Последние исследования показывают, что гибридная сталь Hybrid Steel® может решить проблемы подшипников, требующих более высоких циклов нагрузок, где микроструктурная стабильность имеет решающее значение для обеспечения более длительного срока службы в условиях усталости при контакте качения (RCF). Таня Лоайза Урибе из отдела исследований и разработок Ovako и Микаэль Тунман, руководитель сегмента подшипников Ovako, сообщают о результатах проекта PhD, выполненного в сотрудничестве с Королевским технологическим институтом KTH в Стокгольме.
По мере того как индустрия тяжелых автомобилей ускоряется в направлении электрификации, на силовые агрегаты ложатся значительные дополнительные нагрузки. Это повышает риск усталостного разрушения. В результате все большее внимание уделяется поиску коммерчески жизнеспособных новых марок стали с повышенной устойчивостью к усталости как при высоких циклах (HCF), так и при очень высоких циклах (VHCF).
Крупнотоннажный грузовой автомобиль (LGV) или тяжелый грузовой автомобиль (HGV) в Европейском союзе (ЕС) – это любой грузовик с полной массой (GCM) более 3 500 кг. Есть три ключевых фактора, которые делают усталостную прочность в этой области применения более важной, чем когда-либо прежде. Во-первых, электродвигатели в тяжелых автомобилях обычно работают в гораздо более широком диапазоне оборотов, чем двигатели внутреннего сгорания. Во-вторых, они генерируют повышенный крутящий момент по сравнению с легковыми автомобилями. Это требует повышенной усталостной прочности для обеспечения достаточного срока службы компонентов трансмиссии. В-третьих, значительный вес тяговых батарей, что очень важно для дальних поездок, создает значительную дополнительную нагрузку на конструктивные элементы автомобиля, и особенно на подшипники.
Существует потенциал для решения проблемы усталости путем увеличения толщины материала, используемого в критических компонентах. Но есть и существенный недостаток: это приведет к снижению веса, что скажется на грузоподъемности автомобиля, и без того испытывающего трудности из-за веса тяговых батарей. Эти проблемы заставляют искать новые марки стали, которые могут обеспечить улучшенные усталостные свойства без увеличения размеров компонентов. Именно здесь гибридная сталь 60 компании Ovako демонстрирует особые перспективы.
Усталостное разрушение возникает, как правило, в результате накопления микропластической деформации при повторяющихся циклических условиях. Речь идет о микроскопически малых участках детали, где материал подвергается пластической деформации, в то время как основная часть сохраняет свои упругие свойства.
Этот тип разрушения встречается в широком спектре деталей машин, таких как зубчатые колеса, подшипники качения и распределительные валы. Подшипники качения представляют собой особый случай, поскольку они часто работают в условиях эластогидродинамической смазки (ЭГДС). Это режим, при котором происходит значительная упругая деформация поверхностей, оказывающая существенное влияние на форму и толщину смазочной пленки. Это приводит к возникновению переменных контактных напряжений в пределах небольшой области, что может вызвать подповерхностное повреждение, известное как усталость при контакте качения (RCF). В результате в зонах контакта происходят микроструктурные изменения, которые в конечном итоге проявляются как усталостное повреждение.
В предыдущих исследованиях изучался микроструктурный распад в результате RCF с акцентом на наиболее распространенную подшипниковую сталь марки 52100. Микроструктура этой стали состоит из закаленных карбидов, остаточного цементита (RC) и мартенситной матрицы. В процессе RCF были выявлены различные формы микроструктурного распада. К ним относятся образование темных областей травления, белых полос травления и растворение карбидов (RC и закаленных карбидов). Такое разрушение становится заметным после большого количества циклов напряжений, что приводит к снижению твердости и влияет на эксплуатационные характеристики подшипника.
Способность материала противостоять RCF зависит от его состава и термообработки. Использование материалов, которые противостоят размягчению, может продлить срок службы подшипников.
Недавно компания Ovako выпустила в продажу гибридную сталь 60. Это инновационная марка, сочетающая вторичную закалку и интерметаллические преципитаты. Она была разработана для преодоления ограничений существующих материалов, особенно в подшипниках, подверженных сложной коррозии и воздействию водорода. Однако, чтобы предсказать его пригодность для подшипников качения, важно понять, как он ведет себя в условиях RCF. Это и стало темой докторского проекта Тани.
В ходе физических испытаний образцы 52100 и гибридной стали 60 подвергались различным нагрузкам RCF. Для этого использовался испытательный стенд с микропроцессорным управлением для плоских шайб, как показано на рис. 1. Эта установка имеет конфигурацию, в которой 13 шариков из нитрида кремния находятся в чашке, служащей наружной дорожкой качения подшипника. Эти шарики вращаются, создавая круговую контактную дорожку на верхней поверхности образца, похожего на шайбу.
Каждое испытание останавливалось после определенного количества циклов, после чего образцы оценивались с помощью различных современных методов определения характеристик.
Для обеих сталей результаты выявили отчетливые микроструктурные изменения в области максимального напряжения сдвига под поверхностью дорожки качения. Например, наличие микрополос феррита, растворение карбидов и преципитатов, а также образование зерен наноферрита.
Наиболее интересным результатом является то, что гибридная сталь 60 имела меньший микроструктурный распад после того же количества циклов напряжения (1,0 × 108) по сравнению со сталью 52100. Это показано на графике (рис. 2).
Причиной такого различия считается влияние преципитатов в гибридной стали 60, которые повышают ее устойчивость к размягчению при циклическом напряжении.
Выводы и будущая работа
Результаты данной программы испытаний свидетельствуют о том, что гибридная сталь 60 может лучше подходить для специальных подшипниковых применений, где требуется коррозионная и водородная стойкость, поскольку сталь 52100 не обладает этими дополнительными свойствами. Тем не менее, необходимы дальнейшие исследования для изучения механизмов зарождения и распространения трещин, а также для более глубокого понимания RCF в коррозионной и водородной средах.
Еще одной областью важных исследований станут испытания на трибокоррозионную усталость для оценки влияния смазочных материалов на водной основе, которые потенциально могут стать ведущими экологически чистыми смазочными материалами в широком спектре применений, включая электромобили (EV) и морские установки.
Дополнительная информация. Чтобы ознакомиться с полными результатами этой исследовательской программы, а также со ссылками на другие работы и библиографией, пожалуйста, обратитесь к докторской диссертации Тани Лоаизы Урибе, написанной в Королевском технологическом институте KTH:
«Микроструктурный распад в высокопрочных подшипниковых сталях при контактной усталости при качении».
