Łożyska kulkowe poprzeczne ze stali nierdzewnej: przewodnik po wyborze i odporności na korozję

Dlaczego łożyska kulkowe poprzeczne ze stali nierdzewnej są najlepszym wyborem w wymagających środowiskach

Łożyska kulkowe zwykłe ze stali nierdzewnej to najpowszechniej stosowany typ łożysk na świecie — i nie bez powodu. Ich geometria z głębokimi bieżniami pozwala im jednocześnie przenosić obciążenia promieniowe i osiowe, a konstrukcja ze stali nierdzewnej zapewnia im odporność na korozję, wilgoć i narażenie chemiczne, której standardowe łożyska ze stali chromowanej po prostu nie są w stanie dorównać. W zastosowaniach związanych z wodą, żywnością, chemikaliami lub wysoką wilgotnością standardowym wyborem inżynierów są łożyska kulkowe zwykłe ze stali nierdzewnej.

Są dostępne z praktycznie każdym rozmiarem otworu od 1 mm do ponad 150 mm, pracują z dużymi prędkościami przy niskim tarciu i wymagają minimalnej konserwacji, jeśli są prawidłowo uszczelnione. Zrozumienie ich konstrukcji, gatunków materiałów, nośności i opcji uszczelnień pomaga inżynierom i kupującym wybrać właściwe łożysko do każdego zastosowania i uniknąć kosztownych awarii wynikających ze złego wyboru.

Jak zbudowane są łożyska kulkowe poprzeczne

„Głęboki rowek” w nazwie odnosi się do ciągłego rowka bieżni wykonanego maszynowo zarówno w pierścieniu wewnętrznym, jak i zewnętrznym. Rowek ten jest głębszy w stosunku do średnicy kulki niż w łożyskach skośnych lub wzdłużnych — zazwyczaj ma on promień rowka 51,5–53% średnicy kuli . Dzięki tej geometrii łożysko może przenosić obciążenia osiowe w obu kierunkach oprócz obciążeń promieniowych, bez konieczności stosowania oddzielnego łożyska wzdłużnego.

Standardowe łożysko kulkowe zwykłe składa się z czterech elementów:

• Pierścień wewnętrzny: Pasuje do wału obrotowego; przenosi wewnętrzny rowek bieżni.
• Pierścień zewnętrzny: Pasuje do otworu obudowy; zawiera rowek bieżni zewnętrznej.
• Dopełnienie piłki: Precyzyjnie szlifowane stalowe kulki toczące się po bieżniach i przenoszące obciążenie pomiędzy pierścieniami.
• Klatka (uchwyt): Utrzymuje kulki równomiernie rozmieszczone na obwodzie, aby zapobiec kontaktowi między nimi i zmniejszyć ciepło i hałas. Wykonane ze stali, mosiądzu lub PTFE, w zależności od zastosowania.

W wersjach ze stali nierdzewnej pierścienie i kulki są wykonane ze stopów stali odpornych na korozję, a nie z całkowicie hartowanej stali chromowej (AISI 52100), która jest standardem dla łożysk ogólnego przeznaczenia. To rozróżnienie wpływa na praktycznie każdą różnicę w wydajności między tymi dwoma typami.

Gatunki stali nierdzewnej stosowane w produkcji łożysk

Nie wszystkie łożyska ze stali nierdzewnej są wykonane z tego samego stopu. Zastosowany gatunek ma bezpośredni i znaczący wpływ na odporność na korozję, twardość, nośność i maksymalną temperaturę pracy. W produkcji łożysk dominują trzy gatunki:

AISI 440C (martenzytyczna stal nierdzewna)

Najpopularniejszy gatunek łożysk kulkowych zwykłych ze stali nierdzewnej. AISI 440C zawiera około 17% chromu i 1% węgla , co pozwala na obróbkę cieplną do twardości Rockwella 58–62 HRC — porównywalna ze standardową stalą łożyskową. Twardość ta jest niezbędna dla nośności i odporności zmęczeniowej. Zawartość chromu zapewnia dobrą odporność na korozję w środowiskach lekko korozyjnych, chociaż temperatura 440C nie nadaje się do długotrwałego zanurzenia w wodzie morskiej lub mocnych kwasach.

