In den Antriebssystemen moderner Industrieanlagen und Hochgeschwindigkeitszüge müssen Lager unter Bedingungen von hoher Geschwindigkeit, hoher Last und kontinuierlichem thermischen Kreislauf stabil funktionieren.Dies gilt insbesondere für Traktionsmotoren in Schienenfahrzeugen., Hochgeschwindigkeits-Hauptschächte und Hochtemperaturmotoren in der Metallindustrie.die sie sehr anfällig für thermische Müdigkeit machen, was zu Problemen wie Schälen, Härteabbau und Strukturunsicherheit führen kann. 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.

Der wichtigste Einflussmechanismus des Hochtemperatur-Wärmezyklus auf Lagerstahl

Bei hohen Temperaturen wird durch das wiederholte Erhitzen und Kühlen der Streckenoberfläche des Lagers eine thermische Spannungskonzentration erzeugt.Diese thermischen Belastungen in Verbindung mit der Rollkontaktbelastung sind die wichtigen Induktoren, die den frühen Müdigkeitskrach des Lagers fördernDer spezifische Mechanismus ist wie folgt:

Wärmebelastung wechselnd belastet: Der Temperaturgradient erzeugt wiederholte Zug- und Kompressionszyklen zwischen Oberfläche und Kern.

Materialstrukturänderung: Martensitgehärtung, Vergrößerung des Karbids und Umverteilung im Stahl führen zu einer Verringerung der Härte;

Schmierfolie ist instabil: Hohe Temperaturen zerstören die Stabilität der Ölfolie, die Reibung der Kontaktoberfläche steigt, das Mikroschweißen intensiviert sich;

Oxidationsinduzierte Spalling: Durch das Rissen der hochtemperaturen Oxidationsschicht entstehen Oxidreste, die die Ausbreitung von Müdigkeitskrecken beschleunigen.

Typische Ausfallmodusanalyse: thermische Ermüdungsspallung und Härte-Regression

In der Praxis sind die häufigsten Ausfallmodi von Hochtemperaturlagern:

Schleifen von Rollflächenflecken (Spalling): vor allem durch thermische Ermüdung verursacht, mit dunkelgrauer, flacher, grubenartiger Schleifentiefe von 1 bis 3 μm;

Abbau der Oberflächenhärte: Im Laufe der Zeit sinkt die Oberflächenhärte allmählich von mehr als 60 HRC auf 55 HRC oder sogar darunter, wodurch die Kontaktmüdigkeit abnimmt.

Kettentwicklung der Rissquelle: Mikrorisse werden durch die Wirkung des thermischen Zyklus allmählich miteinander verbunden, um sich durch Peeling zu bilden.

Netzwerk-Karbid-Verschlagung: Karbide im Stahl werden erneut gewonnen und wachsen und bilden eine Härtezone an der Korngrenze, die zum bevorzugten Rissweg wird.

Entwicklung der Struktur von Lagerstahl bei hoher Temperatur

Derzeit sind die Haupttemperaturlager aus AISI M50, M50NiL, JIS SUJ2 (modifiziert), Cr4Mo4V usw.die unter thermischen Müdigkeitskonditionen folgende Mikrostrukturentwicklung aufweisen:

Der gehärteten Martensit wird in gehärteten Sorbit oder Re-Austenit umgewandelt, wobei die Härte abnimmt.

Die Vergrößerung und Aggregation des Karbids verringert die Einheitlichkeit der Struktur, und es sind Müdigkeitskrecken leicht zu entstehen;

Der Korn ist grob und verliert die feine kristallfördernde Wirkung, was zur Verkürzung der Kontaktmüdigkeit führt.

Der Rest austenit verschwindet oder die instabile Transformation tritt auf, was zuVolumenänderungen und Risse sind leicht zu beobachten.

Normen für die Leistungsfähigkeit von Materialien in thermischen Müdigkeitskörpern

Hochtemperaturlagerstahl muss in der Regel folgende Normen oder Prüfparameter erfüllen:

GB/T 18254 "Hochkohlenstoffchromhaltiges Stahl": Grundleistungsstandard für Stahl;

AMS 6491 (M50) und AMS 6278 (M50NiL): Anforderungen an die Wärmebehandlung und Leistung von Stahllagern für die Luftfahrt;

ISO 683-17: Allgemeine Norm für Wärmebehandlung von Legierungsstahl für Walzlager;

Härtebindungsleistung: Bei 150°C bis 300°C wird die Härte mindestens 58HRC beibehalten.

thermische Rissbeständigkeit: Rissverbreitungsschwelle ΔK größer oder gleich 15 MPa√m;

Richtung der Feinabstimmung der Legierung: Optimierung der Konstruktion für die thermische Müdigkeit

Für den durch thermische Erschöpfung verursachten Ausfallmechanismus können die Zusammensetzung der Legierung und die Wärmebehandlung anhand folgender Aspekte verfeinert werden:

Hinzufügen von Molybdän (Mo) und Vanadium (V): Verfeinerung des Karbids, Verbesserung der Hochtemperaturhärte und Wärme-Rissbeständigkeit; Hinzufügen von Nickel (Ni): Stabilisierung des Rest austenit,Verbesserung der Stoßfestigkeit und der Dimensionsstabilität bei thermischer Behandlung;

Optimieren Sie den C-Gehalt um 0,25% bis 0,35%: Kontrolle der Anzahl und Morphologie von Karbiden, Verringerung der Zerbrechlichkeit der Korngrenze;

Temperaturkontrolle: Sekundärherdung (540 bis 560°C) zur Verbesserung der Härte-Stabilität und Hemmung der Härtezerstörung;

Entwicklung von Seltenerdstahl: Verbesserung der Morphologie von Einschlüssen, Verbesserung der Skalierungsabhängigkeit und Verringerung der Spaltungsquelle.

Neue Materialentwicklung und Referenz für technische Fälle

Einige High-End-Anwendungen haben folgende neue Hochtemperaturlagerstahl verwendet:

M62 (Cr-Mo-V-Ni-Serie): für das Hauptlager eines Luftfahrtmotors mit ausgezeichneter thermischer Rissbeständigkeit verwendet;

Cronidur 30 (Stickstofflegiertes Martensitstahl): korrosionsbeständig, hitzebeständig, kann in Hochgeschwindigkeitsmotoren verwendet werden;

Hybrid-keramischer Hybridlagerstahl: kombiniert mit Si3N4-Rollen zur Verringerung der Reibungsheizung und Verbesserung der Temperaturbegrenzung.

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.

Die Zuverlässigkeit des Lagers erstreckt sich von der Materialleistung

Die thermische Müdigkeit ist zu einem kritischen Engpass geworden, der die Lebensdauer von Hochtemperaturlagern einschränkt, hauptsächlich aufgrund der instabilen Reaktion der Materialmikrostrukturen auf den thermischen Zyklus.Durch ein tiefes Verständnis der Mechanismen des thermischen Ermüdungsversagens und eine präzise Optimierung der Legierungselemente, Wärmebehandlungsparameter und Mikrostruktursteuerung, ist es möglich, eine längere Lagerlebensdauer und eine höhere Zuverlässigkeit in Hochtemperaturumgebungen zu erzielen.Bei Hochtemperaturanwendungen wie Hochgeschwindigkeitszügen, metallurgische Ausrüstung und Windturbinenspindeln, nur durch Integration von thermischen, mechanischen,und Materialfaktoren in einem umfassenden Design kann eine robuste "Schutzwand" für hochtemperaturbereite Leistung wirklich etabliert werden.