Wpływ różnych materiałów na zastosowanie łożysk

Łożyska są kluczowym komponentem w wielu rodzajach urządzeń i maszyn, od prostych narzędzi przemysłowych po skomplikowane systemy mechaniczne. Ich główną funkcją jest zmniejszanie tarcia i umożliwianie efektywnego przenoszenia różnorodnych obciążeń. W związku z tym, wykorzystanie materiałów o wysokiej jakości i niezawodności jest istotne dla procesu produkcyjnego łożysk.

Do produkcji różnych typów łożysk wykorzystywane są rozmaite materiały, które są poddawane specjalnym procesom w celu uzyskania optymalnych właściwości. Te procesy zwiększają trwałość i wydajność łożysk.

Stal chromowana w produkcji łożysk

Stal chromowana (SAE 52100) stanowi podstawowy materiał wykorzystywany w produkcji precyzyjnych łożysk kulkowych, tocznych i stożkowych. Znajduje zastosowanie przede wszystkim w wytwarzaniu kluczowych komponentów łożysk, takich jak pierścienie wewnętrzne i zewnętrzne, kulki i rolki. Składająca się głównie z węgla, stal chromowana zawiera około 1,5% chromu.

Dzięki kontrolowanym metodom obróbki i obróbce cieplnej, stal chromowana nadaje łożyskom wysoką wytrzymałość i odporność na pękanie. Te procesy pozwalają na osiągnięcie twardości powierzchni w zakresie 60-64 w skali Rockwella (twardość C), co zwiększa odporność łożysk na zmęczenie stykowe toczenia.

Stal chromowana charakteryzuje się znakomitą twardością i odpornością na zużycie, czyniąc ją idealną do ogólnych zastosowań łożyskowych. Niemniej, ze względu na stosunkowo niską zawartość chromu, jest mniej odporna na korozję w porównaniu z innymi materiałami. Aby zapobiec korozji, zaleca się stosowanie ochronnej powłoki olejowej lub inhibitora rdzy na łożyska ze stali chromowanej.

Obróbka skrawaniem stali chromowej

Toczenie stali chromowej:

• Proces: Toczenie stali chromowej polega na obracaniu materiału na tokarce, podczas gdy jedno lub więcej narzędzi skrawających usuwa z niego materiał.
• Narzędzia: Do toczenia stali chromowej zaleca się użycie narzędzi z węglików spiekanych lub pokrytych ceramiką, które są odporne na wysokie temperatury i zużycie.
• Parametry skrawania: Ze względu na twardość stali chromowej, ważne jest, aby dobrać odpowiednio niskie prędkości skrawania, ograniczone posuwy i płytkie głębokości skrawania. To zmniejsza zużycie narzędzia i ryzyko uszkodzenia obrabianej powierzchni.
• Chłodzenie: Użycie chłodziw jest zalecane w celu zmniejszenia temperatury skrawania, co jest ważne dla utrzymania ostrości narzędzia i zapobiegania nadmiernemu zużyciu.

Frezowanie stali chromowej:

• Proces: Frezowanie to metoda, gdzie stal chromowa jest utrzymywana nieruchomo, a narzędzie skrawające (frez) wykonuje ruch obrotowy i translacyjny, usuwając materiał.
• Narzędzia: Stosuje się frezy z węglików spiekanych lub pokryte ceramiką, które są odporne na wysokie temperatury i zużycie, co jest kluczowe przy obróbce twardych stali chromowych.
• Parametry skrawania: Podobnie jak w toczeniu metalu, wybór odpowiednich prędkości skrawania, posuwów i głębokości skrawania jest krytyczny. Należy stosować umiarkowane do niskie prędkości i posuwy, aby uniknąć nadmiernego zużycia narzędzi.
• Chłodzenie: Użycie chłodziw jest zalecane również w frezowaniu, aby zarządzać temperaturą procesu i zapobiegać przegrzewaniu narzędzia i materiału.

Stal nierdzewna w produkcji łożysk

Stal nierdzewna jest kolejnym popularnym materiałem stosowanym w produkcji łożysk. Ta stal jest wybierana przez producentów ze względu na swoją znacznie lepszą odporność na korozję niż stal chromowa, co jest efektem wyższej zawartości chromu i węgla.

