Co způsobuje vznik bílého lomu?
Z analýz selhání ložisek vyplývá, že hlavní příčinou vzniku bílého lomu (WEC) v ložiscích může být únava materiálu v místě valivého styku a zrychlená únava materiálu v místě valivého styku.
U ložisek předčasně poškozených odlupováním je únava materiálu v místě valivého styku urychlena dvěma fyzikálními parametry:
Vyšší namáhání oproti očekávání
Nižší pevnost oproti očekávání
Pevnost materiálu ložiska mohou negativně ovlivňovat okolnosti vedoucí k možné tvorbě vodíku. Patří mezi ně znečištění vodou, koroze, elektrické bludné proudy apod. V těchto případech může dojít k předčasnému selhání i při středním zatížení (obr. 1).
I když diskuse o možných příčinách v komunitě materiálové vědy stále probíhá, níže uvedené výsledky analýz selhání ložisek silně nasvědčují tomu, že bílý lom se vyskytuje na konci řetězce událostí vedoucích k selhání a je přirozeným důsledkem sítě trhlin v poškozených ložiscích.
U malých, vysoce zatížených a dlouhodobě provozovaných ložisek (s velmi vysokou cyklickou únavou) je známo, že ložiska mohou před selháním projít několika fázemi únavy.
První fází je tzv. usazování (shake-down), ve které dochází k mikroplastické deformaci, provoznímu vytvrzení a případnému vzniku zbytkového napětí. Při usazování může povrch ložiska rovněž prodělat určitou mikroplastickou deformaci způsobenou vyrovnáváním nerovností.
Po usazení začíná hlavní část trvanlivosti ložiska, pro kterou jsou charakteristické postupné změny v mikrostruktuře. V této fázi dochází ke změnám v rozdělení karbidu v důsledku mikroplastické deformace. Může také docházet k rozkladu zbytkového austenitu a všechny změny v mikrostruktuře jsou doprovázeny vznikem zbytkového napětí.
V pokročilém stádiu únavy materiálu v místě valivého styku lze pozorovat tmavě naleptané oblasti (DER), stejně jako bíle naleptané pásy s vysokými (HAB) a nízkými úhly (LAB) (obr. 2). I když jsou pásy HAB a LAB rovněž bíle naleptané, mají odlišný vzhled než nepravidelné formace WEC, které se vyskytují u předčasně porouchaných ložisek. To vedlo k závěru, že nepravidelné formace WEC nejsou způsobeny únavou z valivého styku (RCF). Krystalická mikrostruktura těchto bíle naleptaných oblastí se však příliš neliší od oblastí pozorovaných při předčasných selháních.
U středních a větších ložisek se výše uvedené jevy mohou projevovat jinak než u malých, vysoce zatížených ložisek. Stejně jako u jiných mechanických součástí bývá příčinou poruchy selhání nejslabšího článku řetězce (tj. počáteční odchylky ve struktuře materiálu, jako jsou příměsi a pórovitost). Jak je vysvětleno v dokumentu ISO/TR 1281-2_2008, mezní únavové zatížení se snižuje u ložisek se středním průměrem nad 100 mm. Z porovnání účinků kontaktního tlaku u malých a větších ložisek je dále zřejmé, že výsledné namáhání u větších ložisek roste s rostoucím vlivem slabých článků. Jedním z příkladů jsou příměsi, které jsou přirozenou součástí ložiskové oceli.
Bílý lom (WEC) byl hlášen u ložisek poškozených únavou materiálu v místě valivého styku již v 60. letech minulého století (viz rovněž publikace SKF z 80. let, obr. 3a). Následná zkoumání středních a velkých poškozených ložisek (ze zrychlených testů trvanlivosti nebo testů odolnosti) potvrdily, že výskyt rozsáhlých, nepravidelných sítí trhlin WEC je přirozeným vedlejším důsledkem únavy materiálu v místě valivého styku (obr .3b).
Rozdíl mezi předčasným odlupováním (které je v průmyslu často vykládáno jako WEC) a únavou materiálu v místě valivého styku spočívá v době trvání do výskytu různých událostí předcházejících odlupování. Analýzy selhání ložisek dále ukázaly, že předčasná selhání ložisek jsou oproti testům odolnosti nebo běžné únavě materiálu v místě valivého styku často spojena se vznikem trhlin v několika místech či oblastech (obr. 4).
Důvody vzniku trhlin v ložiskové oceli mohou být různé a jejich rozvoj může urychlit vyšší namáhání nebo snížení pevnosti v důsledku vlivů prostředí, například průniku vodíku do oceli (obr. 1). Jakmile vzniknou jádra trhlin (což někdy souvisí s výskytem tmavě naleptaných oblastí – DER), proces tření mezi plochami trhlin vede k přenosu materiálu z jedné strany trhliny na druhou. Výsledkem je klikatá trhlina, ve které dochází ke hromadění bíle naleptané mikrostruktury na přijímající straně.
Rozvoj bíle naleptané oblasti (WEA) rovněž závisí na orientaci trhliny pod povrchem, která může mít souvislost s působením vnitřních sil a způsobů deformace. Proto se oblasti WEA často vyskytují u vodorovně orientovaných trhlin (rovnoběžných s oběžnou drahou), zatímco u svisle orientovaných částí trhlin jsou bíle naleptané oblasti méně časté. Vznik oblastí WEA rovněž závisí na prostoru mezi plochami trhliny, počtu zatěžovacích cyklů a vnitřním napětí materiálu. (obr. 5)
Testování objasňuje příčiny předčasných selhání ložisek a trhlin WEC
Předčasná selhání ložisek a bílý lom byly předmětem výzkumu, na kterém se podílelo několik externích partnerů včetně středisek SKF University Technology Center. Výzkum byl zaměřen na ložiska v provozu, testy odolnosti a testy zaměřené na trhliny WEC. I když příčiny nebyly plně objasněny a výzkum v této oblasti dále probíhá, ukázalo se, že trhliny WEC lze reprodukovat, zjistit a dát do souvislosti s následujícími podmínkami testů:
- v testech odolnosti středních a velkých ložisek (únava materiálu v místě valivého styku)
-
v testech ložisek, jejichž kroužky byly vystaveny nadměrným tahovým strukturálním napětím
- v testech ložisek vystavených krátkodobým vysokým zatížením
-
v testech ložisek vystavených znečištění vodou (obr. 6)
-
v testech ložisek provozovaných za podmínek smíšeného tření a vysokého kinematického prokluzování při použití určitých maziv (obr. 7)
- v testech ložisek s díly sycenými vodíkem
-
u ložisek poškozených průchodem elektrického proudu (elektrickou erozí)
Závěry
- Každé předčasné selhání ložiska je jedinečné. Neexistuje žádná „jediná a výhradní příčina“ a každý případ selhání je třeba posoudit s ohledem na odpovídající provozní podmínky.
-
Přijetím vhodných opatření lze výkonnost ložisek výrazně zvýšit.
