Wat zijn de belangrijkste prestatiebeperkingen van roestvrijstalen lagers bij toepassingen met hoge belasting of hoge snelheid

Roestvrij stalen lagers worden veel gebruikt in gespecialiseerde toepassingen zoals voedselverwerking, medische apparatuur en scheepsbouw vanwege hun uitstekende corrosieweerstand. Bij gebruik onder extreme belastingen of hoge snelheden beperken de inherente materiaaleigenschappen van roestvrijstalen lagers, met name het reguliere martensitische roestvrij staal AISI 440C, hun prestaties.

I. Beperkingen bij toepassingen met hoge belasting: vermoeidheid en broosheid

1. Laadvermogen en levensduur bij contactvermoeidheid

Hoewel AISI 440C roestvrijstalen lagers door middel van warmtebehandeling een hoge hardheid (doorgaans 58-60 HRC) kunnen bereiken en uitstekende slijtvastheid bieden, blijven ze qua basisprestaties nog steeds achter bij standaard chroomlagerstaal met een hoog koolstofgehalte (zoals GCr15/52100).

Dynamische belastingswaarde: De dynamische belastingswaarde van 440C-staal is over het algemeen lager dan die van 52100-staal. Dit komt vooral door het hoge chroomgehalte in 440C-staal, dat een groot aantal carbiden vormt. Deze carbidedeeltjes, verdeeld in de matrix, kunnen scheurbronnen worden in spanningsconcentratiegebieden, waardoor de interne zuiverheid en uniformiteit van het staal worden aangetast.

Contactvermoeidheidssterkte: Onder hoge belasting worden lagerloopbanen blootgesteld aan extreem hoge Hertziaanse spanningen. Bij blootstelling aan herhaalde hoge contactspanningen is de levensduur bij rolcontactvermoeidheid van 440C-staal lager dan die van 52100-staal. Dit betekent dat onder dezelfde belastingsomstandigheden de verwachte levensduur (L10) van een 440C-lager aanzienlijk wordt verkort.

2. Taaiheid en slagvastheid

440C is een typisch martensitisch roestvrij staal. De hoge hardheid gaat ten koste van de taaiheid.

Broosheidsneiging: Vanwege het hoge koolstofgehalte heeft 440C na uitharding een relatief brosse structuur. In toepassingen met schokbelastingen of sterke trillingen is dit materiaal gevoeliger voor brosse breuken of afbrokkelen van de loopbaan, vooral in gebieden met spanningsconcentraties.

Indeukweerstand: Ondanks zijn hoge hardheid is 440C mogelijk niet zo goed bestand tegen pekelen als speciaal behandeld gelegeerd staal wanneer het wordt blootgesteld aan plotselinge statische of stootbelastingen, waardoor de geometrische nauwkeurigheid onder hoge belastingen wordt beïnvloed.

II. Prestatie-uitdagingen bij snelle toepassingen: temperatuurstijging en dimensionele stabiliteit

1. Warmteafvoer en bedrijfstemperatuurlimieten

Tijdens bedrijf op hoge snelheid genereert wrijving in het lager een aanzienlijke hoeveelheid warmte. Roestvast staal biedt de volgende thermodynamische uitdagingen:

Thermische geleidbaarheid: Roestvast staal, vooral 440C, heeft doorgaans een lagere thermische geleidbaarheid dan gewoon lagerstaal. Deze lagere thermische geleidbaarheid maakt het moeilijk om de warmte die in het lager wordt gegenereerd snel af te voeren, wat leidt tot een snelle accumulatie van temperatuurstijging.

Tempereringseffect: Wanneer de bedrijfstemperatuur van het lager de bovenste tempereertemperatuur van 440°C overschrijdt (doorgaans lager dan 200°C), treedt secundaire verzachting op, waardoor de hardheid van het materiaal afneemt, waardoor de slijtvastheid en het draagvermogen aanzienlijk worden verminderd. De warmte die door hoge snelheden wordt gegenereerd, kan dit soort thermische storingen gemakkelijk veroorzaken.

2. Smeringsbeheer en wrijvingskenmerken

Hoge snelheden stellen extreem hoge eisen aan de smering, en de eigenschappen van roestvrijstalen lagers maken het smeerbeheer nog complexer.

Glijdende wrijving: Bij hoge snelheden wordt de glijdende wrijving tussen de kogels en loopbanen, en tussen de kogels en kooien/vasthouders intenser. Onvoldoende smering of onjuiste keuze van smeermiddelen kan ernstige slijtage van de lijm op het roestvrijstalen oppervlak veroorzaken.

Lagerspeling: Vanwege het verschil in de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van 440C vergeleken met gewoon lagerstaal, in combinatie met het effect van temperatuurstijging, kan de interne speling van lagers die op hoge snelheden werken onvoorspelbaar fluctueren, wat leidt tot verlies van controle over de voorspanning of verhoogde wrijving, waardoor de beperkende snelheid verder wordt beperkt.

3. Uitgebreide beperkingen in complexe omgevingen

Roestvaststalen lagers worden vaak gebruikt in corrosieve omgevingen. Onder complexe bedrijfsomstandigheden met hoge belastingen, hoge snelheden en de aanwezigheid van corrosie gaan de prestaties van het materiaal verder achteruit.

Synergie tegen corrosievermoeiing: Corrosieve media versnellen putvorming op het oppervlak van de loopbaan. Deze corrosievlekken worden bronnen van spanningsconcentratie. Bij herhaalde hoge belastingen kunnen ze gemakkelijk corrosiemoeheid veroorzaken, wat leidt tot vroegtijdig falen van de lagers.

Beperkingen van niet-440C-kwaliteiten: Austenitische roestvaste staalsoorten (zoals 304 en 316), die corrosiebestendiger zijn maar een lagere hardheid en sterkte hebben, hebben een draagvermogen en bedrijfssnelheden die veel lager zijn dan 440C-kwaliteiten onder hoge belasting of hoge snelheidsomstandigheden. Ze zijn over het algemeen alleen geschikt voor omgevingen met lage snelheid, lichte belasting en extreem corrosieve omgevingen en zijn niet geschikt voor toepassingen met hoge belasting of hoge snelheid.