01.02.2018

Materiały do produkcji łożysk kluczem do zwiększonej niezawodności

Przekłada się na zmniejszenie całkowitego kosztu posiadania (TCO) maszyn i wyposażenia.

W przypadku łożysk o wysokiej wydajności wybór i optymalizacja materiałów (przede wszystkim stalowych) odgrywają główną rolę w procesie ich konstrukcji. Z tego powodu inżynieria materiałowa jest jedną z czterech kluczowych technologii badawczo-rozwojowych w firmie NSK.

Czystość materiału

Trwałość zmęczeniowa stopowych stali łożyskowych, takich jak 100 Cr6 (lub SUJ2 w przypadku standardów japońskich), zależy głównie od zawartości wtrąceń. Wtrącenia tlenkowe lub niemetaliczne szczególnie sprzyjają powstawaniu negatywnych efektów w podpowierzchniowej strukturze bieżni łożysk. Przykładowo znany jest fakt, iż wtrącenia tlenku glinu powstające w procesie utleniania podczas wytopu stali mogą prowadzić do znacznego zmniejszenia trwałości zmęczeniowej łożyska. Efekt ten powstaje, ponieważ wtrącenia tlenku glinu są relatywnie twarde i mogą się kruszyć podczas procesu przeróbki stali, takiego jak np. kucie. Gdy dojdzie do wykruszenia, wtrącenia kurczą się i osłabiają mikrostrukturę łożyska.

W celu zapobiegania tego typu negatywnym efektom firma NSK opracowała w ramach partnerstwa z wiodącym producentem stali materiały takie jak stal Z, stal EP oraz BNEQUARTET. Niektóre z tych materiałów są produkowane z wykorzystaniem specjalnego procesu wytopu, który zmniejsza zawartość wtrąceń niemetalicznych i zwiększa trwałość zmęczeniową.

Specjalna obróbka cieplna

Obróbka cieplna to kolejny parametr, który wpływa na specyfikę charakterystyki stali i - w konsekwencji - również na łożysko. Z tego powodu materiały, takie jak stal SHX NSK są poddawane specjalnej obróbce cieplnej, dzięki czemu materiał jest szczególnie odporny na zużycie w wysokich temperaturach pracy.

Łożyska tego typu są wymagane nie tylko tam, gdzie ciepło występuje jako nieodłączna część procesu, ale także w aplikacjach, takich jak obrabiarki, gdzie duże prędkości wrzecion generują wysokie temperatury komponentów napędowych.

W trakcie prac rozwojowych charakterystyka stali SHX została potwierdzona poprzez wszechstronne testy odporności na zużycie, obejmujące m.in. testy przy użyciu aparatu czterokulowego i rolek, jak również testy trwałości zmęczeniowej materiału oraz powierzchni.

Stopy stanowią o różnicy jakościowej

Trzecim parametrem istotnym dla uzyskania większej niezawodności łożysk jest odpowiedni stop stali. Właściwie dobrane stopy mogą zapobiegać powstawaniu pęknięć w mikrostrukturze łożyska lub są w stanie przynajmniej je zminimalizować. Ponownie we współpracy z producentami stali firma NSK opracowała różne, specjalne stopy dla tego profilu aplikacji.

Materiały takie jak stal Super-Tough NSK zawdzięczają swoje właściwości połączeniu optymalnej obróbki cieplnej z doborem specjalnego stopu. Przykładowo, utwardzanie stali przy użyciu procesów takich jak azotonawęglanie zwiększa dwukrotnie okres użytkowania w porównaniu do szacowanego okresu eksploatacji w warunkach zanieczyszczonego środka smarnego.

W środowiskach, gdzie środek smarny ma normalny poziom zanieczyszczeń, okres użytkowania łożyska może być zwiększony o czynnik 10. Poprawiona wydajność jest związana z faktem, iż zużycie powierzchniowe powodowane przez niedostateczne smarowanie lub zanieczyszczenie środka smarnego zostało znacznie zredukowane. To z kolei sprawia, że wystąpienie wszelkich potencjalnych uszkodzeń powodowanych przez tzw.: «białe wytrawione pęknięcia» (ang. WEC, white etching cracks) jest opóźnione.