Stal nierdzewna, zawierająca co najmniej 18% chromu oraz pewną ilość niklu, tworzy po reakcji chemicznej z tlenem warstwę tlenku chromu na powierzchni elementów łożysk. Ta pasywna powłoka zapewnia dodatkową ochronę przed korozją. Należy jednak zaznaczyć, że ze względu na zawartość węgla, łożyska ze stali nierdzewnej mają niższą twardość niż te ze stali chromowej, co obniża ich nośność o około 20%.

Wyróżniamy dwa główne rodzaje łożysk ze stali nierdzewnej: Martensytyczne i Austenityczne. Łożyska martensytyczne ze stali nierdzewnej (np. SV30) są modyfikowane w procesie obróbki, zmniejszając zawartość węgla i zwiększając zawartość azotu, co przekłada się na wyższą wytrzymałość, twardość oraz lepszą odporność na korozję. Natomiast łożyska austenityczne ze stali nierdzewnej (np. AISI316) są niemagnetyczne i szczególnie odporne na korozję, dzięki niskiej zawartości węgla, ale są zalecane jedynie do zastosowań o niskim obciążeniu.

Obróbka skrawaniem stali nierdzewnej

Toczenie stali nierdzewnej:

• Proces: W toczeniu stali nierdzewna jest umieszczana na tokarce, gdzie obraca się, podczas gdy narzędzie skrawające usuwa materiał. Proces ten wymaga precyzyjnego doboru parametrów skrawania.
• Narzędzia: Zwykle stosuje się narzędzia z węglików spiekanych lub cermetów, które są odporne na wysoką temperaturę i zużycie. Odpowiednie ostrzenie narzędzi jest krytyczne.
• Parametry skrawania: Ze względu na trudności w obróbce stali nierdzewnej, ważne jest, aby wybrać niższą prędkość skrawania, mniejszy posuw i mniejszą głębokość skrawania, aby zmniejszyć obciążenie narzędzia.
• Chłodzenie: Użycie chłodziwa jest kluczowe, aby zmniejszyć generowanie ciepła i zapobiec uszkodzeniom zarówno narzędzia, jak i obrabianego materiału.

Frezowanie stali nierdzewnej:

• Proces: Frezowanie jest procesem, w którym stal nierdzewna jest utrzymywana w pozycji nieruchomej, a frez wykonuje ruch obrotowy i translacyjny, usuwając materiał.
• Narzędzia: Używa się frezów wykonanych z węglików spiekanych, często z powłokami, które zwiększają ich odporność na zużycie i temperaturę.
• Parametry Skrawania: Podobnie jak w toczeniu, parametry skrawania muszą być dostosowane do twardości i właściwości stali nierdzewnej, z naciskiem na mniejsze prędkości i posuwy.
• Chłodzenie: Chłodzenie jest niezbędne w celu zmniejszenia ryzyka przegrzewania, co może prowadzić do uszkodzenia narzędzi i utraty właściwości materiału.

Stal stopowa w produkcji łożysk

Stal stopowa jest często używana do wytwarzania łożysk i ich elementów w wersjach „półprecyzyjnych” lub „klasie handlowej”.

Do produkcji klatek łożyskowych, osłon metalowych oraz podkładek metalowych często wykorzystuje się stal niskowęglową. Te komponenty są mniej odporne na korozję w porównaniu z innymi materiałami łożyskowymi, dlatego wymagają ochrony przed korozją, np. za pomocą warstwy oleju lub smaru. Dodatkowo, stosowanie powłok może być skutecznym sposobem na zapobieganie utlenianiu tych elementów.

Obróbka skrawaniem stali stopowej

Toczenie stali stopowej:

• Proces: Toczenie metalu to proces obróbczy, w którym obrabiany materiał (w tym przypadku stal stopowa) jest mocowany i obracany na tokarce, podczas gdy narzędzie skrawające porusza się wzdłuż osi obrotu materiału.
• Narzędzia: Stosuje się narzędzia z węglików spiekanych lub szybkotnące, które są odporne na wysokie temperatury i zużycie, co jest ważne przy obróbce twardych stali stopowych.
• Parametry skrawania: Obejmują prędkość obrotową, posuw i głębokość skrawania. W przypadku stali stopowych ważne jest, aby dobrać te parametry tak, aby zminimalizować zużycie narzędzia i uniknąć uszkodzenia materiału.
• Chłodzenie: W procesie toczenia stali stopowych często stosuje się chłodziwa, aby obniżyć temperaturę skrawania, co zmniejsza zużycie narzędzia i poprawia jakość powierzchni.