AISI 316 (austenityczna stal nierdzewna)

AISI 316 zawiera 16–18% chromu, 10–14% niklu i 2–3% molibdenu . Molibden znacznie zwiększa odporność na wżery chlorkowe i korozję szczelinową, czyniąc łożyska 316 standardem w zastosowaniach morskich, farmaceutycznych i przetwórstwie chemicznym, gdzie temperatura 440C nie zawiodłaby. Kompromisem jest twardość: 316 nie może być poddawany obróbce cieplnej do twardości na poziomie łożyska i zazwyczaj osiąga tylko 25–35 HRC . Ogranicza to w przybliżeniu jego nośność statyczną i dynamiczną 30–50% odpowiedników 440C , dlatego łożyska 316 są zarezerwowane dla lekko obciążonych i wysoce korozyjnych środowisk.

AISI 304 (austenityczny ogólnego przeznaczenia)

AISI 304 jest najczęściej produkowaną stalą nierdzewną na świecie, ale jest rzadziej stosowana w łożyskach precyzyjnych niż 440C lub 316. Zapewnia dobrą ogólną odporność na korozję, ale ma niższą odporność na chlorki niż 316 i niższą twardość niż 440C. Występuje głównie w elementach klatek, osłonach i obudowach, a nie w samych pierścieniach nośnych i kulkach.

Opcje uszczelniania i ekranowania oraz ich znaczenie dla wydajności

Sufiks w oznaczeniu na numerze łożyska informuje o jego konfiguracji uszczelnienia – jest to jeden z najważniejszych wyborów dla rzeczywistej trwałości łożyska. Trzy główne opcje to:

Łożyska otwarte (bez przyrostka)

Łożyska otwarte nie mają osłony po żadnej stronie. Umożliwiają swobodny przepływ smaru, dzięki czemu nadają się do zastosowań z zewnętrznymi układami smarowania lub do pracy z dużymi prędkościami, gdzie krytyczne jest rozpraszanie ciepła. Nie zapewniają jednak żadnej ochrony przed zanieczyszczeniem, dlatego można je stosować tylko w czystych, kontrolowanych środowiskach.

Łożyska ekranowane (ZZ lub 2Z)

Metalowe osłony są wciskane w rowek pierścienia zewnętrznego z jednej lub obu stron. Są bezkontaktowe – między tarczą a pierścieniem wewnętrznym jest niewielki luz roboczy – tak dodają praktycznie bez dodatkowego tarcia i oporu . Zapobiegają przedostawaniu się dużych cząstek do łożyska, ale nie są skuteczne w przypadku drobnego pyłu, wody lub zanieczyszczeń płynnych. Oznaczenie ZZ oznacza, że ​​obie strony są ekranowane. Łożyska ze stali nierdzewnej ekranowane są wstępnie nasmarowane i stanowią najlepszy wybór w środowiskach charakteryzujących się dużą szybkością i czystością, ale niekontrolowanych.

Łożyska uszczelnione (2RS lub RS)

Gumowe lub syntetyczne uszczelki stykowe przylegają do rowka w pierścieniu wewnętrznym, zapewniając znacznie lepsze odcięcie wilgoci, drobnych cząstek i cieczy niż osłony. Oznaczenie 2RS oznacza, że ​​obie strony są uszczelnione. Kompromisem jest niewielki wzrost momentu tarcia – zazwyczaj 2–5 razy wyższy moment rozruchowy w porównaniu z ekranowanymi odpowiednikami — oraz niewielkie zmniejszenie maksymalnej dopuszczalnej prędkości. W przypadku łożysk ze stali nierdzewnej stosowanych w środowiskach mokrych, przetwarzających żywność lub chemicznych, uszczelnienie 2RS jest prawie zawsze właściwym wyborem. W przypadku zastosowań korozyjnych należy również określić materiał wargi uszczelniającej — Uszczelki Viton (FKM). przewyższają standardową gumę NBR w olejach, paliwach i wielu chemikaliach.

