Materiály ložisek jsou klíčem ke zvýšení spolehlivosti

Při vývoji vysoce výkonných ložisek hraje hlavní roli výběr a optimalizace vlastností materiálů. Z tohoto důvodu je ve firmě NSK materiálový výzkum jednou ze čtyř prioritních oblastí výzkumu a vývoje.

Únavová životnost legovaných ložiskových ocelí, jako například 100 Cr6 (podle japonského standardu SUJ2), je z principu závislá na obsahu nečistot. Negativní vliv na povrch oběžných drah ložisek mají zvláště oxidy nebo nekovové nečistoty. Například je známo, že znečištění oxidy hliníku, ke kterému dochází oxidací během tavení, může vést k podstatnému zkrácení únavové životnosti materiálu ložisek. Je tomu tak proto, že oxidy hliníku jsou relativně tvrdé a při zpracování, například při kování, se mohou jejich zrna rozlámat. Dojde-li k jejich rozpadu, nečistoty se smrští a oslabí mikrostrukturu.

Ve spolupráci s předním výrobcem ocelí vyvinula firma NSK materiály, jako ocel Z, ocel EP a Bnequartet, které tímto negativním jevem netrpí. Některé z nich jsou vyráběny speciálními metalurgickými procesy, které omezují množství nekovových nečistot a prodlužují jejich únavovou životnost.

Tepelné zpracování je dalším parametrem, který má vliv na specifické vlastnosti oceli, a v důsledku toho i na ložiska. To je důvod, proč jsou materiály jako SHX od NSK podrobovány speciální tepelné úpravě, díky níž ani při vysokých teplotách téměř nepodléhají opotřebení. Ložiska tohoto typu jsou potřeba nejen tam, kde je vysoká teplota neoddělitelnou charakteristikou technologického procesu, ale například i pro obráběcí stroje, kde vysokorychlostní vřeteno v pohonu generuje velké množství tepla. Při vývoji byly vlastnosti oceli SHX otestovány s ohledem na komplexní odolnost proti opotřebení, včetně čtyřkuličkové a válečkové zkoušky, a testována byla i únavová životnost materiálu a povrchové vrstvy.

Třetím parametrem při hledání vyšší spolehlivosti ložisek je složení oceli. Vhodným složením oceli lze zabránit vzniku prasklin v mikrostruktuře ložiska, nebo alespoň jeho nebezpečí minimalizovat. Opět ve spolupráci s výrobci ocelí vyvinula firma NSK pro tento aplikační profil různé speciálně legované materiály.

Vlastnosti materiálů, jako Super Tough od NSK, vycházejí z kombinace optimálního tepelného zpracování a speciálního složení oceli (obr. 1). Například kalení ocelí doplněné o takové postupy, jako je nitrocementování, prodlužuje trvanlivost ve srovnání s běžnou trvanlivostí ložiska pracujícího v podmínkách znečištěného maziva až na dvojnásobek. V prostředí, kde je v mazivu jen běžné znečištění, může být trvanlivost ložiska prodloužena dokonce až na desetinásobek. Je to proto, že opotřebení povrchu ložiska způsobené nedostatečným mazáním nebo znečištěním maziva je tepelnou úpravou velmi omezeno. Také je oddáleno nebezpečí poškození ložiska způsobené bíle naleptanými trhlinami (WEC – White Etching Crack).

Příklad 1

Vývoj nových materiálů je obvykle odpovědí na průmyslové trendy nebo změny v aplikačních požadavcích. To byl případ ložisek Bnequartet, jež NSK poprvé představila před dvěma lety (obr. 2). Ložiska Bnequartet byla původně vyvinuta jako reakce na stále rostoucí velikost bubnů praček. U předem plněných praček se totiž v celé Evropě používají kuličková ložiska, jež jsou vystavena nepravidelnému a asymetrickému zatížení. Jak se zvětšují bubny praček, zvyšuje se i zatížení a na ložiska jsou kladeny stále větší požadavky.

