Koja su glavna ograničenja izvedbe ležajeva od nehrđajućeg čelika u primjenama s velikim opterećenjem ili velikom brzinom

Ležajevi od nehrđajućeg čelika naširoko se koriste u specijaliziranim primjenama kao što su obrada hrane, medicinska oprema i pomorsko inženjerstvo zbog svoje izvrsne otpornosti na koroziju. Međutim, kada se koriste pod ekstremnim opterećenjima ili velikim brzinama, inherentna svojstva materijala ležajeva od nehrđajućeg čelika, posebno martenzitnog nehrđajućeg čelika AISI 440C, ograničavaju njihovu izvedbu.

I. Ograničenja u primjenama s velikim opterećenjem: zamor i lomljivost

1. Nosivost i vijek trajanja od zamora kontakta

Iako ležajevi od nehrđajućeg čelika AISI 440C mogu postići visoku tvrdoću (obično 58-60 HRC) toplinskom obradom, nudeći izvrsnu otpornost na habanje, oni još uvijek zaostaju za standardnim čelicima za ležaje s visokim udjelom ugljika (kao što je GCr15/52100) u pogledu osnovnih performansi.

Dinamička nosivost: Dinamička nosivost čelika 440C općenito je niža od one od čelika 52100. To je prvenstveno zbog visokog sadržaja kroma u čeliku 440C, koji stvara veliki broj karbida. Te čestice karbida, raspoređene u matrici, mogu postati izvori pukotina u područjima koncentracije naprezanja, utječući na unutarnju čistoću i ujednačenost čelika.

Čvrstoća na kontaktni zamor: U uvjetima visokog opterećenja, klizne staze ležaja podvrgnute su ekstremno visokim Hertzovim naprezanjima. Kada je podvrgnut opetovanim visokim kontaktnim naprezanjima, vijek trajanja čelika 440C od zamora kotrljajućim kontaktom je inferioran u odnosu na čelik 52100. To znači da je pod istim uvjetima opterećenja očekivani vijek trajanja (L10) ležaja 440C značajno skraćen.

2. Žilavost i otpornost na udarce

440C je tipičan martenzitni nehrđajući čelik. Njegova visoka tvrdoća dolazi nauštrb žilavosti.

Sklonost lomljivosti: Zbog visokog sadržaja ugljika, 440C ima relativno lomljivu strukturu nakon stvrdnjavanja. U primjenama s udarnim opterećenjima ili jakim vibracijama, ovaj je materijal osjetljiviji na krhke lomove ili pucanje staze, osobito u područjima koncentracije naprezanja.

Otpornost na udubljenje: Usprkos svojoj visokoj tvrdoći, 440C možda neće biti otporan na slanjenje kao posebno tretirani legirani čelici kada je izložen iznenadnim statičkim ili udarnim opterećenjima, što utječe na njegovu geometrijsku točnost pod velikim opterećenjima.

II. Izazovi performansi u aplikacijama velike brzine: porast temperature i dimenzionalna stabilnost

1. Rasipanje topline i ograničenja radne temperature

Tijekom rada pri velikoj brzini, trenje unutar ležaja stvara značajnu količinu topline. Nehrđajući čelik predstavlja sljedeće termodinamičke izazove:

Toplinska vodljivost: Nehrđajući čelik, posebno 440C, obično ima nižu toplinsku vodljivost od običnog čelika za ležajeve. Ova niža toplinska vodljivost otežava brzo raspršivanje topline koja se stvara unutar ležaja, što dovodi do brzog nakupljanja porasta temperature.

Učinak kaljenja: Kada radna temperatura ležaja prijeđe gornju temperaturu kaljenja od 440C (obično ispod 200°C), dolazi do sekundarnog omekšavanja, uzrokujući smanjenje tvrdoće materijala, značajno smanjujući njegovu otpornost na trošenje i nosivost. Toplina koju stvaraju velike brzine može lako izazvati ovu vrstu toplinskog kvara.

2. Upravljanje podmazivanjem i karakteristike trenja

Velike brzine postavljaju izuzetno visoke zahtjeve za podmazivanje, a karakteristike ležajeva od nehrđajućeg čelika čine upravljanje podmazivanjem još složenijim.

Trenje klizanja: Pri velikim brzinama se pojačava trenje klizanja između kuglica i trkaćih staza, te između kuglica i kaveza/držača. Neadekvatno podmazivanje ili neodgovarajući odabir maziva može uzrokovati ozbiljno trošenje ljepila na površini od nehrđajućeg čelika.

Zazor ležaja: Zbog razlike u koeficijentu linearne toplinske ekspanzije (CTE) od 440C u usporedbi s običnim čelikom za ležajeve, zajedno s učinkom porasta temperature, unutarnji zazor ležajeva koji rade pri velikim brzinama može nepredvidivo fluktuirati, što dovodi do gubitka kontrole predopterećenja ili povećanog trenja, dodatno ograničavajući graničnu brzinu.

3. Sveobuhvatna ograničenja u složenim okruženjima

Ležajevi od nehrđajućeg čelika često se koriste u korozivnim sredinama. U složenim radnim uvjetima velikih opterećenja, velikih brzina i prisutnosti korozije, svojstva materijala dodatno se pogoršavaju.

Sinergija zamora od korozije: Korozivni mediji ubrzavaju piting na površini staze. Ta mjesta korozije postaju izvori koncentracije naprezanja. Pod opetovanim velikim opterećenjima, lako mogu izazvati zamor od korozije, što dovodi do preranog kvara ležaja.

Ograničenja klasa koje nisu 440C: Austenitni nehrđajući čelici (kao što su 304 i 316), koji su otporniji na koroziju, ali imaju manju tvrdoću i čvrstoću, imaju kapacitet nosivosti i radne brzine daleko niže od klasa 440C pod uvjetima visokog opterećenja ili velike brzine. Općenito su prikladni samo za niske brzine, mala opterećenja i izrazito korozivna okruženja i nisu prikladni za aplikacije s velikim opterećenjem ili velikom brzinom.