Nośność: porównanie stali nierdzewnej ze stalą chromowaną

Najważniejszym kompromisem przy wyborze stali nierdzewnej zamiast stali chromowanej jest nośność. Ponieważ stopy stali nierdzewnej — zwłaszcza 440C — są nieco bardziej miękkie i mają inną charakterystykę zmęczeniową niż stal chromowana AISI 52100, ich nośność dynamiczna i statyczna są niższe dla równoważnych wymiarów łożysk.

Co do zasady, Łożyska ze stali nierdzewnej 440C przenoszą około 80–85% obciążenia dynamicznego (C) równoważnego łożyska ze stali chromowanej . W przypadku typowego łożyska 6205 nośność dynamiczna stali chromowanej wynosi zwykle około 14,8 kN; stal nierdzewna 6205 440C przenosi około 12–13 kN. Ta różnica ma znaczenie w zastosowaniach wymagających dużego obciążenia i dużej liczbie cykli, ale jest nieistotna w przypadku lekko obciążonej lub przerywanej pracy.

W przypadku łożysk ze stali nierdzewnej 316 redukcja nośności jest poważniejsza — aż do 50–70% niższa niż stal chromowana ze względu na znacznie niższą osiągalną twardość. Łożyska te należy wybierać tylko wtedy, gdy rzeczywiście wymagana jest odporność na korozję na poziomie 316, a analiza obciążenia potwierdza jej odpowiedniość.

Wspólne serie łożysk i standardy wymiarowe

Łożyska kulkowe zwykłe ze stali nierdzewnej spełniają te same normy wymiarowe ISO i ABEC, co łożyska ze stali chromowanej, dzięki czemu można je stosować zamiennie w obudowach i konstrukcjach wałów bez modyfikacji. Najważniejsze serie to:

Numer łożyska koduje jego wymiary. Na przykład: Stal nierdzewna 6205-2RS łożysko ma otwór 25 mm (średnica wewnętrzna), średnicę zewnętrzną 52 mm i szerokość 15 mm — tak samo jak każdy inny model 6205 niezależnie od producenta, zgodnie z normami ISO 15. Sufiks 2RS oznacza gumowe uszczelki po obu stronach.

Branże i zastosowania wykorzystujące łożyska kulkowe poprzeczne ze stali nierdzewnej

Odporność na korozję i wszechstronność łożysk kulkowych zwykłych ze stali nierdzewnej sprawiają, że są one niezbędne w wielu gałęziach przemysłu:

Przetwarzanie żywności i napojów

Napędy przenośników, urządzenia mieszające, maszyny do napełniania i środowiska płukania wymagają łożysk odpornych na częste narażenie na wodę pod wysokim ciśnieniem i środki czyszczące. Łożyska 2RS ze stali nierdzewnej ze smarem dopuszczonym do kontaktu z żywnością (certyfikat NSF H1) stanowią standardową specyfikację. Zarówno FDA, jak i EHEDG uznają stal nierdzewną 316 za dopuszczalną do stosowania w strefach bezpośredniego kontaktu z żywnością.

Sprzęt morski i offshore

Narażenie na słoną wodę szybko powoduje korozję łożysk ze stali chromowanej – czasami w ciągu kilku dni bez zabezpieczenia. Łożyska ze stali nierdzewnej 440C lub 316 są stosowane w układach sterowania łodziami, wciągarkach, kołowrotkach wędkarskich, pompach morskich i sprzęcie pokładowym, gdzie takie środowisko jest nieuniknione. Do zastosowań całkowicie zanurzonych lub w strefach pływowych, Stal nierdzewna 316 z uszczelkami Viton jest najbardziej odpowiednią specyfikacją.

