Co jest źródłem rozwoju białych wytrawionych pęknięć?
Na podstawie wyników analizy uszkodzeń przyczynę źródłową powstawania w łożyskach białych wytrawionych pęknięć (WEC) można sprowadzić do zmęczenia powierzchni styku tocznego łożyska oraz do przyspieszenia zużycia zmęczeniowego powierzchni styku tocznego.
W łożyskach, w których przedwcześnie dochodzi do łuszczenia powierzchni bieżni, zużycie zmęczeniowe powierzchni styku tocznego przyspieszają zasadniczo dwa opisane poniżej parametry fizyczne.
Nadspodziewanie wysokie naprężenia
Niespodziewanie mała wytrzymałość
Wytrzymałość materiału łożyska może ucierpieć za sprawą czynników środowiskowych, których obecność potencjalnie wiąże się z wydzielaniem wodoru. Do takowych należy między innymi zanieczyszczenie wodą, korozja oraz przepływ elektrycznych prądów błądzących. W takich wypadkach do przedwczesnego uszkodzenia doprowadzić mogą nawet umiarkowane obciążenia (ilustr. 1).
Wyszczególnione poniżej wnioski z analizy uszkodzeń łożysk – jakkolwiek żywą pobudzają dyskusję w społeczności materiałoznawców – niezbicie dowodzą, że powstawanie WEC ma miejsce pod koniec łańcucha uszkodzeń i jest naturalną konsekwencją usieciowanych pęknięć w uszkodzonych łożyskach.
W przypadku niewielkich łożysk eksploatowanych długotrwale i poddawanych wysokim obciążeniom – pracujących w warunkach bardzo dużego zmęczenia cyklicznego – ostateczne uszkodzenie jest poprzedzone szeregiem etapów postępującego zużycia zmęczeniowego.
Pierwszy w kolejności jest etap „wstrząśnięcia”, kiedy to powstają trwałe (plastyczne) mikroodkształcenia i następuje umocnienie (przez wgniot) oraz ewentualnie nagromadzenie naprężeń szczątkowych. Na etapie wstrząśnięcia również powierzchnia łożyska może ulec pewnym plastycznym mikroodkształceniom – tam, gdzie dochodzi do spłaszczenia nierówności.
Po wstrząśnięciu rozpoczyna się najdłuższa z faz okresu eksploatacji łożyska, i zachodzą w jej trakcie stopniowe zmiany w mikrostrukturze. W tej fazie mikroodkształcenia plastyczne wpływają na rozkład węglików. Rozkładać się może też austenit szczątkowy, a wszystkim mikrostrukturalnym zmianom towarzyszy narastanie naprężenia szczątkowego.
Na etapie zaawansowanego zmęczenia powierzchni styku tocznego (RCF, <I>Rolling Contact Fatigue</I>) znajduje się ciemne obszary wytrawienia (DER, <I>Dark Etching Regions</I>), a także wysokie (HAB) i niskie (LAB) pasma białych wytrawionych pęknięć (ilustr. 2). HAB i LAB, choć zaliczane do białych wytrawionych pęknięć, różnią się wyglądem od nieregularnych formacji WEC, jakie występują w przedwcześnie ulegających uszkodzeniu łożyskach. To doprowadziło swego czasu do wniosku, że nieregularne formacje WEC są niezwiązane z RCF. Jednakże mikrostruktura owych białych obszarów wytrawienia (WEA, <I>White Etching Area</I>) nie różni się zbytnio, pod względem krystaliczności, od WEA wykrywanych przy przedwczesnym uszkodzeniu.
W przypadku łożysk wielkogabarytowych i łożysk średniej wielkości, wymienione wyżej zjawiska niekoniecznie występują tak samo jak w małych łożyskach pracujących pod wysokim obciążeniem. Podobnie jak inne części mechaniczne, owe łożyska ulegają uszkodzeniu zwykle wtedy, gdy zawodzi najsłabsze ogniwo – kiedy do głosu dochodzą wcześniejsze zmiany w strukturze materiału, takie jak wtrącenia czy nabyta porowatość. Jak wyjaśniono w normie ISO/TR 1281-2:2008, wytrzymałość zmęczeniowa łożysk o średniej średnicy powyżej 100 mm spada wraz ze wzrostem rozmiaru łożyska. Ponadto w łożyskach większych rozmiarów, w porównaniu z łożyskami mniejszymi, większy jest przyrost naprężeń wynikający z nacisku na styku powierzchni, a tym samym bardziej daje się we znaki wpływ słabych ogniw. Za przykład mogą tu posłużyć wtrącenia, będące zjawiskiem naturalnym bez względu na gatunek stali łożyskowej.
