Στα συστήματα ισχύος των σύγχρονων βιομηχανικών εξοπλισμών και των τρένων υψηλής ταχύτητας, τα ρυμουλκούμενα πρέπει να λειτουργούν σταθερά υπό συνθήκες υψηλής ταχύτητας, υψηλού φορτίου και συνεχούς θερμικού κύκλου.Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τους κινητήρες έλξης στα σιδηροδρομικά οχήματα.Τα ελαστικά αυτά υπόκεινται σε παρατεταμένη έκθεση σε θερμότητα τριβής και σε εξωτερικές θερμικές πηγές.καθιστώντας τα εξαιρετικά ευαίσθητα στην θερμική κόπωση, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα όπως το ξεφλούδισμα, η υποβάθμιση της σκληρότητας και η δομική αστάθεια. 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.

Ο κύριος μηχανισμός επίδρασης του κύκλου θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας στο χαλύβδι

Σε περιβάλλον υψηλών θερμοκρασιών, η επαναλαμβανόμενη διαδικασία θέρμανσης και ψύξης της επιφάνειας της διαδρομής του ρυμουλκούμενου θα παράγει συγκέντρωση θερμικής πίεσης.Αυτές οι θερμικές πιέσεις σε συνδυασμό με την πίεση επαφής κυλίνδρου είναι οι σημαντικοί επαγωγείς που προάγουν την πρώιμη ρήξη κόπωσης του ρουλευτήΟ ειδικός μηχανισμός είναι ο εξής:

Εναλλακτική φόρτιση θερμικής πίεσης: η κλίση θερμοκρασίας παράγει επαναλαμβανόμενες κυκλικές τάσεις έλξης και συμπίεσης μεταξύ της επιφάνειας και του πυρήνα.

Αλλαγή της δομής του υλικού: η θέρμανση του μαρτενσιτού, η τραχύτητα του καρβιδίου και η αναδιανομή στον χάλυβα οδηγούν σε μείωση της σκληρότητας.

αστάθεια του λιπαντικού φιλμ: η υψηλή θερμοκρασία καταστρέφει τη σταθερότητα του φιλμ ελαίου, η τριβή της επιφάνειας επαφής αυξάνεται, η μικρολύμανση εντείνεται·

Οξείδωση που προκαλεί σπαλμούς: η ρήξη του στρώματος οξείδωσης υψηλής θερμοκρασίας σχηματίζει οξείδια, τα οποία επιταχύνουν τη διάδοση των ρωγμών κόπωσης.

Τυπική ανάλυση κατάστασης βλάβης: θερμική κόπωση και παλινδρόμηση σκληρότητας

Στις πρακτικές εφαρμογές, οι πιο κοινές συνθήκες βλάβης των ρουλεμάν υψηλής θερμοκρασίας περιλαμβάνουν:

"Προσωπικότητα" που υπερβαίνει τα 5 kW·

Κατανόηση της σκληρότητας της επιφάνειας: με την πάροδο του χρόνου, η σκληρότητα της επιφάνειας μειώνεται σταδιακά από πάνω από 60HRC σε 55HRC ή ακόμη χαμηλότερη, έχοντας απώλεια αντοχής κατά της κόπωσης από επαφή.

Αλυσίδα ανάπτυξης της πηγής ρωγμών: οι μικροπράξεις συνδέονται σταδιακά με τη δράση του θερμικού κύκλου για να σχηματιστούν μέσω αποφλοιώσεως.

Καρβιδιοκηλίδα δικτύου: τα καρβίδια στον χάλυβα εξάγονται εκ νέου και αναπτύσσονται, σχηματίζοντας μια ζώνη σκληρύνωσης στο όριο του κόκκου, η οποία γίνεται η προτιμώμενη διαδρομή ρωγμών.

Τα χαρακτηριστικά εξέλιξης της δομής των χαλυβουργικών ρευμάτων σε υψηλές θερμοκρασίες

Επί του παρόντος, οι κύριοι χάλυβες υψηλής θερμοκρασίας περιλαμβάνουν AISI M50, M50NiL, JIS SUJ2 (προσαρμοσμένη), Cr4Mo4V κλπ.που παρουσιάζουν την ακόλουθη εξέλιξη μικροδομής υπό θερμικές συνθήκες κόπωσης:

Το μαρτενσίτη που έχει θερμανθεί μετατρέπεται σε σορβίτη ή ρεαουστενίτη που έχει θερμανθεί και η σκληρότητα μειώνεται.

Η τραχύτητα και η συσσώρευση του καρβιδίου μειώνουν την ομοιομορφία της δομής και είναι εύκολο να εμφανιστούν ρωγμές κόπωσης.

Ο κόκκος είναι χοντρός και χάνεται η αποτελεσματική ενίσχυση των λεπτών κρυστάλλων, με αποτέλεσμα τη μείωση της διάρκειας ζωής της κόπωσης από επαφή.

Το υπολειμματικό αυστενίτη εξαφανίζεται ή συμβαίνει η ασταθής μετατροπή, με αποτέλεσμα:Η αλλαγή του όγκου και η ρωγμή είναι εύκολη.

