Anvendelsen af applikationsspecifikke lejestål og overfladebehandlinger gør det muligt at øge pålideligheden af lejer betydeligt, hvilket igen bidrager til reduktionen af TCO for maskiner og udstyr (samlede ejeromkostninger).
For højtydende lejer spiller valg og optimering af (stål) materialer en central rolle i deres udvikling. Af denne grund er materialeteknik en af fire centrale forsknings- og udviklingsteknologier på NSK.
En kombination af en speciel legering og specifik varmebehandling blev brugt til at udvikle NSK's Super Tough stål
Materiel renhed
Træthedstiden for legeret bærende stål som f.eks. 100 Cr6 (eller SUJ2 i den japanske standard) afhænger for eksempel hovedsageligt af inklusionsindholdet. Især oxid eller ikke-metalliske indeslutninger fremmer negative effekter under kørebanens overflade. Som et eksempel er det kendt, at aluminiumoxidindeslutninger, der dannes ved oxidationsprocessen under smeltningen, kan føre til en betydelig reduktion i lejetræthedslevetid. Denne effekt er skabt, fordi aluminiumoxidindeslutninger er relativt hårde og kan bryde op, når pasformen behandles, f.eks. under smedning. Når opbrud opstår, krymper indeslutningerne og svækker mikrostrukturen.
BNEQARTET dybe rillekuglelejer bruges i drev på elektriske maskiner såsom husholdningsapparater
I samarbejde med en førende stålproducent har NSK udviklet materialer som Z-stål, EP-stål og BNEQUARTET for at forhindre denne type negative virkning. Nogle af disse materialer fremstilles ved hjælp af specielle smelteprocesser, der reducerer ikke-metalindhold og forlænger træthedstiden.
Applikationsspecifik varmebehandling
Varmebehandling er en anden parameter, der påvirker stålets specifikke egenskaber og derfor også påvirker lejerne. Dette er grunden til, at materialer som NSK's SHX-stål udsættes for en specifik behandling, der er særligt slidstærk ved høje driftstemperaturer. Lejer af denne type kræves ikke kun hvor varme er til stede som en iboende del af processen, men i applikationer såsom værktøjsmaskiner, hvor hurtige spindelhastigheder genererer høje temperaturer i drevkomponenterne.
Under udviklingen blev SHX-stålets egenskaber bevist ved hjælp af omfattende slidmodstandstest, herunder fire-kugle- og rulleprøver samt materialet og overfladetræthedstest.
Typisk skadesmønster: Hvide ætsningsområder under materialets overflade
Forskellen ligger i legeringen
Den tredje parameter i søgen efter større pålidelighed er legeringen. Legeringer kan forhindre eller i det mindste minimere dannelsen af revner i den bærende mikrostruktur. Igen i samarbejde med stålproducenter har NSK udviklet forskellige speciallegeringer til denne applikationsprofil.
Brændte firerækkede cylindriske rullelejer, der anvendes som integrerede planetlejer i vindmøller
Materialer som NSK's Super Tough stål kommer fra at kombinere den optimale varmebehandling med en speciel legering (Image1). For eksempel øger hærdningen af stål ved hjælp af en proces som carbonitrering levetiden med en faktor to i sammenligning med den estimerede levetid under forurenede smørebetingelser. I miljøer, hvor smøremidlet har normale urenheder, kan lejets levetid endda øges med en faktor på 10. Årsagen til denne forbedrede ydeevne er, at overfladeinduceret slid forårsaget af utilstrækkelig smøring eller forurening af smøremidlet reduceres betydeligt. Til gengæld er enhver potentiel skade forårsaget af 'hvide ætsningsrevner' (WEC'er) forsinket.
Eksempel 1
Udviklingen af nye materialer er normalt som reaktion på industrielle tendenser eller ændringer i applikationskravene. Dette var tilfældet med BNEQUARTET-teknologi, som NSK først introducerede for to år siden (Image2). BNEQUARTET blev oprindeligt oprettet som reaktion på den stadige stigning i størrelse på vaskemaskiner. De dybe rillekuglelejer, der findes i vid udstrækning i vaskemaskiner med frontlæsning i hele Europa, er underlagt ujævn og asymmetrisk belastning. Med stigende tromlestørrelser stiller højere vaskebelastninger større krav til lejer.
