Používanie ložiskových ocelí a povrchových úprav špecifických pre dané použitie umožňuje významne zvýšiť spoľahlivosť ložísk, čo zase prispieva k zníženiu TCO strojov a zariadení (celkové náklady na vlastníctvo).
Pri vysokovýkonných ložiskách zohráva pri ich vývoji ústrednú úlohu výber a optimalizácia (oceľových) materiálov. Z tohto dôvodu je materiálové inžinierstvo jednou zo štyroch hlavných technológií výskumu a vývoja v NSK.
Na vývoj ocele Super Tough spoločnosti NSK bola použitá kombinácia špeciálnej zliatiny a špecifického tepelného spracovania
Čistota materiálu
Únavová životnosť legovaných ložiskových ocelí, ako je napríklad 100 Cr6 (alebo japonská norma SUJ2), závisí predovšetkým od obsahu inklúzií. Najmä oxidové alebo nekovové inklúzie podporujú negatívne účinky pod povrchom obežnej dráhy. Ako príklad je známe, že inklúzie oxidu hlinitého, ktoré sa vytvárajú procesom oxidácie počas tavenia, môžu viesť k významnému zníženiu životnosti ložísk ložiska. Tento efekt sa vytvára, pretože inklúzie oxidu hlinitého sú pomerne tvrdé a môžu sa rozpadnúť, keď sa spracováva, napríklad počas kovania. Keď dôjde k rozpadu, inklúzie sa zmenšia a oslabia mikroštruktúru.
Guľkové ložiská BNEQARTET sa používajú v pohonoch elektrických strojov, ako sú domáce spotrebiče
V spolupráci s popredným výrobcom ocele spoločnosť NSK vyvinula materiály ako oceľ Z, oceľ EP a BODOVÝ KARTA, aby sa zabránilo tomuto typu negatívnych účinkov. Niektoré z týchto materiálov sa vyrábajú špeciálnymi procesmi tavenia, ktoré znižujú obsah nekovov a predlžujú únavovú životnosť.
Aplikačne špecifické tepelné ošetrenie
Ďalším parametrom, ktorý ovplyvňuje špecifické vlastnosti ocelí a následne ovplyvňuje aj ložiská, je tepelné spracovanie. To je dôvod, prečo sú materiály ako oceľ SHX spoločnosti NSK podrobené špeciálnemu spracovaniu, ktoré je obzvlášť odolné voči opotrebovaniu pri vysokých prevádzkových teplotách. Ložiská tohto typu sa nevyžadujú iba tam, kde je teplo neoddeliteľnou súčasťou procesu, ale aj v aplikáciách, ako sú napríklad obrábacie stroje, kde vysoké otáčky vretena vytvárajú vysoké teploty v komponentoch pohonu.
Počas vývoja boli vlastnosti ocele SHX preukázané komplexnými testami odolnosti proti opotrebeniu vrátane testov so štyrmi guľkami a valčekmi, ako aj testami životnosti materiálu a povrchu.
Typický vzor poškodenia: Biele leptané oblasti pod povrchom materiálu
Rozdiel je v zliatine
Tretím parametrom v úsilí o väčšiu spoľahlivosť ložiska je zliatina. Zliatiny môžu zabrániť alebo aspoň minimalizovať tvorbu trhlín v nosnej mikroštruktúre. Spoločnosť NSK pre tento aplikačný profil opäť v spolupráci s výrobcami ocele vyvinula rôzne špeciálne zliatiny.
Leštené štvorradové valčekové ložiská používané ako integrované planetové ložiská vo veterných turbínach
Materiály, ako je oceľ NSK Super Tough, pochádzajú z kombinácie optimálneho tepelného spracovania so špeciálnou zliatinou (Image1). Napríklad kalenie ocelí pomocou procesu, ako je napríklad karbonitridácia, zvyšuje životnosť dvakrát, v porovnaní s odhadovanou životnosťou za znečistených podmienok mazania. V prostrediach, kde má mazivo bežné nečistoty, sa životnosť ložiska môže dokonca zvýšiť o faktor 10. Dôvodom tohto zlepšeného výkonu je to, že sa výrazne zníži povrchové opotrebenie spôsobené nedostatočným mazaním alebo znečistením maziva. Akékoľvek potenciálne poškodenie spôsobené „prasklinami bieleho leptania“ (WEC) sa zase oneskorí.
Príklad 1
Vývoj nových materiálov je zvyčajne reakciou na priemyselné trendy alebo zmeny v požiadavkách na aplikáciu. To bol prípad technológie BNEQUARTET, ktorú spoločnosť NSK prvýkrát predstavila pred dvoma rokmi (Image2). BNEQUARTET bol pôvodne vytvorený ako reakcia na neustály nárast veľkosti pracích strojov. Guličkové ložiská s hlbokými drážkami sa vo veľkej miere nachádzajú v práčkach s predným plnením v celej Európe a sú vystavené nerovnomernému a asymetrickému zaťaženiu. So zväčšujúcou sa veľkosťou bubna kladú vyššie náplne bielizne ešte väčšie požiadavky na ložiská.
