Materiały do produkcji łożysk kluczem do zwiększonej niezawodności

67

Wykorzystanie specjalnych stali łożyskowych oraz procesów obróbki powierzchni znacząco zwiększa niezawodność łożysk, co z kolei przekłada się na zmniejszenie całkowitego kosztu posiadania (TCO) maszyn i wyposażenia.

W przypadku łożysk o wysokiej wydajności wybór i optymalizacja materiałów (przede wszystkim stalowych) odgrywają główną rolę w procesie ich konstrukcji. Z tego powodu inżynieria materiałowa jest jedną z czterech kluczowych technologii badawczo-rozwojowych w firmie NSK.

Czystość materiału
Trwałość zmęczeniowa stopowych stali łożyskowych, takich jak 100 Cr6 (lub SUJ2 w przypadku standardów japońskich), zależy głównie od zawartości wtrąceń. Wtrącenia tlenkowe lub niemetaliczne szczególnie sprzyjają powstawaniu negatywnych efektów w podpowierzchniowej strukturze bieżni łożysk. Przykładowo znany jest fakt, iż wtrącenia tlenku glinu powstające w procesie utleniania podczas wytopu stali mogą prowadzić do znacznego zmniejszenia trwałości zmęczeniowej łożyska.  Efekt ten powstaje, ponieważ wtrącenia tlenku glinu są relatywnie twarde i mogą się kruszyć podczas procesu przeróbki stali, takiego jak np. kucie. Gdy dojdzie do wykruszenia, wtrącenia kurczą się i osłabiają mikrostrukturę łożyska.

W celu zapobiegania tego typu negatywnym efektom firma NSK opracowała w ramach partnerstwa z wiodącym producentem stali materiały takie jak stal Z, stal EP oraz BNEQUARTET. Niektóre z tych materiałów są produkowane z wykorzystaniem specjalnego procesu wytopu, który zmniejsza zawartość wtrąceń niemetalicznych i zwiększa trwałość zmęczeniową.

Specjalna obróbka cieplna
Obróbka cieplna to kolejny parametr, który wpływa na specyfikę charakterystyki stali i – w konsekwencji – również na łożysko.  Z tego powodu materiały, takie jak stal SHX NSK są poddawane specjalnej obróbce cieplnej, dzięki czemu materiał jest szczególnie odporny na zużycie w wysokich temperaturach pracy.

Łożyska tego typu są wymagane nie tylko tam, gdzie ciepło występuje jako nieodłączna część procesu, ale także w aplikacjach, takich jak obrabiarki, gdzie duże prędkości wrzecion generują wysokie temperatury komponentów napędowych.

W trakcie prac rozwojowych charakterystyka stali SHX została potwierdzona poprzez wszechstronne testy odporności na zużycie, obejmujące m.in. testy przy użyciu aparatu czterokulowego i rolek, jak również testy trwałości zmęczeniowej materiału oraz powierzchni.

Stopy stanowią o różnicy jakościowej
Trzecim parametrem istotnym dla uzyskania większej niezawodności łożysk jest odpowiedni stop stali. Właściwie dobrane stopy mogą zapobiegać powstawaniu pęknięć w mikrostrukturze łożyska lub są w stanie przynajmniej je zminimalizować. Ponownie we współpracy z producentami stali firma NSK opracowała różne, specjalne stopy dla tego profilu aplikacji.

Materiały takie jak stal Super-Tough NSK zawdzięczają swoje właściwości połączeniu optymalnej obróbki cieplnej z doborem specjalnego stopu (Fot. 1). Przykładowo, utwardzanie stali przy użyciu procesów takich jak azotonawęglanie zwiększa dwukrotnie okres użytkowania w porównaniu do szacowanego okresu eksploatacji w warunkach zanieczyszczonego środka smarnego.

W środowiskach, gdzie środek smarny ma normalny poziom zanieczyszczeń, okres użytkowania łożyska może być zwiększony o czynnik 10. Poprawiona wydajność jest związana z faktem, iż zużycie powierzchniowe powodowane przez niedostateczne smarowanie lub zanieczyszczenie środka smarnego zostało znacznie zredukowane. To z kolei sprawia, że wystąpienie wszelkich potencjalnych uszkodzeń powodowanych przez tzw.: «białe wytrawione pęknięcia» (ang. WEC, white etching cracks) jest opóźnione.

Fot. 1.jpeg – Firma NSK, opracowując stal Super-Tough, wykorzystała kombinację właściwości specjalnego stopu i optymalnej obróbki cieplnej.

Opracowanie nowych materiałów zwykle stanowi odpowiedź na trendy przemysłowe lub zmiany w wymaganiach aplikacji. Taka sytuacja miała miejsce w przypadku technologii BNEQUARTET, którą firma NSK po raz pierwszy wprowadziła dwa lata temu (Fot. 2). Rozwiązanie BNEQUARTET zostało początkowo opracowane w odpowiedzi na stały wzrost wielkości bębnów pralek. Łożyska kulkowe poprzeczne, szeroko stosowane na rynku europejskim w pralkach ładowanych od przodu, są wystawione na działanie niewyważonych i asymetrycznych obciążeń.  Wzrost wielkości bębnów generuje wyższe obciążenia podczas prania, co nakłada jeszcze większe wymagania w stosunku do jakości łożysk.

Fot. 2-   Łożyska kulkowe poprzeczne BNEQARTET stosowane w napędach urządzeń elektrycznych, takich jak AGD.