Proto materiáloví odborníci NSK začali hledat, jak zlepšit složení speciální ložiskové oceli, aby se zvýšila její odolnost proti vzniku trhlin a odlupování na plochách oběžných drah, a co je ještě důležitější, aby se zastavilo šíření těchto poruch. Uvedená ocel navíc vykazuje mimořádnou čistotu složení. Tato sada opatření, aplikovaná v ložiscích Bneqartet, vedla ke zdvojnásobení trvanlivosti ložisek vystavených velkému zatížení a pracujících za nepříznivých podmínek prostředí.

Příklad 2

Další příklad vývoje aplikačně specifických materiálů pochází z oblasti větrných turbín. Zde se vyskytuje podpovrchové poškození ložisek bíle naleptanými trhlinami WEC (obr. 3). Na vyleštěném řezu materiálem jsou dobře patrné bílé struktury křehkého feritu, které se vytvářejí změnami mikrostruktury oceli. Materiál s takto změněnou strukturou už není schopen odolávat velkým zatížením. Vytváření a šíření WEC vede k povrchovým vadám, jako jsou pitting nebo bílé strukturální vydrolování (WSF – White Structure Flaking).

Vědci nebyli nikdy schopni plně vysvětlit příčiny vzniku WEC. V současné době se má za to, že jev způsobuje vzájemné působení komponent v sestavě uložení. To zahrnuje dynamické účinky, smíšené tření, vliv elektrických nábojů a proudů, chemické vlivy, kluzný pohyb v ložisku a difuzi vodíku.

Díky úspěšné replikaci jevu WEC v laboratoři se následně firmě NSK podařilo vyvinout protiopatření, která zahrnují leštění martenzitických ložiskových ocelí do zrcadlového lesku a zároveň vývoj nových specifických materiálů (obr. 4). Ukazuje se, že následné leštění oceli výrazně oddaluje výskyt poškození WEC.

Další účinnou metodou, jak omezit pravděpodobnost vzniku WEC, je použití ložiskových kroužků z oceli Tough Steel od NSK. Při použití této kombinace materiálu a vhodné povrchové úpravy vzroste přípustné dynamické zatížení typicky o 23 %, což u valivých ložisek znamená zdvojnásobení únavové životnosti.

Při použití ložisek z materiálu STF (obr. 5) je výrazně omezeno opotřebení povrchu způsobené špatným mazáním nebo znečištěným mazivem a současně je oddáleno potenciální poškození trhlinami WEC. Sada zkoušek NSK ukázala, že se doba do počátku vzniku poškození zdvojnásobila.

Další výhodnou strategií je použít ložiskové kroužky ze speciálního materiálu Anti-White Structure-Tough (AWS-TF), který společnost NSK vyvinula právě s ohledem na omezení poškození WEC. V obsáhlé sérii zkoušek byla měřena trvanlivost valivých ložisek z konvenční oceli až do okamžiku, kdy bylo detekováno poškození WEC. Poté byly stejné zkoušky zopakovány s ložisky z AWS-TF. Po zkoušce osmkrát delší než u ložisek z konvenční oceli nebyly v materiálu detekovány žádné oblasti bíle naleptaných trhlin (WEA – White Etching Area).

NSK nevyvíjí pouze ocelové materiály. Pro přesně cílené zlepšení vlastností klecí se zkoušejí i plastové materiály a neželezné kovy, například mosaz. Stále větší roli dále hrají také keramické materiály a povlaky (obr. 6), zvláště je-li třeba upravit elektrickou vodivost ložisek a zvýšit jejich odolnost proti opotřebení. Proto společnost NSK nedávno představila nový keramický materiál HDY2 s optimalizovanou elektrickou a tepelnou vodivostí.

Další oblastí, na niž se soustředí pozornost techniků NSK, je vývoj materiálů používaných jako maziva. Zvláštní oblastí kompetence výzkumného a vývojového oddělení NSK je kromě materiálového výzkumu tedy také tribologie.

NSK Europe

nawrocka-a@nsk.com

www.nskeurope.cz