Πρότυπα απόδοσης υλικών σε περιβάλλον θερμικής κόπωσης

Ο χάλυβας υψηλής θερμοκρασίας πρέπει συνήθως να πληροί τα ακόλουθα πρότυπα ή παραμέτρους δοκιμής:

GB/T 18254 "Ατσάλι με υψηλό ανθρακικό χρώμιο": βασικό πρότυπο απόδοσης χάλυβα·

AMS 6491 (M50) και AMS 6278 (M50NiL): απαιτήσεις θερμικής επεξεργασίας και επιδόσεων για χάλυβα ελαστικών αεροσκαφών·

ISO 683-17: Γενικό πρότυπο για το κράμα χάλυβα θερμικής επεξεργασίας για ρυμουλκούμενα ρυμουλκούμενα·

Δυνατότητα διατήρησης της σκληρότητας: σε θερμοκρασία 150°C~300°C, η σκληρότητα διατηρείται τουλάχιστον 58HRC.

Θερμική αντοχή σε ρωγμές: το κατώτατο όριο διάδοσης ρωγμών ΔK είναι μεγαλύτερο ή ίσο με 15 MPa√m.

Κατεύθυνση τελικής ρύθμισης κράματος: σχεδιασμός βελτιστοποίησης για θερμική κόπωση

Για τον μηχανισμό βλάβης που προκαλείται από θερμική κόπωση, η σύνθεση του κράματος και η θερμική επεξεργασία μπορούν να προσαρμοστούν από τις ακόλουθες πτυχές:

Προστίθεται μολυβδένιο (Mo) και βανάδιο (V): διυλιστεί το καρβίδιο, βελτιώνεται η σκληρότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και η αντοχή σε θερμικές ρωγμές. Προστίθεται νικέλιο (Ni): σταθεροποιείται το υπολειπόμενο αυστενίτη,βελτίωση της αντοχής σε αντίκτυπο και σταθερότητας διαστάσεων σε θερμική επεξεργασία;

Βελτιστοποίηση της περιεκτικότητας σε C κατά 0,25% ~ 0,35%: έλεγχος του αριθμού και της μορφολογίας των καρβιδίων, μείωση της εύθραυσης των ορίων του κόκκου.

Επεξεργασία θέρμανσης με έλεγχο θερμοκρασίας: δευτερογενής θέρμανση (540-560°C) για την ενίσχυση της σταθερότητας θέρμανσης και την αναστολή της υποβάθμισης της σκληρότητας.

Ανάπτυξη χάλυβα σπάνιων γαιών: βελτίωση της μορφολογίας των ενσωματώσεων, βελτίωση της προσκόλλησης της κλίμακας και μείωση της πηγής διαχωρισμού.

Νέα τάση υλικών και αναφορά περιπτώσεων μηχανικής

Ορισμένες εφαρμογές υψηλού επιπέδου έχουν υιοθετήσει τους ακόλουθους νέους χάλυβες υψηλής θερμοκρασίας:

M62 (Cr-Mo-V-Ni σειρά): χρησιμοποιείται για το κύριο ρουλεμάν του αεροκινητήρα, με εξαιρετική αντοχή σε θερμικές ρωγμές.

Cronidur 30 (ατσάλι martensitic από κράμα αζώτου): ανθεκτικό στη διάβρωση, ανθεκτικό στην θερμική θέρμανση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κινητήρες υψηλών ταχυτήτων.

Υβριδικό κεραμικό υβριδικό χαλύβδινο ρουλεμάν: σε συνδυασμό με κυλίνδρους Si3N4 για τη μείωση της θέρμανσης με τριβή και τη βελτίωση της ικανότητας περιορισμού της θερμοκρασίας.

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.

Η αξιοπιστία του ρουλεμπορίου επεκτείνεται από τη φύση του υλικού

Η θερμική κόπωση έχει καταστεί ένα κρίσιμο εμπόδιο που περιορίζει τη διάρκεια ζωής των ρουλεμάντων υψηλής θερμοκρασίας, κυρίως λόγω της ασταθούς απόκρισης των μικροδομών υλικών στον θερμικό κύκλο.Με την βαθιά κατανόηση των μηχανισμών της θερμικής κόπωσης αποτυχία και με ακρίβεια βελτιστοποίηση των στοιχείων του κράματος, τις παραμέτρους θερμικής επεξεργασίας και τον έλεγχο της μικροδομής, είναι δυνατόν να επιτευχθεί μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και υψηλότερη αξιοπιστία σε περιβάλλοντα υψηλών θερμοκρασιών.Σε εφαρμογές υψηλής θερμότητας όπως τα τρένα υψηλής ταχύτητας, μεταλλουργικών εξοπλισμών, και αιολικών ανεμογεννητριών, μόνο με την ενσωμάτωση θερμικών, μηχανικών,και υλικών παραγόντων σε ένα ολοκληρωμένο σχεδιασμό μπορεί ένα ανθεκτικό "προστατευτικό τοίχος" για υψηλής θερμοκρασίας επιδόσεις ρουλεμάν να καθιερωθεί πραγματικά.