Przykład 1

Opracowanie nowych materiałów zwykle stanowi odpowiedź na trendy przemysłowe lub zmiany w wymaganiach aplikacji. Taka sytuacja miała miejsce w przypadku technologii BNEQUARTET, którą firma NSK po raz pierwszy wprowadziła dwa lata temu. Rozwiązanie BNEQUARTET zostało początkowo opracowane w odpowiedzi na stały wzrost wielkości bębnów pralek. Łożyska kulkowe poprzeczne, szeroko stosowane na rynku europejskim w pralkach ładowanych od przodu, są wystawione na działanie niewyważonych i asymetrycznych obciążeń. Wzrost wielkości bębnów generuje wyższe obciążenia podczas prania, co nakłada jeszcze większe wymagania w stosunku do jakości łożysk.

W odpowiedzi na to wyzwanie eksperci materiałoznawstwa firmy NSK rozpoczęli prace nad poprawą składu stopowego stali specjalnej, która będzie zapobiegać powstawaniu pęknięć i wgłębień na bieżniach i, co najważniejsze, zahamuje ich propagację. Dodatkowo, ta konkretna stal jest wyjątkowo czysta. Cały zestaw środków zastosowany w technologii BNEQARTET poskutkował podwojeniem okresu eksploatacji łożyska przy wysokich obciążeniach i w niekorzystnych warunkach pracy.

Przykład 2

Inny przykład opracowania materiałów pod kątem specyfiki aplikacji pochodzi z zakresu technologii turbin wiatrowych. Tam uszkodzenia łożysk w postaci WEC zachodzą poniżej powierzchni materiału. Te białe struktury kruchego ferrytu, które powstają na skutek zmian w mikrostrukturze, można obserwować na wytrawionych i wypolerowanych przekrojach materiału. Zmienione obszary nie są w stanie dłużej przeciwstawiać się wysokim obciążeniom, których doświadczają. Dochodzi do powstawania i propagacji WEC, co prowadzi do uszkodzeń powierzchni, takich jak wżery lub łuszczenie się białej struktury (WSF, white structure flaking).

Naukowcy nigdy nie byli w stanie w pełni wyjaśnić przyczyn powstawania struktur WEC. Obecnie uważa się, że zjawisko to zachodzi na skutek efektu interakcji komponentów w obrębie układu napędowego. Obejmują one dynamikę układu, tarcie mieszane, ładunki elektryczne/prądy, czynniki chemiczne, ruchy poślizgowe/przesuwne oraz dyfuzję wodoru.

Rozwój środków zaradczych

Dzięki możliwości odtworzenia zjawiska WEC w laboratorium, firma NSK w następnym etapie była w stanie opracować środki zaradcze obejmujące nagniatanie hartowanych martenzytycznie stali łożyskowych, jak i innych materiałów specjalnych. Wykazano, że ten dodatkowy proces znacząco opóźnia wystąpienie uszkodzeń typu WEC.

Kolejną skuteczną metodą zmniejszenia prawdopodobieństwa wystąpienia uszkodzeń WEC jest wykorzystanie pierścieni łożyskowych NSK wykonanych ze stali Tough Steel. Zastosowanie tego typu kombinacji materiału i obróbki powierzchni umożliwia poprawę wartości obciążenia dynamicznego średnio o 23%, co w przypadku łożysk tocznych odpowiada podwojeniu okresu trwałości zmęczeniowej.

Ograniczenie uszkodzeń typu WEC

Dzięki zastosowaniu łożysk STF zużycie powierzchniowe spowodowane niedostatecznym smarowaniem lub zanieczyszczonym środkiem smarnym zostało znacząco zredukowane, a jednocześnie wystąpienie potencjalnych uszkodzeń typu WEC zostało opóźnione. Seria testów NSK wykazała, że okres przed wystąpieniem uszkodzeń został podwojony.

Inną skuteczną strategię stanowi zastosowanie pierścieni łożyskowych wykonanych z zastrzeżonego materiału NSK «Anti-White Structure-Tough" (AWS-TF), opracowanego specjalnie w celu zapobiegania uszkodzeniom typu WEC. W obszernej serii testów zmierzono żywotność standardowych stalowych pierścieni łożyskowych aż do momentu wykrycia uszkodzenia WEC. Następnie seria testów została powtórzona z materiałem AWS-TF. Po ośmiokrotnie dłuższym okresie użytkowania w porównaniu do standardowych stalowych pierścieni łożyskowych nie wykryto w materiale tzw. struktur WEA (białych wytrawionych obszarów, ang. white etching areas).

