne i kruchość. Jeśli nie zostaną poddane hartowaniu na czas, części stalowe często odkształcają się, a nawet pękają.

(2) Uzyskać właściwości mechaniczne wymagane dla przedmiotu obrabianego. Po hartowaniu przedmiot obrabiany ma wysoką twardość i wysoką kruchość. Aby spełnić różne wymagania wydajnościowe różnych przedmiotów, twardość można regulować poprzez odpowiednie odpuszczanie w celu zmniejszenia kruchości i uzyskania wymaganej wytrzymałości i plastyczności.

(3) Stabilny rozmiar przedmiotu obrabianego

(4) W przypadku niektórych stali stopowych, które są trudne do zmiękczenia przez wyżarzanie, po hartowaniu (lub normalizowaniu) często stosuje się odpuszczanie w wysokiej temperaturze, aby prawidłowo zebrać węgliki w stali i zmniejszyć twardość, aby ułatwić cięcie.

Ruszenie

Podstawowe wymagania jakościowe dla stali łożyskowej

Surowe wymagania dotyczące składu chemicznego.

Ogólna stal łożyskowa to głównie wysokowęglowa stal łożyskowa chromowa, czyli stal nadeutektoidalna o zawartości węgla około 1%, z dodatkiem około 1.5% chromu i niewielkiej ilości pierwiastków manganu i krzemu. Chrom może poprawić wydajność obróbki cieplnej, poprawić hartowność, jednorodność strukturalną, stabilność odpuszczania oraz poprawić właściwości antykorozyjne i szlifierskie stali.

Ale gdy zawartość chromu przekracza 1.65%, austenit szczątkowy w stali wzrośnie po hartowaniu, zmniejszając twardość i stabilność wymiarową, zwiększając niejednorodność węglików oraz zmniejszając udarność i wytrzymałość zmęczeniową stali. Z tego powodu zawartość chromu w wysokowęglowej chromowej stali łożyskowej jest zwykle kontrolowana poniżej 1.65%. Tylko poprzez ścisłą kontrolę składu chemicznego stali łożyskowej w procesie obróbki cieplnej można uzyskać strukturę i twardość odpowiadającą osiągom łożyska.

Wyższe wymagania dotyczące dokładności wymiarowej.

W przypadku prętów wyżarzanych walcowanych na gorąco, kutych na walcarkach szybkobieżnych, powinny obowiązywać wyższe wymagania dotyczące dokładności wymiarowej. Stal na łożyska toczne wymaga dużej dokładności wymiarowej, ponieważ większość części łożysk musi być formowana ciśnieniowo. Aby zaoszczędzić materiały i poprawić wydajność pracy, większość pierścieni łożyskowych jest kuta i formowana, kulki stalowe formuje się metodą kucia na zimno lub walcowania na gorąco, a rolki o małych rozmiarach są również formowane przez kucie na zimno. Jeśli dokładność wymiarowa stali nie jest wysoka, nie można dokładnie obliczyć rozmiaru cięcia i masy, nie można zagwarantować jakości produktu części łożyskowych i łatwo jest spowodować uszkodzenie sprzętu i form.

Szczególnie rygorystyczne wymagania dotyczące czystości.

Czystość stali odnosi się do liczby wtrąceń niemetalicznych zawartych w stali. Im wyższa czystość, tym mniej wtrąceń niemetalicznych w stali. Szkodliwe wtrącenia, takie jak tlenki i krzemiany w stali łożyskowej, są głównymi przyczynami wczesnego odpryskiwania zmęczeniowego łożysk i znacznego zmniejszenia ich trwałości. W szczególności najbardziej szkodliwe są kruche wtrącenia, ponieważ łatwo odrywają się od metalowej osnowy podczas obróbki, poważnie wpływając na jakość powierzchni części łożysk po wykończeniu. Dlatego, aby poprawić żywotność i niezawodność łożysk, należy zmniejszyć zawartość wtrąceń w stali łożyskowej.

Surowe wymagania dotyczące tkanek przy małym powiększeniu i tkanek mikroskopowych (przy dużym powiększeniu).

Struktura stali łożyskowej przy niskim powiększeniu odnosi się do porowatości ogólnej, porowatości środkowej i segregacji. Struktura mikroskopowa (w dużym powiększeniu) obejmuje wyżarzoną strukturę stali, sieć węglików, pasma i segregację cieczy itp. Ciecz węglikowa jest twarda i krucha, a zagrożenia z nią związane są takie same jak wtrącenia kruche. Węgliki siatkowe zmniejszają udarność stali i powodują jej nierówną strukturę, co ułatwia odkształcanie się i pękanie podczas hartowania. Węgliki pasmowe wpływają na struktury wyżarzania i hartowania i odpuszczania, a także kontaktową wytrzymałość zmęczeniową. Jakość konstrukcji o niskim i dużym powiększeniu ma ogromny wpływ na wydajność i żywotność łożysk tocznych. Dlatego w normach dotyczących materiałów łożyskowych obowiązują rygorystyczne wymagania dotyczące konstrukcji o niskim i dużym powiększeniu.

Zabronione są wady powierzchniowe i wewnętrzne

W przypadku stali łożyskowej wady powierzchniowe obejmują pęknięcia, wtrącenia żużla, zadziory, strupy, zgorzeliny tlenkowe itp., a wady wewnętrzne obejmują dziury skurczowe, pęcherzyki, białe plamy, dużą porowatość i segregację itp. Wady te mają ogromny wpływ na obróbkę łożysk , wydajność i żywotność łożyska. W normach dotyczących materiałów łożyskowych wyraźnie określono, że wady te są niedopuszczalne.

Zakaz stosowania nierównych węglików

W stali łożyskowej, jeśli występuje bardzo nierównomierny rozkład węglików, łatwo spowoduje to nierówną strukturę i twardość podczas obróbki cieplnej. Większy wpływ na kontaktową wytrzymałość zmęczeniową ma nierówna struktura stali. Ponadto duże nierówności węglika mogą łatwo spowodować pęknięcia części łożyska podczas hartowania i chłodzenia, a nierówności węglika mogą również skrócić żywotność łożyska. Dlatego w normach dotyczących materiałów łożyskowych znajdują się jasne przepisy dotyczące różnych specyfikacji stali. specjalne wymagania.

Surowe wymagania dotyczące głębokości warstwy odwęglenia powierzchni.

W normach dotyczących materiałów łożyskowych obowiązują rygorystyczne przepisy dotyczące powierzchniowej warstwy odwęglania stali. Jeżeli powierzchnia odwęglenia przekracza zakres normy i nie zostanie całkowicie usunięta w trakcie obróbki przed obróbką cieplną, zostanie usunięta w trakcie obróbki cieplnej i hartowania. Łatwo powstają pęknięcia hartownicze, powodujące złomowanie części.

Inne wymagania.

W normach dotyczących materiałów ze stali łożyskowej znajdują się również rygorystyczne wymagania dotyczące metody wytapiania, zawartości tlenu, twardości wyżarzania, powierzchni pęknięcia, elementów resztkowych, kontroli iskry, stanu dostawy, znakowania itp. stali łożyskowej.