26

5. LOŽISKOVÉ OCELE Akosť valivých ložísk má podstatný vplyv na technickú úroveň a prevádzkovú spoľahlivosť strojov. Zlepšenie akosti valivých ložísk sa prejaví predovšetkým zvýšením ich trvanlivosti, na čo má vplyv správna konštrukcia ložiska, jeho rozmerová presnosť, akosť povrchu hotových valivých ložísk, akosť použitej ocele a jej tepelné spracovanie. S ohľadom na vysoké požiadavky na ocele na valivé ložiská má zásadný význam okrem iného ich chemické zloženie, mikročistota, makroštruktúra a mikroštruktúra.

Požiadavky na chemické zloženie. Ložiskové ocele sú podľa použitia zaradené medzi ocele konštrukčné, napriek tomu, že ich chemické zloženie, a tým súčasne ich vlastnosti zodpovedajú viac oceliam nástrojovým. Ocele pre valivé ložiská sú nadeutektoidné chrómové ocele so základným obsahom uhlíka okolo 1 % a s obsahom chrómu najčastejšie okolo 1,5 % (tab. 5.1). Na súčasti valivých ložísk sa však používajú aj iné ocele, napr. ocele cementačné, prípadne koróziivzdorné a pre ložiská pracujúce pri zvýšených teplotách aj ocele rýchlorezné. Pre ložiská väčších rozmerov sa používajú modifikované ocele so zvýšenou prekaliteľnosťou, ktorá sa dosahuje pridaním mangánu a molybdénu (prvkov zvyšujúcich prekaliteľnosť).

Ocele pre valivé ložiská musia okrem technických parametrov spĺňať i vysoké technologické nároky. Ide hlavne o dobrú a rovnomernú obrábateľnosť a zodpovedajúcu prekaliteľnosť pri súčasnej stabilite rozmerov hotových ložísk.

Tab. 5.1

Chemické zloženie vybraných ocelí pre valivé ložiská

Chemické zloženie [%] Značka ≤≤≤≤ C ≤≤≤≤ Mn ≤≤≤≤ Si Cr Mo Iné

14 109 1,10 0,50 0,35 1,30 - 1,65 - Cu ≤ 0,25; (Ni + Cu) ≤ 0,50

14 209 1,10 1,20 065 1,30 - 1,65 - Cu ≤ 0,25; (N + Cu) ≤ 0,50

80MoCrV4016 0,85 0,35 0,25 3,75 - 4,25 4,00 - 4,50 V (0,90 - 1,10)

100Cr6 1,10 0,45 0,35 1,35 - 1,65 - -

100CrMo7 1,05 0,45 0,40 1,65 - 1,95 0,20 - 0,40 -

100CrMnMo7 1,05 0,90 0,40 1,60 - 1,95 0,20 - 0,40 -

X75WCrV1841 0,80 0,40 0,40 3,75 - 4,50 ≤0,60 V (1,00 - 1,25)

W(17,5 - 19,0)

X80WMoCrV654 0,88 0,40 0,40 3,80 - 4,50 4,70 - 5,20 V(1,70 - 2,00)

W (6,00 - 6,70)

Požiadavky na mikročistotu. Jednou z najdôležitejších požiadaviek, kladených na ocele pre valivé ložiská je vysoká mikročistota, pretože životnosť valivých ložísk závisí od množstva, druhu, tvaru, veľkosti a rozloženia inklúzií a od ich fyzikálnych vlastností. Tie nekovové inklúzie, ktoré majú menší súčiniteľ teplotnej rozťažnosti ako základná oceľová matrica, sú pri kalení matricou stláčané, čím vzniká vnútorné napätie. Nekovové inklúzie, nachádzajúce sa na funkčných plochách ložiska, alebo v ich blízkosti, pôsobia potom ako koncentrátory kontaktného napätia a stávajú sa zárodkami porušenia (kontaktná únava), ktoré sa šíri v závislosti od polohy inklúzií a nimi vyvolanej koncentrácie napätia. S narastajúcim počtom zaťažovacích cyklov vzniká na kontaktných plochách poškodenie - pitting, ktoré pokračuje vylupovaním dotykových vrstiev ocele a končí zničením ložiska.

