Материалы изготовления подшипников – ключевое решение для повышения надежности

Применение специализированных подшипниковых сталей и методов обработки поверхностей позволяет значительно повысить надежность подшипников, что в свою очередь способствует снижению совокупной стоимости владения машин и оборудования.

Для высокопроизводительных подшипников выбор и оптимизация материалов играет главную роль в их разработке. По этой причине материаловедение - одна из четырех основных научно-исследовательских технологических дисциплин в NSK.

Чистота материалов

Усталостная стойкость легированных подшипниковых сталей, например, таких как 100 Cr6 (или SUJ2 по японским стандартам), зависит преимущественно от содержания включений. В частности, оксидные или неметаллические включения усиливают негативное воздействие под поверхностью дорожки качения. Алюмооксидные включения, формирующиеся в процессе окисления расплава, могут привести к значительному уменьшению усталостной стойкости подшипника. Такое воздействие обусловлено тем, что алюмооксидные включения относительно твердые и могут разрушаться при обработке стали, например, при ковке. В момент разрушения включения уменьшаются в объеме и ослабляют микроструктуру материала.

Совместно с ведущим производителем стали NSK разработала такие материалы, как сталь Z, сталь EP и BNEQUARTET, чтобы предупредить данный вид отрицательных воздействий. Некоторые из этих материалов производятся с использованием специальных процессов плавления, уменьшающих объем неметаллических включений и повышающих усталостную стойкость.

Специализированная термообработка

Термообработка - еще один параметр, который влияет на определенные характеристики сталей и, следовательно, влияет на качество подшипников. Поэтому такие материалы, как сталь SHX компании NSK, подвергаются определенной термообработке, которая обеспечивает особую устойчивость к износу при высоких рабочих температурах. Подшипники такого типа необходимы не только в тех случаях, когда тепло является неотъемлемой частью процесса, но и для применения, например, в станках, в которых высокая скорость шпинделя ведет к повышению температуры компонентов привода. Во время разработки характеристики стали SHX были проверены посредством всесторонних испытаний на устойчивость к износу, включая испытания на четырехшариковой машине трения, а также тестирование для определения усталостной долговечности материала и поверхности.

Различия в легировании

Третий параметр, учитываемый в задаче повышения надежности подшипников, - это сплав. Легирование позволяет предотвратить или, по крайней мере, минимизировать формирование трещин в микроструктуре подшипника. Совместно с производителями стали NSK разработала различные специальные сплавы для такого применения.

Материалы, такие как сталь NSK Super Tough, создаются сочетанием оптимальной термообработки со специальным легированием (Image1). Например, закалка стали с помощью такого процесса, как нитроцементация, повышает срок службы изделия в два раза по сравнению с ожидаемым сроком службы в условиях загрязнения смазки. В средах, где смазка имеет стандартные примеси, срок службы подшипника может быть увеличен даже в десять раз. Причина такого повышения производительности - значительное сокращение поверхностного износа, вызванного недостаточным смазыванием или загрязнением смазки. В свою очередь, замедляется возникновение любых потенциальных повреждений, вызванных белыми вытравленными трещинами (БВТ).

Разработка нового материала обычно происходит в ответ на отраслевые тенденции или изменения эксплуатационных требований. Именно так произошло с технологией BNEQUARTET, которую NSK впервые представила два года назад. BNEQUARTET изначально разрабатывалась в связи с постоянным увеличением размера барабанов стиральных машин. Радиальные шариковые подшипники, в больших количествах присутствующие в стиральных машинах с фронтальной загрузкой, популярных во всей Европе, подвергаются неравномерным и асимметричным нагрузкам. При увеличении размера барабанов и повышении объема загрузки стиральных машин к подшипникам предъявляются еще более высокие требования.

Материаловеды NSK решили усовершенствовать состав легирующих элементов специальной стали, чтобы предотвратить возникновение трещин и вмятин, образующихся в дорожках качения и, что самое важное, остановить их распространение. Кроме того, этот конкретный сорт стали отличается особенной чистотой. Совокупность мер, принятых в технологии BNEQARTET, привела к удвоению срока службы подшипников при высоких нагрузках и неблагоприятных условиях окружающей среды.

Еще один пример разработки специализированных материалов можно найти в области ветрогенераторов. Для них характерно повреждение подшипников в виде белых вытравленных трещин (БВТ), которые могут возникнуть под поверхностью материала. Эти белые образования из хрупкого феррита, формирующиеся вследствие изменений микроструктуры, наблюдаются на протравленных и шлифованных поперечных разрезах материала. Измененная структура не способна выдерживать высокие нагрузки. Формирование и распространение БВТ приводит к таким дефектам поверхности, как выкрашивание или белое структурное отслаивание.

Ученые никогда не могли полностью объяснить причины БВТ. Сейчас считается, что такое состояние вызывается последствиями взаимодействий компонентов с силовым агрегатом. К ним относятся динамические нагрузки, смешанное трение, электрические заряды/токи, химические факторы, скольжение/соскальзывание и водородная диффузия.

Разработка контрмер

Благодаря успешному воспроизведению БВТ в лаборатории NSK впоследствии смогла разработать контрмеры, включающие обкатывание мартенситных закаленных подшипниковых сталей вместе с другими специальными материалами. Этот дополнительный процесс способен значительно замедлить возникновение повреждений от БВТ.

Другой эффективный метод сокращения вероятных повреждений от БВТ - использование колец подшипника, сделанных из стали NSK Tough Steel. За счет применения такого сочетания материалов и поверхностной обработки динамическая грузоподъемность в среднем может быть повышена на 23%, что для подшипников  качения эквивалентно удвоению усталостной стойкости.

Сокращение повреждений от БВТ

Что касается поверхностного износа из-за недостаточного смазывания или загрязнения смазки, его можно значительно сократить, применяя подшипники STF; при этом замедляется возникновение потенциальных повреждений от БВТ. Серия испытаний NSK показала, что срок появления повреждений увеличился вдвое.

Еще одна выигрышная стратегия заключается в использовании колец подшипников, выполненных из стали Anti-White Structure-Tough (AWS-TF)- запатентованного материала NSK, который был создан специально для предотвращения повреждений от БВТ. Для измерения срока службы колец подшипников из традиционной стали до момента обнаружения повреждений от БВТ была проведена широкая серия испытаний. Затем такая же серия испытаний была проведена с AWS-TF. В результате по окончании срока службы, в восемь раз превышающего срок службы колец подшипников из традиционной стали, в данном материале белые вытравленные области обнаружены не были.

Пластик и керамика

Разработка материалов в NSK касается не только сталей. Пластиковые материалы и цветные металлы, такие как латунь, также испытываются для выполнения конкретных улучшений характеристик сепараторов. Более того, керамика и керамические покрытия играют все большую роль при корректировке электропроводности и износостойкости подшипников. В этой области NSK недавно представила новую керамику HDY2, которая имеет оптимизированные изолирующие и теплопроводные  характеристики.

И наконец, еще одно направление разработки материалов связано со смазками. Трибология - отдельная ключевая компетенция научно-исследовательской организации NSK помимо материаловедения.