В силовых системах современного промышленного оборудования и высокоскоростных поездов подшипники должны стабильно работать в условиях высокой скорости, высокой нагрузки и непрерывного теплового цикла.Это особенно верно для тяговых двигателей железнодорожных транспортных средств.Эти подшипники подвергаются длительному воздействию тепла трения и внешних источников тепла.что делает их очень восприимчивыми к тепловой усталости, что может привести к проблемам, таким как очистка, деградация твердости и структурная нестабильность. understanding the thermal fatigue failure mechanisms of high-temperature bearing steels and optimizing these mechanisms through alloy design is crucial for enhancing the reliability of high-temperature bearings.

Основной механизм воздействия высокотемпературного теплового цикла на подшипную сталь

В условиях высокой температуры повторный процесс нагрева и охлаждения поверхности проезжей части подшипника приводит к концентрации теплового напряжения.Эти тепловые напряжения в сочетании с контактным напряжением проката являются важными индукторами, которые способствуют ранней усталости трещины подшипникаСпецифический механизм таков:

Тепловое напряжение с переменной нагрузкой: температурный градиент создает повторяющиеся циклические напряжения натяжения и сжатия между поверхностью и ядром;

Изменение структуры материала: закаливание мартенсита, грубость карбида и перераспределение в стали приводят к снижению твердости;

Нестабильность смазочной пленки: высокая температура разрушает стабильность масляной пленки, увеличивается трение поверхности контакта, усиливается микросварка;

Окислительное разделение: разрыв высокотемпературного окислительного слоя образует окислительные остатки, что ускоряет распространение трещин усталости.

Анализ типичного режима отказа: расщепление тепловой усталостью и регрессия твердости

В практическом применении наиболее распространенные способы отказа высокотемпературных подшипников включают:

Окрашивание поверхности прокатки (Spalling): в основном вызвано тепловой усталостью, с темно-серой мелкой, похожей на яму, окрашиванием, глубина 1 ~ 3 мкм;

Деградация твердости поверхности: с течением времени твердость поверхности постепенно уменьшается с более чем 60 HRC до 55 HRC или даже ниже, теряя прочность при контакте;

Сетевое развитие источника трещин: микротрещины постепенно соединяются под действием теплового цикла и образуются путем очистки;

Сетевое осаждение карбидов: карбиды в стали вновь добываются и растут, образуя зону отверждения на границе зерна, которая становится предпочтительным путем трещин.

Эволюционные характеристики конструкции подшипниковой стали при высоких температурах

В настоящее время основные высокотемпературные подшипники включают AISI M50, M50NiL, JIS SUJ2 (модифицированный), Cr4Mo4V и т. д.которые демонстрируют следующую эволюцию микроструктуры в условиях тепловой усталости:

Температурный мартензит превращается в температурный сорбит или реаустенит, и твердость уменьшается;

Карбидное грубость и агрегация уменьшают однородность структуры, а трещины усталости легко возникают;

Зерно грубое, и эффект укрепления тонких кристаллов теряется, что приводит к сокращению срока службы при контакте с усталостью;

Остаточный аустенит исчезает или происходит нестабильное преобразование, в результате чегоИзменение объема и трещины легко возникают.

Стандарты характеристик материалов в условиях тепловой усталости

Сталь с высокотемпературным подшипником обычно должна соответствовать следующим стандартам или параметрам испытаний:

GB/T 18254 "Сталь с высоким содержанием углерода и хрома": базовый стандарт характеристик стали;

AMS 6491 (M50) и AMS 6278 (M50NiL): требования к тепловой обработке и производительности для авиационной подшипниковой стали;

ISO 683-17: Общий стандарт тепловой обработки легированной стали для прокатных подшипников;

Устойчивость к твердости: при температуре от 150 до 300 °C твердость сохраняется не менее 58 HRC;

Терморезистентность к трещинам: порог распространения трещин ΔK равен или больше 15 MPa√m;

Направление тонкой настройки сплава: оптимизация конструкции для тепловой усталости

Для механизма отказа, вызванного тепловой усталостью, состав сплава и термическая обработка могут быть отрегулированы из следующих аспектов:

Добавление молибдена (Mo) и ванадия (V): очистка карбида, повышение высокотемпературной твердости и устойчивости к тепловым трещинам; Добавление никеля (Ni): стабилизация остаточного аустенита,улучшить прочность при ударе и стабильность измерений при термической обработке;

Оптимизировать содержание С в пределах 0,25% ~ 0,35%: контролировать количество и морфологию карбидов, уменьшать хрупкость границ зерна;

Терморегулируемая обработка: вторичная терморегулировка (540-560°C) для повышения стабильности терморегулирования и предотвращения деградации твердости;

Разработка редкоземельной стали: улучшение морфологии инклюзий, улучшение сцепления масштаба и сокращение источника расщепления.

Новые тенденции в области материалов и ссылки на инженерные случаи

Некоторые высококачественные приложения приняли следующую новую высокотемпературную подшипную сталь:

M62 (серия Cr-Mo-V-Ni): используется для основного подшипника авиационного двигателя, с отличной терморезистентностью к трещинам;

Кронидур 30 (мартенситная сталь из азота): коррозионно-стойкая, термотермирующая, может использоваться в скоростных двигателях;

Гибридная керамическая гибридная подшипниковая сталь: в сочетании с Si3N4 роликами для уменьшения нагрева при трении и улучшения способности ограничивать температуру.

Actual cases show that the gear box bearing with M50NiL steel and oil mist lubrication system can still maintain its complete structure without signs of spalling or cracking after running on the rail train for more than 2 million kilometers.

Надежность подшипника распространяется от материала

Тепловая усталость стала критическим узким горлом, ограничивающим срок службы высокотемпературных подшипников, в первую очередь из-за нестабильной реакции микроструктур материала на тепловые циклы.Глубокое понимание механизмов термоутомления и точная оптимизация элементов сплава, параметры тепловой обработки и контроль микроструктуры, возможно достижение более длительного срока службы подшипника и более высокой надежности в условиях высокой температуры.В высокотемпературных приложениях, таких как высокоскоростные поезда, металлургическое оборудование и шпиндели ветровых турбин, только путем интеграции тепловых, механических,и материальных факторов в комплексной конструкции может быть действительно установлен прочный "защитная стена" для высокотемпературной производительности подшипника.