Urządzenia medyczne i farmaceutyczne

Cykle sterylizacji — czy to w autoklawie parowym, gazie EtO czy chemicznie — wymagają materiałów, które nie ulegną korozji ani degradacji pod wpływem powtarzającego się narażenia. Łożyska ze stali nierdzewnej są stosowane w końcówkach chirurgicznych, wiertarkach dentystycznych, sprzęcie diagnostycznym i wirówkach laboratoryjnych. W tych zastosowaniach łożyska ze stali nierdzewnej, suche lub smarowane PTFE są często wymagane, aby uniknąć zanieczyszczenia smarem w sterylnych środowiskach.

Przetwarzanie chemiczne i pompy

Pompy odśrodkowe, mieszadła i urządzenia dozujące chemikalia przenoszące kwasy, zasady lub rozpuszczalniki wymagają łożysk odpornych na określone chemikalia. Wybór pomiędzy 440C a 316 zależy od substancji chemicznej — 316 lepiej radzi sobie z roztworami kwasu solnego i chlorku, podczas gdy 440C radzi sobie odpowiednio w wielu rozpuszczalnikach organicznych i środowiskach łagodnych kwasów.

Sprzęt półprzewodnikowy i pomieszczenia czyste

W pomieszczeniach czystych standardowe łożyska nasmarowane odgazowują i wyrzucają cząstki. Łożyska kulkowe zwykłe ze stali nierdzewnej z koszykami z PTFE i suchym smarem lub smarem kompatybilnym z próżnią są stosowane w robotach do przenoszenia płytek, etapach precyzyjnego pozycjonowania i mechanizmach komory próżniowej, gdzie należy zminimalizować wytwarzanie cząstek i odgazowywanie.

Wybór smarowania łożysk ze stali nierdzewnej

Wstępnie nasmarowane łożyska kulkowe zwykłe ze stali nierdzewnej są zwykle smarowane standardowym smarem litowo-kompleksowym lub polimocznikiem, ale specjalistyczne zastosowania wymagają specjalnych środków smarnych:

• Smar dopuszczony do kontaktu z żywnością (NSF H1): Wymagane w przypadku wszelkich zastosowań związanych z kontaktem z żywnością lub bliskością żywności. Zazwyczaj biały olej mineralny lub baza syntetyczna z zagęszczaczami zatwierdzonymi przez FDA. Typowe produkty to Mobilgrease FM 102 i Kluber Paraliq GTE 703.
• Sucha powłoka PTFE lub smar zagęszczony PTFE: Do zastosowań w pomieszczeniach czystych, próżniowych lub medycznych, gdzie należy kontrolować odgazowywanie i wytwarzanie cząstek. Smary PTFE również dobrze radzą sobie z ekstremalnymi temperaturami — zakres roboczy zazwyczaj od -200°C do 260°C .
• Smar perfluoropolieterowy (PFPE): Opcja o najwyższej wydajności do pracy w ekstremalnych temperaturach, agresywnych chemikaliach i środowiskach o wysokiej próżni. Stosowany w przemyśle lotniczym, sprzęcie półprzewodnikowym i zastosowaniach kriogenicznych. Znacznie droższe – często 10–20× koszt standardowych smarów .
• Niesmarowane / suche: Niektóre łożyska ze stali nierdzewnej są dostarczane bez smaru do zastosowań, w których płyn procesowy działa jak smar (pompy wodne) lub gdy jakikolwiek smar jest niezgodny ze środowiskiem. Aby potwierdzić przydatność, należy dokładnie przeanalizować obciążenie i prędkość.