WEC dokumentowano w łożyskach, w których dochodziło do zmęczenia powierzchni styku tocznego już w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku (zob. także w pracy SKF z lat osiemdziesiątych, na ilustr. 3a). Następcze badania uszkodzonych łożysk wielkogabarytowych i łożysk średniej wielkości (pochodzących z prób wysoce przyspieszonego zużycia lub z prób zmęczeniowych) potwierdziły, że występowanie rozbudowanych, nieregularnie usieciowanych WEC jest naturalnym skutkiem ubocznym zmęczenia powierzchni styku tocznego (ilustr. 3b).
Różnicę między przedwczesnym łuszczeniem (w przemyśle często interpretowanym jako uszkodzenie typu WEC) a zmęczeniem powierzchni styku tocznego łożyska można dostrzec w aspekcie czasu, jaki upływa, zanim nastąpią poszczególne zdarzenia poprzedzające początek pojawienia się łuszczenia. Ponadto – co wykazuje analiza uszkodzeń łożysk – w odróżnieniu od skutków prób zmęczeniowych czy od „normalnego” RCF, przedwczesne uszkodzenia często wiążą się z zapoczątkowaniem pękania w szeregu miejsc lub na kilku obszarach (ilustr. 4).
Przyczyny zapoczątkowania pęknięć stali łożyskowej bywają różne – a proces ten postępuje szybciej przy wysokich naprężeniach czy w razie spadku wytrzymałości pod wpływem czynników środowiskowych, takich jak wnikanie w stal wodoru (ilustr. 1). Gdy powstały już źródła pęknięć (ma to czasami związek z występowaniem ciemnych obszarów wytrawienia – DER), tarcie poprzez powierzchnie czołowe pęknięć skutkuje przenoszeniem materiału z jednej strony pęknięcia na drugą. W rezultacie defekt „meandruje” i po stronie natarcia narasta mikrostruktura białego wytrawionego pęknięcia.
Rozwój białych obszarów wytrawienia (WEA) zależy również od zorientowania pęknięcia w warstwie podpowierzchniowej. Wpływ na to mogą mieć oddziałujące siły wewnętrzne i sposoby odkształcania. Z tego powodu powstawanie WEA w większej mierze dotyka pęknięć zorientowanych poziomo (równolegle do bieżni), podczas gdy w częściach pęknięcia zorientowanego pionowo WEA zwykle są mniej widoczne. Co więcej, tworzenie się WEA uzależnione jest od wielkości odstępu między powierzchniami czołowymi pęknięcia, od częstości cykli naprężania oraz od stanu wewnętrznego naprężenia materiału (ilustr. 5).
Testy pozwalają zrozumieć powstawanie przedwczesnych uszkodzeń łożysk oraz białych wytrawionych pęknięć.
Badania w zakresie przedwczesnych uszkodzeń łożysk i powstawania białych wytrawionych pęknięć prowadzono we współpracy z szeregiem zewnętrznych partnerów – w tym uniwersyteckich ośrodków technologicznych SKF. Poddawano im łożyska pochodzące z eksploatacji oraz z prób zmęczeniowych i prób WEC. Białe wytrawione pęknięcia, aczkolwiek nie całkiem wyjaśnione i nadal będące przedmiotem trwających badań, z powodzeniem odtworzono, zlokalizowano i powiązano z następującymi warunkami testowymi:
- w próbach zmęczeniowych łożysk wielkogabarytowych i średniej wielkości (zmęczenie powierzchni styku tocznego)
-
w próbach obejmujących poddawanie łożysk nienaturalnie wysokim strukturalnym naprężeniom rozciągającym
- w próbach obejmujących poddawanie łożysk krótkotrwałym dużym obciążeniom
-
w próbach obejmujących poddawanie łożysk zanieczyszczeniu wodą (ilustr. 6)
-
w próbach łożysk w warunkach współwystępowania tarcia i kinematycznych warunków silnego poślizgu, przeprowadzanych z zastosowaniem określonych środków smarnych (ilustr. 7)
- w próbach łożysk z elementami uwodornionymi
-
w próbach łożysk uszkodzonych na skutek przepływu prądu elektrycznego (erozji elektrycznej)
Wnioski
- Każde przedwczesne uszkodzenie łożyska jest niepowtarzalne: Nie ma czegoś takiego jak „jedyna możliwa przyczyna źródłowa” – każdy przypadek uszkodzenia musi zostać rozpatrzony w świetle powiązanych warunków eksploatacji.
-
Możliwe jest wszakże znajdowanie takich środków zaradczych, które przyczyniają się do znacznego podnoszenia parametrów użytkowych łożysk.
