En los sistemas de potencia de los equipos industriales modernos y los trenes de alta velocidad, los rodamientos deben funcionar de manera estable en condiciones de alta velocidad, alta carga y ciclo térmico continuo.Esto es particularmente cierto para los motores de tracción de los vehículos ferroviarios.Los rodamientos de alta velocidad, los motores de alta temperatura de la industria metalúrgica, están sometidos a una exposición prolongada al calor de fricción y a fuentes térmicas externas.haciendo que sean muy susceptibles a la fatiga térmica, lo que puede conducir a problemas como la descamación, la degradación de la dureza y la inestabilidad estructural. 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.

Mecanismo principal de influencia del ciclo térmico de alta temperatura en el acero de rodamiento

En el entorno de alta temperatura, el proceso repetido de calentamiento y enfriamiento de la superficie de la carrera del rodamiento producirá una concentración de tensión térmica.Estas tensiones térmicas junto con la tensión de contacto de rodadura son los inductores importantes que promueven la grieta de fatiga temprana del rodamientoEl mecanismo específico es el siguiente:

Carga alterna de tensión térmica: el gradiente de temperatura produce tensiones cíclicas de tracción y compresión repetidas entre la superficie y el núcleo.

Cambios en la estructura del material: el endurecimiento de la martensita, el engrudecimiento del carburo y la redistribución en el acero conducen a una disminución de la dureza;

Inestabilidad de la película lubricante: la alta temperatura destruye la estabilidad de la película de aceite, aumenta la fricción de la superficie de contacto, se intensifica la micro-saldadura;

Espallamiento inducido por oxidación: la ruptura de la capa de oxidación a alta temperatura forma residuos de óxido, lo que acelera la propagación de las grietas de fatiga.

Análisis típico del modo de falla: desgaste térmico y regresión de dureza

En las aplicaciones prácticas, los modos de falla más comunes de los rodamientos de alta temperatura incluyen:

Descascarillado de la superficie de rodadura (espalling): causado principalmente por la fatiga térmica, con descascarillado en forma de pozo de color gris oscuro, de profundidad de 1 a 3 μm;

Degradación de la dureza de la superficie: con el paso del tiempo, la dureza de la superficie disminuye gradualmente de más de 60 HRC a 55 HRC o incluso por debajo, perdiendo resistencia a la fatiga por contacto;

Desarrollo en cadena de la fuente de grietas: las microgrietas se conectan gradualmente bajo la acción del ciclo térmico para formarse a través del pelado;

Precipitación de carburos en red: los carburos en el acero se extraen y crecen, formando una zona de endurecimiento en el límite del grano, que se convierte en el camino preferido de la grieta.

Las características de evolución de la estructura del acero de rodamiento a alta temperatura

En la actualidad, los principales aceros de rodamientos de alta temperatura incluyen AISI M50, M50NiL, JIS SUJ2 (modificado), Cr4Mo4V, etc.que muestran la siguiente evolución de la microestructura en condiciones de fatiga térmica:

La martensita templada se transforma en sorbita o re-austenita templada, y la dureza disminuye;

La rugosidad y agregación del carburo reducen la uniformidad de la estructura, y las grietas de fatiga son fáciles de producir;

El grano es grueso y se pierde el efecto de refuerzo del cristal fino, lo que acorta la vida de fatiga por contacto;

La austenita residual desaparece o se produce la transformación inestable, lo que resulta enEl cambio de volumen y el agrietamiento son fáciles de producir.

Normas de rendimiento de los materiales en entornos de fatiga térmica

El acero portador de alta temperatura debe cumplir generalmente las siguientes normas o parámetros de ensayo:

GB/T 18254 "Acero con alto contenido de cromo en carbono": norma básica de rendimiento del acero;

AMS 6491 (M50) y AMS 6278 (M50NiL): requisitos de tratamiento térmico y rendimiento para acero de rodamientos de aviación;

ISO 683-17: Norma general de acero aleado para rodamientos de tratamiento térmico;

Función de retención de dureza: a una temperatura de 150°C a 300°C, la dureza se mantiene como mínimo en 58HRC.

Resistencia térmica a las grietas: el umbral de propagación de las grietas ΔK es igual o superior a 15 MPa√m;

Dirección del ajuste fino de la aleación: diseño de optimización para la fatiga térmica

Para el mecanismo de falla causado por la fatiga térmica, la composición de la aleación y el tratamiento térmico se pueden ajustar a partir de los siguientes aspectos:

Añadir molibdeno (Mo) y vanadio (V): refinar el carburo, mejorar la dureza a altas temperaturas y la resistencia a las grietas térmicas;Añadir níquel (Ni): estabilizar la austenita residual,mejorar la resistencia al impacto y la estabilidad dimensional del tratamiento térmico;

Optimizar el contenido de C en 0,25% ~ 0,35%: controlar el número y la morfología de los carburos, reducir la fragilidad del borde del grano;

Tratamiento de templado por control de temperatura: templado secundario (540-560°C) para mejorar la estabilidad del templado e inhibir la degradación de la dureza.

Desarrollo del acero de tierras raras: mejora de la morfología de las inclusiones, mejora de la adhesión de la escala y reducción de la fuente de separación.

Nueva tendencia de materiales y caso de referencia de ingeniería

Algunas aplicaciones de gama alta han adoptado el siguiente nuevo acero portador de alta temperatura:

M62 (serie Cr-Mo-V-Ni): utilizado para el rodamiento principal de los motores aéreos, con excelente resistencia a las grietas térmicas;

Cronidur 30 (acero martensítico de aleación de nitrógeno): resistente a la corrosión, resistente al templado térmico, puede utilizarse en motores de alta velocidad;

Acero de rodamiento híbrido cerámico híbrido: combinado con rodillos Si3N4 para reducir el calentamiento por fricción y mejorar la capacidad de limitar la temperatura.

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.

La fiabilidad del rodamiento se extiende desde la naturaleza del material

La fatiga térmica se ha convertido en un cuello de botella crítico que limita la vida útil de los rodamientos de alta temperatura, principalmente debido a la respuesta inestable de las microestructuras del material al ciclo térmico.Comprendiendo profundamente los mecanismos de fallo de fatiga térmica y optimizando con precisión los elementos de aleaciónEn la actualidad, la tecnología de la fibra óptica, la tecnología de la fibra óptica, los parámetros de tratamiento térmico y el control de la microestructura permiten lograr una vida útil más larga y una mayor fiabilidad en entornos de alta temperatura.En aplicaciones de alta temperatura como los trenes de alta velocidad, equipos metalúrgicos y husillos de turbinas eólicas, sólo mediante la integración térmica, mecánica,y factores materiales en un diseño integral puede un robusto "muro de protección" para el rendimiento de soporte a altas temperaturas se establece realmente.