Podľa pôvodu sa nekovové inklúzie rozdeľujú na exogénne a endogénne. Exogénne sa dostávajú do ocele pri tavbe a odlievaní ocele (napr. z výmurovky pece). Ocele pre valivé ložiská sú preto dnes väčšinou vyrábané v elektrických oblúkových peciach s cieľom minimalizovať množstvo nekovových inklúzií. Okrem klasického spôsobu výroby sa používajú ešte zvláštne výrobné pochody, napr. pretavovanie pod troskou. Endogénne inklúzie sú produktom reakcií, ktoré prebiehajú pri tavení

27

a odlievaní (dezoxidácia, desulfurácia a pod.). Sú to oxidy, globulárne inklúzie (hlinitany, kremičitany) a sulfidy.

Nekovové inklúzie majú vplyv na rôzne vlastnosti ložiskových ocelí.

• Vplyv na obrábateľnosť. Globulárne inklúzie, ktoré sú tvrdé a krehké, zhoršujú obrábateľnosť ocele a otupujú obrábacie nástroje. Pri dokončovacích operáciách (brúsenie, superfinišovanie, atď.) sa inklúzie vydrolia, vytrhnú zo základnej hmoty a spôsobujú povrchové vady na funkčných plochách ložísk.

• Vplyv pri tvárnení. Nekovové inklúzie sa hromadia na hraniciach pôvodných austenitických zŕn (napr. FeS). Pretože FeS, alebo eutektikum Fe – FeS má nízky bod topenia, spôsobuje v oblasti tvárniacich teplôt lámavosť za červeného žiaru. Preto sa pridáva mangán, ktorý viaže síru na MnS, a tým obmedzuje vznik FeS. Tieto inklúzie sú plastickejšie a lepšie sa tvárnia.

• Vplyv na mechanické vlastnosti. Niektoré inklúzie v ložiskových oceliach sú tvárne (sulfidy, poloplastické kremičitany). Po väčšom stupni tvárnenia ocele majú tvárne inklúzie pretiahnutý tvar v smere tvárnenia (sulfidy) a tvrdé inklúzie sú vydrolené do riadkov (hlinitany). Takto usporiadané inklúzie v smere tvárnenia spôsobujú pokles ťažnosti a sú príčinou rozdielnych hodnôt mechanických vlastností v priečnom a pozdĺžnom smere. Drobné globulitické inklúzie túto anizotropiu nevyvolávajú. Pri malom stupni tvárnenia sú inklúzie zvyčajne na hraniciach zŕn a znižujú mechanické hodnoty.

• Vplyv na trvanlivosť. Mikročistota je považovaná za jeden z rozhodujúcich činiteľov, ktorý ovplyvňuje trvanlivosť ložiskových ocelí. Trvanlivosť je daná počtom cyklov do vzniku únavových javov (pittingov), ktoré sa prejavia vydrolením materiálu. Aj keď výsledky skúšok o škodlivosti jednotlivých inklúzií nie sú zhodné, môžeme uvažovať, že na trvanlivosť ložiskovej ocele majú nepriaznivý vplyv všetky druhy inklúzií, aj keď v rôznej miere. Za najhoršie sú považované hlinitany. Sú to nekovové, tvrdé, ostrohranné a nedeformovateľné inklúzie, vydrolené do riadkov. Ako menej škodlivé sú označované poloplastické a plastické kremičitany. Najmenej škodlivé sú sulfidy.

Mikročistota, t.j. obsah nekovových inklúzií (ich množstvo, veľkosť, tvar) sa hodnotia podľa ISO 683-17 porovnávaním vyleštených a neleptaných vzoriek s etalónmi pri zv. 100 x. Maximálny stupeň závisí od prierezu a je pre vybrané inklúzie uvedený v tab. 5.2.

