Nei sistemi di alimentazione delle moderne apparecchiature industriali e dei treni ad alta velocità, i cuscinetti devono funzionare in modo stabile in condizioni di alta velocità, carico elevato e ciclo termico continuo.Ciò vale in particolare per i motori di trazione dei veicoli ferroviari.I cuscinetti sono soggetti a prolungata esposizione al calore di attrito e a fonti termiche esterne.rendendoli molto sensibili alla stanchezza termica, che può portare a problemi quali la desquamazione, il degrado della durezza e l'instabilità strutturale. 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.

Il principale meccanismo di influenza del ciclo termico ad alta temperatura sull'acciaio da cuscinetto

In un ambiente ad alta temperatura, il ripetuto processo di riscaldamento e raffreddamento della superficie della corsia del cuscinetto produrrà una concentrazione di sollecitazione termica.Queste sollecitazioni termiche unite alle sollecitazioni di contatto di rotolamento sono gli importanti induttori che promuovono la fatica precoce crepa del cuscinettoIl meccanismo specifico è il seguente:

carico alternato di sollecitazione termica: il gradiente di temperatura produce ripetute sollecitazioni cicliche di trazione e compressione tra la superficie e il nucleo;

Cambiamento della struttura del materiale: la temperatura della martensite, il grossoramento del carburo e la redistribuzione nell'acciaio portano alla diminuzione della durezza;

instabilità della pellicola lubrificante: l'alta temperatura distrugge la stabilità della pellicola d'olio, aumenta l'attrito della superficie di contatto, si intensifica la micro-saldatura;

Spalling indotto dall'ossidazione: la rottura dello strato di ossidazione ad alta temperatura forma detriti di ossido, che accelera la propagazione della crepa di stanchezza.

Analisi tipica del modo di guasto: spalling da stanchezza termica e regressione della durezza

In applicazioni pratiche, le modalità di guasto più comuni dei cuscinetti ad alta temperatura sono:

"Sciopero" (spalling): causato principalmente da stanchezza termica, con una profonda sfoglia di colore grigio scuro simile a una fossa, la profondità è di 1 ~ 3 μm;

Degradazione della durezza superficiale: con il passare del tempo, la durezza superficiale diminuisce gradualmente da oltre 60 HRC a 55 HRC o addirittura al di sotto, perdendo resistenza alla fatica da contatto;

Sviluppo a catena della fonte di crepe: le microcrepe sono gradualmente collegate sotto l'azione del ciclo termico per formarsi attraverso la desquamazione;

Precipitazione di carburo in rete: i carburi dell'acciaio vengono riextratti e crescono, formando una zona di indurimento al confine del grano, che diventa il percorso preferito della crepa.

Le caratteristiche di evoluzione della struttura dell'acciaio da cuscinetto ad alta temperatura

Attualmente gli acciai per cuscinetti ad alta temperatura più diffusi sono AISI M50, M50NiL, JIS SUJ2 (modificato), Cr4Mo4V, ecc.che mostrano la seguente evoluzione della microstruttura in condizioni di affaticamento termico:

La martensite temperata viene trasformata in sorbita o re-austenite temperata e la durezza diminuisce;

Il grossoramento e l'aggregazione del carburo riducono l'uniformità della struttura e si verificano facilmente crepe per stanchezza;

Il grano è grossolano e si perde l'effetto di rinforzo dei cristalli fini, con conseguente accorciamento della durata di resistenza alla fatica da contatto;

L'austenite residua scompare o si verifica la trasformazione instabile, con conseguenteLa variazione di volume e la crepa si verificano facilmente.

Norme di prestazione dei materiali in ambienti di stanchezza termica

L'acciaio ad alta temperatura deve di solito soddisfare le seguenti norme o parametri di prova:

GB/T 18254 "Acciaio a carico di cromo ad alto contenuto di carbonio": norma di base per le prestazioni dell'acciaio;

AMS 6491 (M50) e AMS 6278 (M50NiL): requisiti di trattamento termico e prestazioni per acciai da cuscinetto per l'aviazione;

ISO 683-17: Norma generale di acciaio legato per cuscinetti da laminazione;

Funzioni di ritenzione della durezza: a una temperatura di 150°C-300°C, la durezza è mantenuta almeno a 58HRC;

resistenza alle crepe termiche: la soglia di propagazione delle crepe ΔK è uguale o superiore a 15 MPa√m;

Direzione di sintonizzazione delle leghe: progettazione ottimizzata per l'affaticamento termico

Per il meccanismo di guasto causato dalla fatica termica, la composizione della lega e il trattamento termico possono essere perfezionati in base ai seguenti aspetti:

Aggiungere molibdeno (Mo) e vanadio (V): raffinare il carburo, migliorare la durezza ad alta temperatura e la resistenza alle crepe termiche;aggiungere nichel (Ni): stabilizzare l'austenite residua,migliorare la resistenza all'urto e la stabilità dimensionale del trattamento termico;

Ottimizzare il contenuto di C tra lo 0,25% e lo 0,35%: controllare il numero e la morfologia dei carburi, ridurre la fragilità del bordo del grano;

Trattamento di temperatura a temperatura controllata: temperatura secondaria (540-560°C) per migliorare la stabilità di temperatura e inibire la degradazione della durezza;

Sviluppo dell'acciaio delle terre rare: miglioramento della morfologia delle inclusioni, miglioramento dell'adesione della scala e riduzione della fonte di spazzatura.

Nuova tendenza dei materiali e riferimento del caso di ingegneria

Alcune applicazioni di fascia alta hanno adottato il seguente nuovo acciaio ad alta temperatura:

M62 (serie Cr-Mo-V-Ni): utilizzato per il cuscinetto principale del motore aereo, con eccellente resistenza alle crepe termiche;

Cronidur 30 (acciaio martensitico in lega di azoto): resistente alla corrosione, resistente al temperamento termico, può essere utilizzato nei motori ad alta velocità;

Acciaio per cuscinetti ibridi in ceramica: combinato con rulli Si3N4 per ridurre il riscaldamento per attrito e migliorare la capacità di limitare la temperatura.

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.

L'affidabilità del cuscinetto si estende dalla natura del materiale

L'affaticamento termico è diventato un collo di bottiglia critico che limita la durata di vita dei cuscinetti ad alta temperatura, principalmente a causa della risposta instabile delle microstrutture del materiale al ciclo termico.Conoscendo a fondo i meccanismi di guasto da stanchezza termica e ottimizzando con precisione gli elementi di lega, parametri di trattamento termico e controllo delle microstrutture, è possibile ottenere una durata di vita più lunga e una maggiore affidabilità in ambienti ad alta temperatura.In applicazioni ad alta temperatura come i treni ad alta velocità, attrezzature metallurgiche e fusioni di turbine eoliche, solo integrando sistemi termici, meccanici,e fattori materiali in una progettazione completa può un robusto'muro protettivo' per prestazioni di portamento ad alta temperatura essere veramente stabilito.