In de aandrijvingssystemen van moderne industriële apparatuur en hogesnelheidstreinen moeten lagers stabiel werken onder omstandigheden van hoge snelheid, hoge belasting en continue thermische cyclus.Dit geldt met name voor tractiemotoren in spoorwegvoertuigen.Deze lagers worden onderworpen aan langdurige blootstelling aan wrijvingswarmte en externe warmtebronnen.waardoor ze zeer gevoelig zijn voor thermische vermoeidheid, wat kan leiden tot problemen zoals schillen, hardheidsdegradatie en structurele instabiliteit. 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.

Het belangrijkste mechanisme van invloed van de hoge temperatuurwarmtecyclus op lagerstaal

In een omgeving met hoge temperaturen veroorzaakt het herhaaldelijk verwarmen en koelen van het loopvlak van het lager een concentratie van thermische spanningen.Deze thermische spanningen in combinatie met rollende contactspanning zijn de belangrijke inductoren die de vroege vermoeidheid scheur van het lager bevorderenHet specifieke mechanisme is als volgt:

thermische spanning afwisselende belasting: de temperatuurgradiënt produceert herhaaldelijk trek- en drukcyclische spanning tussen het oppervlak en de kern;

Verandering van de materiaalstructuur: martensiteverharding, hardheid van het carbide en herverdeling in staal leiden tot een afname van de hardheid;

Onstabiliteit van de smeermoment: bij hoge temperatuur wordt de stabiliteit van de oliefilm aangetast, de wrijving van het contactoppervlak neemt toe, het microverwellen wordt sterker;

Oxidatie-geïnduceerde spalling: de breuk van de hoge temperatuur oxidatie laag vormt oxide puin, wat de verspreiding van vermoeidheid scheur versnelt.

Typische storingsmodusanalyse: spalling door thermische vermoeidheid en hardheidsregressie

In praktische toepassingen zijn de meest voorkomende storingsmodussen van hogetemperatuurlagers:

"Laser" (Laser): een "Laser" met een vermogen van meer dan 50 W;

De hardheid van het oppervlak wordt afgebroken: na verloop van tijd neemt de hardheid van het oppervlak geleidelijk af van meer dan 60 HRC tot 55 HRC of zelfs lager, waardoor de contactvermoeidheidssterkte afneemt;

Kettingontwikkeling van de scheurbron: microkraakjes worden geleidelijk verbonden door de werking van de thermische cyclus om zich te vormen door schillen;

Netwerkcarbideval: de karbiden in staal worden opnieuw gewonnen en groeien, waardoor een verhardingszone aan de korrelgrens wordt gevormd, die het voorkeurspad van scheur wordt.

De evolutiekarakteristieken van de structuur van lagerstaal bij hoge temperatuur

Momenteel zijn de belangrijkste hogetemperatuurlagers AISI M50, M50NiL, JIS SUJ2 (gemodificeerd), Cr4Mo4V, enz.die onder thermische vermoeidheid de volgende microstructurele evolutie vertonen::

De geharde martensite wordt omgezet in geharde sorbit of re-austenite en de hardheid neemt af;

De hardheid van het carbide en de aggregatie verminderen de uniformiteit van de structuur en er kunnen gemakkelijk vermoeidheidspraken optreden;

De korrel is ruw en het fijnkristalversterkende effect wordt verloren, wat resulteert in een verkorte contactvermoeidheidsduur;

De rest austenite verdwijnt of de onstabiele transformatie vindt plaats, wat resulteert in:Volumeverandering en scheuren zijn gemakkelijk.

Normen voor materiaalprestaties in thermische vermoeidheidsomgevingen

Hoogtemperatuurlagerstaal moet meestal voldoen aan de volgende normen of testparameters:

GB/T 18254 "Hoog koolstofchroomhoudend staal": basisprestatienorm voor staal;

AMS 6491 (M50) en AMS 6278 (M50NiL): eisen inzake warmtebehandeling en prestaties voor luchtvaartlagerstaal;

ISO 683-17: Algemene norm voor warmtebehandeld legeringsstaal voor rolllagers;

Hardheidsbehoudend vermogen: bij een temperatuur van 150°C tot 300°C blijft de hardheid ten minste 58HRC.

thermische scheurweerstand: de drempel van scheurverspreiding ΔK is gelijk aan of groter dan 15 MPa√m;

Richting van fijnsturing van legeringen: optimalisatie van het ontwerp voor thermische vermoeidheid

Voor het door thermische vermoeidheid veroorzaakte storingsmechanisme kunnen de samenstelling van de legering en de warmtebehandeling worden afgestemd op de volgende aspecten:

Toevoegen van molybdeen (Mo) en vanadium (V): verfijnen van het carbide, verbeteren van de hardheid bij hoge temperaturen en hitte kraakbestandheid; toevoegen van nikkel (Ni): stabiliseren van rest austenite,verbetering van de slagsterkte en de dimensionale stabiliteit bij thermische behandeling;

Optimaliseer het C-gehalte met 0,25% tot 0,35%: controleer het aantal en de morfologie van de carbiden, verminder de broosheid van de korrelgrens;

Temperatuurcontrole-tempering: secundaire tempering (540-560°C) om de temperingsstabiliteit te verbeteren en de hardheidsafbraak te remmen;

Ontwikkeling van zeldzame aardstaal: verbetering van de morfologie van de insluitsels, verbetering van de kleefkracht en vermindering van de bron van spalling.

Nieuwe materiaaltrend en engineering case referentie

Sommige high-end toepassingen hebben de volgende nieuwe hoge temperatuur lager staal:

M62 (Cr-Mo-V-Ni-serie): wordt gebruikt voor het hoofdlagersysteem van luchtvaartmotoren, met uitstekende thermische scheurbestandheid;

Cronidur 30 (martensitisch staal van stikstoflegering): corrosiebestendig, warmtetemperingsbestendig, kan worden gebruikt in hogesnelheidsmotoren;

Hybride keramisch-hybride lagerstaal: gecombineerd met Si3N4-rollers om wrijvingsverwarming te verminderen en het vermogen om de temperatuur te beperken te verbeteren.

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.

De betrouwbaarheid van het lager is uitgebreid van de materialen

Thermische vermoeidheid is een kritieke knelpunt geworden die de levensduur van hogetemperatuurlagers beperkt, voornamelijk als gevolg van de onstabiele reactie van materiaalmicrostructuren op thermische cycli.Door het diepgaand begrijpen van de mechanismen van thermische vermoeidheid mislukking en nauwkeurig optimaliseren van de legering elementenIn de eerste plaats is het mogelijk om een langere levensduur en een hogere betrouwbaarheid in hoge temperatuuromgevingen te bereiken.In toepassingen met hoge hitte, zoals hogesnelheidstreinen, metallurgische apparatuur en windturbinespindels, alleen door thermische, mechanische,en materiële factoren in een uitgebreid ontwerp kan een robuuste 'beschermingsmuur' voor hoge temperatuur lager prestaties echt worden vastgesteld.