Ze względu na duże naciski jednostkowe i wysoki współczynniki zużycia, do produkcji elementów łożysk tocznych konieczne było opracowanie i stworzenie stopów, które będą w stanie sprostać stawianym im oczekiwaniom. Dla technologów istotne było wykonanie stopu, który będą charakteryzowały najwyższe własności użytkowe – w szczególności zaś wysokie parametry wytrzymałościowe (wytrzymałość zmęczeniowa), dużą twardość i odporność na ścieranie, a także – co ma szczególne znaczenie w przypadku łożysk zamontowanych w środowiskach, w których są one narażone na działanie czynników agresywnych, także odporność na korozję lub na wysoką temperaturę o ile taka występuje w środowisku pracy (stale żaroodporne i żarowytrzymałe).

W przypadku materiałów łożyskowych istotną rolę odgrywa także plastyczność materiału i jego podatność na obróbkę. Połączenie wyżej wymienionych parametrów z własnościami plastycznymi zdaje się tworzyć pewną sprzeczność, ale technologom udało się opracować stop, który pozwala się kształtować zarówno na zimno jak i na gorąco, ponadto charakteryzuje się dobrą skrawalnością, dostateczną hartownością, która zapewnia stopowi strukturę martenzytyczną na całym przekroju. Najogólniej rzecz ujmując stale a w zasadzie stopy takie określane są mianem stali / stopów łożyskowych. Wśród polskich stali łożyskowych powyższe wymagania spełnia stal ŁH15, której odpowiednikiem według PN-EN ISO 683-17:2004 jest stal łożyskowa 100Cr6 lub AISI 52100 oraz stal ŁH15SG, której odpowiednikiem jest materiał 100CrMnSi6-4.

 

      Ze względu na potrzebę podyktowaną głównie troską o wysoką wytrzymałość zmęczeniową konieczne jest zapewnienie struktury o możliwie wysokiej czystości i jednorodności. Wysoką czystość metalurgiczną, w tym niskie stężenie szkodliwych domieszek w postaci fosforu i siarki, a także innych niepożądanych pierwiastków – w przypadku stali łożyskowych, m.in. niklu, miedzi, molibdenu czy aluminium oraz wtrąceń niemetalicznych, osiągnąć można przez wytop próżniowy lub elektrożużlowy. Ponadto, dla uzyskania dobrych własności technologicznych, półwyroby hutnicze przeznaczone na łożyska toczne poddaje się wyżarzaniu sferoidyzującemu, w trakcie którego, w wyniku długotrwałego wygrzewania w temperaturze nieco powyżej Ac1 uzyskuje się drobnoziarnisty cementyt kulkowy równomiernie rozmieszczony w ferrytycznej osnowie. Zapewnia to obniżenie twardości, podatność na odkształcenia plastyczne i dobrą skrawalność materiału, a ponadto korzystną strukturę wyjściową materiału dla utwardzania cieplnego.

Uzyskanie wysokich własności stali łożyskowych zapewnia przede wszystkim odpowiedni skład chemiczny stopów.

Wysoka zawartość węgla w tych stalach, na poziomie 1%, zwiększa twardość, a tym samym także odporność na ścieranie.

Głównym zadaniem chromu (ok. 1,5%), jako zasadniczego składnika stopowego stali łożyskowych, jest zwiększenie hartowności. Wpływa na to kilkukrotne obniżenie przez chrom krytycznej szybkości chłodzenia. Chrom też zwiększa ilość i twardość węglików w stali. Dodatkowo, obecność drobnych, sferoidalnych węglików o odpowiedniej dyspersji obniża skłonność do rozrostu ziarna austenitu, nawet przy wysokich temperaturach i długim czasie austenityzowania. Dzięki temu w stanie hartowanym materiał wykazuje dobrą udarność i wytrzymałość zmęczeniową.

W obecności chromu zwiększona zawartość manganu, jak to ma miejsce w przypadku drugiej stali pokazanej w tabeli 2, nie wywołuje tak niepożądanego rozrostu ziarna charakterystycznego dla stali wysokomanganowych. Znacząca część manganu tworzy węgliki, które także hamują rozrost ziaren austenitu. Zaś mangan rozpuszczony w austenicie zwiększa jego trwałość, co powoduje wzrost hartowności. Dodatkowo mangan obniża temperaturę przemiany martenzytycznej, na skutek czego rośnie ilość i stabilność austenitu szczątkowego. Ogranicza to odkształcenia elementów po hartowaniu, co ma istotne znaczenia przy wytwarzaniu łożysk o dużych rozmiarach.

Krzem zwiększa trwałość austenitu i podwyższa hartowność oraz zwiększa, pożądaną w przypadku materiałów łożyskowych, odporność martenzytu na odpuszczanie. Negatywnemu działaniu krzemu, takiemu jak zwiększanie skłonności do rozrostu ziaren, czy do pęknięć hartowniczych, przeciwdziała zwiększona zawartość manganu.

Wysoką twardość i wytrzymałość zmęczeniową uzyskuje się dzięki hartowaniu z temperatury 820 – 840 oC z chłodzeniem w gorącym oleju oraz niskiemu odpuszczaniu w temp. 180 oC. Taka obróbka cieplna zapewnia drobnolistwowy martenzyt z drobnymi węglikami. W rezultacie uzyskuje się twardość na poziomie co najmniej 62 HRC.

Standardowo zapewniona jest stabilność wymiarów łożysk w temp. do ok. 120 stopni Celsjusza. Na specjalne zamówienie łożyska mogą być wykonane jako stabilne wymiarowo także w wyższych temperaturach.

Do wyrobu łożysk tocznych mogą też być stosowane stale stopowe do nawęglania. Obecnie główne zastosowanie znajdują one w produkcji łożysk wielkogabarytowych o średnicy 500 - 2000 mm. Przy dużych wymiarach przekrojów podczas obróbki cieplnej elementów ze stali nadeutektoidalnych dochodzi do znacznych zmian wymiarowych, odkształceń i naprężeń. W przypadku stali do nawęglania problem ten jest znacznie słabszy, z uwagi na mniejsze różnice w objętości perlitu i niskowęglowego martenzytu w rdzeniu. W Polsce podstawową stalą wykorzystywaną w tym zakresie jest stal chromowo-niklowa 20H2N4A do nawęglania i ulepszania cieplnego. Jej skład podano w tablicy 3.

W przypadku łożysk pracujących w środowiskach wilgotnych i agresywnych korozja jest zasadniczym czynnikiem wpływającym na ich niezawodność i trwałość. Dlatego też łożyska te wytwarzane są z nierdzewnych stali łożyskowych, w Polsce ze stali X105CrMo17.

Artykuł opracowano na podstawie następującej literatury:

1.        Dobrzański L. A.: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe. Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2006

2.        Krzemiński-Freda H.: Łożyska toczne, PWN, Warszawa 1989

3.        Luty W.: Stale łożyskowe, Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa 1969

4.        Metaloznawstwo: pr. zb. pod red. M. Głowackiej, Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1996

5.        Rudnik S., Metaloznawstwo, WNT, Warszawa 1996