Tab. 5.2

Nekovové inklúzie podľa DIN 50602

Vyrábané priemery Inklúzie

φφφφ17 – 35 mm φφφφ 36 – 70 mm φφφφ 71 – 100 mm φφφφ 101 – 140 mm

Oxidy a sulfidy K3 ≤ 7 K4 ≤ 6 K4 ≤ 7 K4 ≤ 8

Oxidy K3 ≤ 3 K4 ≤ 2 K4 ≤ 3 K4 ≤ 3

TiC alebo TiCNi K2 ≤ 1 K2 ≤ 1 K2 ≤ 1 K2 ≤ 1

Požiadavky na makroštruktúru. Kontrola makroštruktúry je dôležitá pre ložiskové ocele. Akosť makroštruktúry súčiastok z ložiskových ocelí sa hodnotí podľa dvoch ukazovateľov:

• podľa hutnosti ocele, na ktorú má vplyv obsah pórov, plynových bublín, nahromadenie inklúzií;

• podľa smeru vlákien, ktoré vznikli tvárnením chemicky nerovnorodých dendritov a nekovových inklúzií.

Makroštruktúra ložiskových ocelí má rozhodujúci vplyv na trvanlivosť súčiastok. Hutnosť ložiskových ocelí, ktorú dosiahneme veľkým stupňom pretvárnenia, zvyšuje medzu únavy a odolnosť voči kontaktnej únave kalenej ložiskovej ocele. Veľkú trvanlivosť ložísk dosiahneme použitím akostného východiskového materiálu a značného stupňa pretvárnenia. Na trvanlivosť ložísk vplýva aj uhol, ktorý zvierajú vlákna s dotykovou plochou. Minimálnu trvanlivosť majú ložiská, u ktorých uhol medzi vláknami a dotykovou plochou je 40o až 50o.

28

Požiadavky na mikroštruktúru. Nielen inklúzie, ale aj karbidická nerovnorodosť (nerovnomerne rozložené karbidy) zhoršujú akosť ložiska. Tiež štruktúra po žíhaní na mäkko veľmi ovplyvňuje obrábateľnosť, náchylnosť k vzniku trhlín po kalení a rozsah kaliacich teplôt.

Pri hodnotení mikroštruktúry sa hodnotia karbidická nerovnorodosť (karbidická riadkovitosť, karbi-dická sieťka) a štruktúra po žíhaní na mäkko.

Karbidická riadkovitosť sa delí na:

• karbidické vycedeniny, čo sú väčšie karbidy pretiahnuté v smere tvárnenia (obr. 5.1);

• karbidickú pruhovitosť, ktorá vzniká z väčšieho množstva jemných karbidov, pretiahnutých tvárnením v súvislé pásy (obr. 5.2).

Karbidická riadkovitosť pôsobí problémy napríklad:

• pri mechanickom opracovaní,

• pri kalení zväčšuje objemové zmeny súčiastky,

• po kalení je obsah zvyškového austenitu väčší v okolí karbidických riadkov,

• v zakalenej oceli (pri chode ložiska) vznikajú v blízkosti vylúčených karbidov vlasové trhliny,

• pri rýchlom ochladzovaní po tvárnení sa v blízkosti karbidickej riadkovitosti vylučujú ďalšie karbidy, prednostne po hraniciach zŕn a vzniká karbidická sieťka.

Karbidická riadkovitosť sa podľa ISO 683-17 vyhodnocuje na kalených, leptaných vzorkách porovnávaním s etalónmi mikrosnímiek pri zv. 100 x. Maximálny stupeň je CZ 6,3/CZ 7,4.

Obr. 5.1. Karbidické vycedeniny, zv. 100 x Obr. 5.2. Karbidická pruhovitosť, zv. 100 x

Karbidická sieťka sa vyskytuje najčastejšie zo všetkých chýb, ktorých príčinou je nerovnomerné rozloženie karbidov, ktoré sú vylúčené po hraniciach zŕn (obr. 5.3). Takto vylúčené karbidy spôsobujú zníženie dynamickej únosnosti, zníženie húževnatosti a pri zaťažení dochádza k porušovaniu materiálu prednostne po hraniciach zŕn.