Stopnie precyzji i klasy tolerancji

Łożyska kulkowe zwykłe ze stali nierdzewnej są produkowane w tych samych klasach tolerancji ABEC (ANSI/ABMA) lub ISO, co łożyska ze stali chromowanej. Gatunek wpływa bezpośrednio na dokładność wymiarową, bicie, a ostatecznie na działanie zespołu wibracyjnego i akustycznego:

• ABEC 1 / ISO P0: Standardowa klasa przemysłowa. Odpowiedni do większości maszyn ogólnych, przenośników i sprzętu rolniczego. Tolerancja otworu zazwyczaj ±12 µm dla otworu o średnicy 25 mm.
• ABEC 3 / ISO P6: Poprawiona dokładność. Stosowany w lepszej jakości silnikach, pompach i obrabiarkach pracujących z umiarkowanymi prędkościami.
• ABEC 5 / ISO P5: Wysoka precyzja. Wymagane w przypadku silników elektrycznych powyżej 3600 obr./min, wrzecion precyzyjnych i urządzeń medycznych. Tolerancja otworu jest zwężana do ±8 µm dla otworu o średnicy 25 mm.
• ABEC 7 / ISO P4 i ABEC 9 / ISO P2: Ultraprecyzyjne gatunki do wrzecion o dużej prędkości, żyroskopów lotniczych i precyzyjnych instrumentów. Gatunki te są dostępne w wykonaniu ze stali nierdzewnej, ale wiążą się ze znacznym wzrostem kosztów i wymagają dopasowanych tolerancji obudowy i wału, aby zapewnić korzyści w zakresie wydajności.

W przypadku większości przemysłowych zastosowań łożysk ze stali nierdzewnej, Wystarczy ABEC 1 lub ABEC 3 . Określanie wyższych stopni precyzji niż wymaga tego aplikacja, zwiększa koszty bez korzyści w zakresie wydajności, jeśli otaczające pasowania maszynowe nie są utrzymywane w odpowiednich tolerancjach.

Uwagi dotyczące instalacji, dopasowania i obsługi

Nawet najwyższej jakości łożysko ze stali nierdzewnej ulegnie przedwczesnej awarii, jeśli zostanie zainstalowane nieprawidłowo. Kilka praktyk ma kluczowe znaczenie:

1. Nigdy nie przykładaj siły montażowej przez elementy toczne. Siła docisku musi przejść przez montowany pierścień — pierścień wewnętrzny w przypadku pasowania na wale, pierścień zewnętrzny w przypadku pasowania w obudowie. Siła napędowa przechodząca przez kulki uszkadza bieżnie i powoduje natychmiastowe uszkodzenia zmęczeniowe.
2. Dopasuj tolerancje wału i oprawy do rodzaju obciążenia. Obrotowy pierścień wewnętrzny (najczęściej) wymaga pasowania ciasnego na wale (tolerancja k5 lub m5), aby zapobiec korozji ciernej. Pierścień zewnętrzny w oprawie stałej wykorzystuje pasowanie przejściowe lub z niewielkim luzem (H7 lub J7).
3. Unikaj instalacji uderzeniowej. Użyj prasy do łożysk lub narzędzia do montażu. Uderzanie udarowe powoduje powstawanie Brinella — trwałych wgłębień w bieżni, które powodują wibracje i przedwczesną awarię.
4. Utrzymuj łożyska ze stali nierdzewnej w czystości podczas obsługi. Odciski palców pozostawiają osady chlorków, które mogą zainicjować korozję na powierzchniach o temperaturze 440°C. W zastosowaniach powodujących korozję należy używać czystych rękawic.
5. Sprawdź luz roboczy po montażu. Wewnętrzny luz promieniowy (C2, CN, C3) wpływa na rozkład obciążenia i zachowanie termiczne. W większości standardowych zastosowań stosowany jest luz CN (normalny), ale w zastosowaniach, w których występuje znaczny wzrost temperatury lub ciasne pasowanie oprawy, może być wymagany luz C3 (większy niż normalnie), aby zapobiec naprężeniu wstępnemu w miarę nagrzewania się łożyska.