Frezowanie stali stopowej:

• Proces: Frezowanie to proces, w którym obrabiany materiał jest utrzymywany w pozycji nieruchomej, a narzędzie skrawające, frez, wykonuje ruch obrotowy i translacyjny.
• Narzędzia: Używa się frezów z węglików spiekanych lub powlekanych, które są odporne na wysokie obciążenia i temperatury, typowe dla obróbki stali stopowych.
• Parametry skrawania: Tak jak w toczeniu, kluczowe są prędkość skrawania, posuw i głębokość skrawania. W przypadku stali stopowych, parametry te muszą być dostosowane do twardości i innych właściwości materiału.
• Chłodzenie: Stosowanie chłodziw jest również powszechne w frezowaniu stali stopowych, aby zapobiegać przegrzewaniu i zużyciu narzędzi, a także poprawić jakość obróbki.

Wykorzystanie materiałów ceramicznych w produkcji łożysk

Materiały ceramiczne znajdują zastosowanie w produkcji łożysk i ich komponentów, choć często są one kategoryzowane jako specjalistyczne w branży łożyskowej. Typowym zastosowaniem ceramiki jest produkcja łożysk hybrydowych, gdzie stalowe pierścienie są wykonane ze stali nierdzewnej, a kulki – z ceramiki.

Azotek krzemu to jeden z najpopularniejszych materiałów ceramicznych używanych w tej dziedzinie. Kulki łożyskowe wykonane z tego materiału wyróżniają się wyjątkową twardością powierzchniową, osiągającą nawet 78 w skali Rockwella (twardość C), oraz bardzo gładką powierzchnią. Należy jednak zwrócić uwagę na pewne wyzwania związane z użyciem ceramiki w konstrukcji łożysk. Ogólnie łożyska ceramiczne są znacznie droższe w porównaniu do łożysk wykonanych wyłącznie ze stali nierdzewnej.

Wykorzystanie materiałów niemetalicznych w produkcji łożysk

Istnieje powszechne nieporozumienie, że łożyska stosowane w maszynach transportujących lub przenoszących ładunki muszą być wyłącznie metalowe. Jednakże, materiały niemetaliczne także znajdują zastosowanie w produkcji łożysk i ich elementów. Przykłady niemetalicznych materiałów używanych do budowy łożysk obejmują:

Plastik

Plastik, szczególnie nylon, jest często wykorzystywany do produkcji klatek łożyskowych. Alternatywą może być również plastik acetalowy lub POM. Inne polimery są stosowane w specjalnych konstrukcjach łożysk, gdzie wymagane są określone właściwości, takie jak wysoka prędkość, niski moment obrotowy, czy niski poziom hałasu. Przykładowo, łożyska kulkowe o dużej prędkości stosowane w wrzecionach obrabiarek często mają klatki wykonane z materiałów fenolowych (fenol-formaldehyd), które są lekkie, ale jednocześnie mocne i trwałe.

Gumowe

Guma jest również stosowana w produkcji łożysk, głównie w ich uszczelniaczach. Często wykorzystuje się kauczuk nitrylowy lub gumę Buna, ze względu na ich dobre właściwości mechaniczne. Guma, będąca materiałem stosunkowo tanim, może wytrzymać różne zakresy temperatur i jest odporna na wiele chemikaliów. Elastomery, takie jak Viton i silikon, są często wybierane w aplikacjach wymagających ich unikalnych właściwości.

Podsumowanie

Różnorodność materiałów dostępnych do produkcji łożysk podkreśla, jak istotny jest wybór odpowiedniego materiału w zależności od specyficznych wymagań i zastosowań. Każdy materiał, zarówno metaliczny, jak i niemetaliczny, posiada unikalne właściwości, które przekładają się na różne aspekty wydajności i trwałości łożyska. Dlatego wybór materiału, z którego wykonane jest łożysko, ma kluczowe znaczenie i nie powinien być lekceważony. Jest to decydujący czynnik, który wpływa na funkcjonalność, wytrzymałość oraz ogólną skuteczność łożyska w danej aplikacji.

Zamów usługę obróbki skrawaniem stali

Autor: inż. Włodzimierz Tadeusiak