W odpowiedzi na to wyzwanie eksperci materiałoznawstwa firmy NSK rozpoczęli prace nad poprawą składu stopowego stali specjalnej, która będzie zapobiegać powstawaniu pęknięć i wgłębień na bieżniach i, co najważniejsze, zahamuje ich propagację. Dodatkowo, ta konkretna stal jest wyjątkowo czysta. Cały zestaw środków zastosowany w technologii BNEQARTET poskutkował podwojeniem okresu eksploatacji łożyska przy wysokich obciążeniach i w niekorzystnych warunkach pracy.

Przykład 2
Inny przykład opracowania materiałów pod kątem specyfiki aplikacji pochodzi z zakresu technologii turbin wiatrowych. Tam uszkodzenia łożysk w postaci WEC zachodzą poniżej powierzchni materiału (Fot. 3.)  Te białe struktury kruchego ferrytu, które powstają na skutek zmian w mikrostrukturze, można obserwować na wytrawionych i wypolerowanych przekrojach materiału. Zmienione obszary nie są w stanie dłużej przeciwstawiać się wysokim obciążeniom, których doświadczają. Dochodzi do powstawania i propagacji WEC, co prowadzi do uszkodzeń powierzchni, takich jak wżery lub łuszczenie się białej struktury (WSF, white structure flaking).

Fot. 3. Typowy wzór uszkodzeń: białe wytrawione obszary poniżej powierzchni materiału.

Naukowcy nigdy nie byli w stanie w pełni wyjaśnić przyczyn powstawania struktur WEC. Obecnie uważa się, że zjawisko to zachodzi na skutek efektu interakcji komponentów w obrębie układu napędowego. Obejmują one dynamikę układu, tarcie mieszane, ładunki elektryczne/prądy, czynniki chemiczne, ruchy poślizgowe/przesuwne oraz dyfuzję wodoru.

Rozwój środków zaradczych
Dzięki możliwości odtworzenia zjawiska WEC w laboratorium, firma NSK w następnym etapie była w stanie opracować środki zaradcze obejmujące nagniatanie hartowanych martenzytycznie stali łożyskowych, jak i innych materiałów specjalnych (Fot. 4). Wykazano, że ten dodatkowy proces znacząco opóźnia wystąpienie uszkodzeń typu WEC.

Fot. 4. Nagniatane czterorzędowe łożyska walcowe wykorzystywane jako zintegrowane łożyska przekładni planetarnych w turbinach wiatrowych.

Kolejną skuteczną metodą zmniej
szenia prawdopodobieństwa wystąpienia uszkodzeń WEC jest wykorzystanie pierścieni łożyskowych NSK wykonanych ze stali Tough Steel. Zastosowanie tego typu kombinacji materiału i obróbki powierzchni umożliwia poprawę wartości obciążenia dynamicznego średnio o 23%, co w przypadku łożysk tocznych odpowiada podwojeniu okresu trwałości zmęczeniowej.

Ograniczenie uszkodzeń typu WEC
Dzięki zastosowaniu łożysk STF (Fot. 5) zużycie powierzchniowe spowodowane niedostatecznym smarowaniem lub zanieczyszczonym środkiem smarnym zostało znacząco zredukowane, a jednocześnie wystąpienie potencjalnych uszkodzeń typu WEC zostało opóźnione. Seria testów NSK wykazała, że okres przed wystąpieniem uszkodzeń został podwojony.

Fot. 5. Wykres ukazujący zalety materiału Super-TF podczas pracy w warunkach zanieczyszczonego środka smarnego.

Inną skuteczną strategię stanowi zastosowanie pierścieni łożyskowych wykonanych z zastrzeżonego materiału NSK «Anti-White Structure-Tough” (AWS-TF), opracowanego specjalnie w celu zapobiegania uszkodzeniom typu WEC. W obszernej serii testów zmierzono żywotność standardowych stalowych pierścieni łożyskowych aż do momentu wykrycia uszkodzenia WEC. Następnie seria testów została powtórzona z materiałem AWS-TF. Po ośmiokrotnie dłuższym okresie użytkowania w porównaniu do standardowych stalowych pierścieni łożyskowych nie wykryto w materiale tzw. struktur WEA (białych wytrawionych obszarów, ang. white etching areas).

Tworzywa sztuczne i materiały ceramiczne
Prace nad materiałami w firmie NSK nie dotyczą tylko stali. Tworzywa sztuczne oraz metale nieżelazne, takie jak mosiądz, również są testowane w celu wprowadzania precyzyjnie ukierunkowanych ulepszeń charakterystyki koszyków łożysk. Co więcej, materiały i powłoki ceramiczne (Fot. 6) odgrywają coraz ważniejszą rolę, gdy konieczne jest dostosowanie właściwości łożysk pod kątem ich przewodności elektrycznej i odporności na zużycie.

Fot. 6. Komponenty ceramiczne i powłoki dla łożysk stanowią dodatkowy obszar badań w firmie NSK.

W tym zakresie firma NSK ostatnio wprowadziła produkt ceramiczny nazwany HDY2, który charakteryzuje się optymalnymi właściwościami izolacyjnymi i przewodnością cieplną.

Osobny obszar zainteresowania w zakresie rozwoju materiałów stanowią smary. Obok technologii materiałów, trybologia to odrębna kluczowa kompetencja w jednostce badawczo-rozwojowej firmy NSK.

Źródło: NSK