Vznik karbidickej sieťky zapríčiňuje nesprávny technologický postup pri tavení, odlievaní, kryštalizácii a pri tvárnení ocele. Najmä veľmi dôležitý je spôsob ochladzovania po valcovaní. Pri rýchlom ochladzovaní sa vylúči málo karbidov po hraniciach zŕn.

Podľa ISO 683-17 sa kalené, leptané vzorky porovnávajú s etalónmi mikrosnímiek pri zv. 500 x. Maximálny stupeň je CN 5,4.

Žíhacia štruktúra. Optimálna výsledná štruktúra ocelí na valivé ložiská po žíhaní na mäkko je jemný globulárny perlit s rovnomerne veľkými a rovnomerne rozloženými karbidmi (obr. 5.4).

29

Lamelárny perlit veľmi zhoršuje obrábateľnosť, zvyšuje náchylnosť k vzniku trhlín po kalení a zužuje rozsah kaliacich teplôt. Ak je v štruktúre po žíhaní na mäkko prítomný aj lamelárny perlit, tak po kalení zostane v štruktúre väčšie množstvo zvyškového austenitu, ktorý spôsobí väčšiu štruktúrnu a objemovú nestálosť u hotových ložísk. Tiež dynamické únavové skúšky vykazujú nižšie hodnoty, ak bol v štruktúre pred kalením prítomný aj lamelárny perlit.

Obr. 5.3. Karbidická sieťka, zv. 500 x Obr. 5.4. Štruktúra po žíhaní na mäkko, zv. 500 x

V žíhacej štruktúre sú ďalej neprípustné zhluky veľmi jemných globulárnych karbidov, pretože sú veľmi dobre rozpustné pri austenitizácii a koncentrácia uhlíka v austenite je väčšia práve v miestach týchto zhlukov. Následky takejto východiskovej štruktúry sa po kalení prejavujú rovnako ako lamelárny perlit.

Žíhacia štruktúra sa hodnotí porovnávaním s etalónmi pri zv. 500 x podľa normy ISO 683-17 a maximálny stupeň je 5.

Porovnanie noriem pre hodnotenie ložiskových ocelí. V Českej republike a na Slovensku sa používali technické dodacie predpisy ČSN 42 0240 a STN 42 0240 pre ocele na valivé ložiská. Tieto normy niektoré hodnotenia vôbec nepredpisujú (napr. karbidickú riadkovitosť, karbidickú sieťku). Ostatné skúšky síce predpisujú, ale sú veľmi tolerantné v porovnaní napr. s ruskou normou GOST 801-60 a nemeckou normou DIN 17 230.

Napr. STN 42 0240 pripúšťa v štruktúre po žíhaní max. 10 % lamelárneho perlitu, norma GOST 801-60 nepripúšťa v štruktúre žiadny lamelárny perlit, ani zhluky veľmi jemných globulárnych karbidov.

Nemecká norma DIN 17 230 pripúšťa v štruktúre 10 % bainitu a hodnotenie karbidov rozšírila aj o stanovenie veľkosti karbidov CG (maximálna prípustná hodnota je 2,3) a o určovanie veľkosti feritického a austenitického zrna podľa ISO 643 (maximálny prípustný stupeň je 8).

Kontrolné otázky

1. Z čoho pozostáva vstupná kontrola ložiskových ocelí (LO)?

2. Ako by ste charakterizovali LO?

3. Aké sú požiadavky na mikročistotu LO?

4. Akým spôsobom ovplyvňujú nekovové inklúzie vlastnosti LO?

5. Ktoré inklúzie najviac ovplyvňujú mechanické vlastnosti LO a prečo?

6. Definujte karbidickú riadkovitosť.

7. Definujte karbidickú sieťku.

8. Aká je požadovaná štruktúra po žíhaní na mäkko a prečo?