Fordele ved Super-TF ved drift med forurenet smøremiddel
Som svar gik NSK-materialeeksperter ud på at forbedre legeringssammensætningen i et specielt stål, der forhindrer, at der dannes revner og fordybninger i racerveje, og vigtigst af alt forhindrer dem i at udbrede sig. Desuden er dette særlige stål særligt rent. Sættet af foranstaltninger anvendt i BNEQARTET-teknologi resulterede i en fordobling af lejets levetid under høj belastning og ugunstige miljøforhold.
Eksempel 2
Et andet eksempel på applikationsorienteret udvikling af materialer kommer fra vindmølle-teknologi. Her kan beskadigelse af lejerne i form af WEC'er forekomme under materialets overflade (Image3). Disse hvidstrukturer af skør ferrit, som er dannet af ændringer i mikrostrukturen, kan observeres i ætset og poleret tværsnit af materialet. De ændrede strukturer er ikke længere i stand til at modstå de store belastninger, der påføres. WEC'er dannes og spredes, hvilket fører til overfladefejl som pitting eller WSF (hvid struktur flager).
Keramiske komponenter og belægninger til lejer er et yderligere forskningsområde hos NSK
Forskere har aldrig været i stand til fuldt ud at forklare årsagerne til WEC. Nuværende tænkning antager, at betingelserne er forårsaget af virkningerne af komponentinteraktion i drivlinjen. Disse inkluderer dynamik, blandet friktion, elektriske ladninger / strømme, kemiske faktorer, glide / glidebevægelser og brintdiffusion.
Udvikling af modforanstaltninger
Takket være succes med replikering af WEC i laboratoriet har NSK efterfølgende været i stand til at udvikle modforanstaltninger, der inkluderer polering af martensit-hærdet bærende stål sammen med specifikke andre materialer (Image4). Denne ekstra proces har vist sig at forsinke betydningen af WECdamage betydeligt.
En anden effektiv metode til at reducere sandsynligheden for WEC-beskadigelse er brugen af lejeringe fremstillet af NSK's Tough Steel. Ved hjælp af denne kombination af materiale og overfladebehandling kan den dynamiske belastning ikke forbedres med 23%, hvilket i rullelejer svarer til en fordobling af træthedslevetid.
Reduktion af WEC-skader
Med hensyn til overfladeinduceret slid på grund af dårlig smøring eller forurenet smøremiddel reduceres dette stærkt med brugen af STF-lejer (Image5), mens potentiel WEC-skade er forsinket. En række NSK-test viste, at tiden før skades begyndelse var fordoblet.
En anden fordelagtig strategi er at bruge lejeringe lavet af 'Anti-White Structure-Tough' (AWS-TF), aproprietært NSK-materiale, der blev udviklet specifikt for at forhindre WEC-skade. I en omfattende serie af test blev levetiden for konventionelle stållejerringe målt indtil det øjeblik, hvor WECdamage blev opdaget. Derefter blev testserien gentaget med AWS-TF. Efter otte gange mere levetid end de konventionelle stållejeringe blev der ikke fundet nogen WEA (hvide ætsningsområder) i materialet.
Plast og keramik
Materieludvikling hos NSK handler ikke kun om stål. Plastmaterialer såvel som ikke-jernholdige metaller, såsom messing, testes også for at foretage nøjagtigt målrettede forbedringer af burens egenskaber. Keramik og keramiske belægninger (Image6) spiller desuden en stigende rolle, når der er behov for justeringer af de elektriske ledningsegenskaber. af lejer og deres slidstyrke. Om dette emne har NSK for nylig introduceret en keramisk udvikling kaldet HDY2, som har optimerede isolerings- og varmeledningsegenskaber.
Endelig vedrører et andet fokusområde for materialeudvikling smøremidler. Tribologi er en separat kompetence i NSKs forsknings- og udviklingsorganisation sammen med materialeteknologi.