Výhody Super-TF pri prevádzke so znečisteným mazivom
V reakcii na to sa odborníci na materiály NSK zamerali na zlepšenie zloženia zliatiny špeciálnej ocele, ktoré zabraňuje tvorbe trhlín a vrúbkovania v obežných dráhach a čo je najdôležitejšie, bráni ich šíreniu. Okrem toho je táto konkrétna oceľ obzvlášť čistá. Súbor opatrení použitých v technológii BNEQARTET viedol k zdvojnásobeniu životnosti ložísk pri vysokom zaťažení a za nepriaznivých environmentálnych podmienok.
Príklad 2
Ďalším príkladom vývoja materiálov zameraných na aplikácie je technológia veterných turbín. Tu môže dôjsť k poškodeniu ložísk vo forme WEC pod povrchom materiálu (obrázok 3). Tieto biele štruktúry krehkého feritu, ktoré sú tvorené zmenami v mikroštruktúre, možno pozorovať v leptaných a leštených prierezoch materiálu. Zmenené štruktúry už nie sú schopné vydržať vysoké zaťaženie, ktoré sa aplikuje. Tvoria a rozširujú sa WEC, ktoré vedú k povrchovým chybám, ako sú jamky alebo WSF (odlupovanie bielej štruktúry).
Keramické komponenty a povlaky na ložiská sú ďalšou oblasťou výskumu v NSK
Vedci nikdy nedokázali úplne vysvetliť dôvody WEC. Súčasné myslenie predpokladá, že podmienky sú spôsobené účinkami interakcie komponentov v pohonnej jednotke. Patria sem dynamika, zmiešané trenie, elektrické náboje / prúdy, chemické faktory, kĺzavé / posuvné pohyby a difúzia vodíka.
Vypracovanie protiopatrení
Vďaka úspechu v replikácii WEC v laboratóriu bola spoločnosť NSK následne schopná vyvinúť protiopatrenia, ktoré zahŕňajú leštenie martenziticky kalených ložiskových ocelí spolu s ďalšími špecifickými materiálmi (Image4). Ukázalo sa, že tento ďalší proces významne oddiali výskyt poškodenia WEC.
Ďalšou účinnou metódou znižovania pravdepodobnosti poškodenia WEC je použitie ložiskových krúžkov z tvrdej ocele NSK. Použitím tejto kombinácie materiálu a povrchovej úpravy je možné dynamicky zvýšiť únosnosť o 23%, čo vo valivých ložiskách zodpovedá zdvojnásobeniu únavovej životnosti.
Znižovanie poškodenia WEC
Pokiaľ ide o povrchové opotrebenie spôsobené zlým mazaním alebo znečisteným mazivom, je to pri použití ložísk STF (Obrázok 5) výrazne znížené, zatiaľ čo potenciálne poškodenie WEC je oneskorené. Séria testov NSK ukázala, že čas pred nástupom poškodenia sa zdvojnásobil.
Ďalšou výhodnou stratégiou je použitie ložiskových krúžkov vyrobených z patentovaného materiálu NSK „Anti-White Structure-Tough“ (AWS-TF), ktorý bol vyvinutý špeciálne na zabránenie poškodenia WEC. V rozsiahlej sérii testov sa merala životnosť bežných oceľových ložiskových krúžkov až do okamihu, keď bolo zistené poškodenie WEC. Potom sa testovacia séria opakovala s AWS-TF. Po osemkrát vyššej životnosti ako bežné oceľové ložiskové krúžky neboli v materiáli zistené žiadne WEA (biele leptané oblasti).
Plasty a keramika
Vývoj materiálov v spoločnosti NSK sa netýka iba ocele. Plasty a tiež neželezné kovy, napríklad mosadz, sa tiež testujú, aby sa dosiahlo presne cielené zlepšenie charakteristík klietok. Keramika a keramické povlaky (Obrázok 6) navyše zohrávajú čoraz dôležitejšiu úlohu, keď je potrebné upraviť vlastnosti elektrickej vodivosti. ložísk a ich odolnosť proti opotrebovaniu. V tejto oblasti spoločnosť NSK nedávno predstavila keramický vývoj s názvom HDY2, ktorý sa vyznačuje optimalizovanými charakteristikami izolácie a tepelnej vodivosti.
A nakoniec ďalšia oblasť zamerania na vývoj materiálov sa týka mazív. Tribology je popri materiálovej technológii samostatnou základnou kompetenciou v organizácii pre výskum a vývoj NSK.