Tworzywa sztuczne i materiały ceramiczne

Prace nad materiałami w firmie NSK nie dotyczą tylko stali. Tworzywa sztuczne oraz metale nieżelazne, takie jak mosiądz, również są testowane w celu wprowadzania precyzyjnie ukierunkowanych ulepszeń charakterystyki koszyków łożysk. Co więcej, materiały i powłoki ceramiczne odgrywają coraz ważniejszą rolę, gdy konieczne jest dostosowanie właściwości łożysk pod kątem ich przewodności elektrycznej i odporności na zużycie.

W tym zakresie firma NSK ostatnio wprowadziła produkt ceramiczny nazwany HDY2, który charakteryzuje się optymalnymi właściwościami izolacyjnymi i przewodnością cieplną.

Osobny obszar zainteresowania w zakresie rozwoju materiałów stanowią smary. Obok technologii materiałów, trybologia to odrębna kluczowa kompetencja w jednostce badawczo-rozwojowej firmy NSK.

O firmie NSK
Założona 100 lat temu firma NSK (Nippon Seiko Kabushiki Kaisha) to notowana na japońskiej giełdzie spółka, która z regionalnego dostawcy łożysk kulkowych rozwinęła się do specjalistycznego producenta łożysk tocznych i dostawcy komponentów dla przemysłu samochodowego o silnej, globalnej pozycji rynkowej. Obecnie NSK zatrudnia ponad 31 500 pracowników w 30 krajach. Według stanu na marzec 2017 r. firma osiągnęła przychody w wysokości 950 mld jenów. Wynik ten osiągnięto poprzez nieustannie wzrastające inwestycje w zakresie badań i rozwoju, co pozwala firmie stale poprawiać jakość swoich produktów i usług. Działania te wspierają ważny cel NSK, jakim jest utrzymanie pozycji Nr 1 w "Total Quality". Oprócz kompletnego asortymentu łożysk tocznych, NSK opracowuje i produkuje komponenty precyzyjne i produkty mechatroniczne, jak również systemy i podzespoły dla przemysłu samochodowego, obejmujące łożyska piast kół i układy kierownicze ze wspomaganiem elektrycznym.

W 1963 r. otwarto w Düsseldorfie (Niemcy) pierwszy w Europie oddział NSK, a w 1976 r. pierwszy europejski zakład produkcyjny w Peterlee (Anglia). Obecnie NSK Europe wspiera paneuropejską sprzedaż dzięki zakładom produkcyjnym w Anglii, Polsce i Niemczech, centrom logistycznym w Holandii, Niemczech i Anglii oraz centrom technologicznym w Niemczech, Anglii i Polsce. W roku 1990 NSK nabyła UPI Group, do której należał znany europejski producent łożysk RHP mający fabrykę w Newark ( Wielka Brytania). Ponadto NSK stworzyła kompleksową sieć autoryzowanych dystrybutorów. NSK Europe jest podzielona na działy biznesowe w oparciu o specjalizacje: EIBU, obejmujący technologie przemysłowych łożysk tocznych oraz technologie liniowe i precyzyjne oraz EABU i ESBU, obejmujące moduły łożyskowe i układy kierownicze ze wspomaganiem dla przemysłu samochodowego. Oddziały NSK Europe zatrudniają 3600 pracowników, osiągając obroty przekraczające 1 miliard euro (stan na marzec 2017 r.). Więcej informacji - zapraszamy do odwiedzenia naszej strony internetowej: www.nskeurope.pl.

Kategorie: Automatyka i mechanika

pozostałe newsy
najpopularniejsze
Redakcja:
Aby uzyskać pełny dostęp do wszystkich
treści w serwisie zaloguj się bądź zarejestruj
Forum Media Polska
FORUM MEDIA POLSKA Sp. z o.o.
ul. Polska 13, 60-595 Poznań
Tel. 061 66 83 116