Nos sistemas de potência dos modernos equipamentos industriais e trens de alta velocidade, os rolamentos devem funcionar de forma estável em condições de alta velocidade, alta carga e ciclo térmico contínuo.Isto é particularmente verdadeiro para os motores de tracção dos veículos ferroviários, eixos principais de alta velocidade e motores de alta temperatura na indústria metalúrgica. Estes rolamentos estão sujeitos a exposição prolongada ao calor de atrito e a fontes térmicas externas,tornando-os altamente suscetíveis à fadiga térmica, o que pode levar a problemas como descascamento, degradação da dureza e instabilidade estrutural. understanding the thermal fatigue failure mechanisms of high-temperature bearing steels and optimizing these mechanisms through alloy design is crucial for enhancing the reliability of high-temperature bearings.

O principal mecanismo de influência do ciclo de calor de alta temperatura no aço de rolamento

No ambiente de alta temperatura, o processo repetido de aquecimento e resfriamento da superfície da pista de rolagem produzirá concentração de tensão térmica.Estas tensões térmicas, juntamente com a tensão de contato de rolamento são os importantes inductores que promovem a quebra de fadiga precoce do rolamentoO mecanismo específico é o seguinte:

Carga alternada de tensão térmica: o gradiente de temperatura produz repetidas tensões cíclicas de tração e compressão entre a superfície e o núcleo;

Mudança da estrutura do material: temperamento da martensita, grossificação do carburo e redistribuição no aço levam à diminuição da dureza;

Instabilidade do filme lubrificante: a alta temperatura destrói a estabilidade do filme de óleo, aumenta o atrito da superfície de contato, intensifica a micro-soldura;

Espalhamento induzido por oxidação: a ruptura da camada de oxidação a altas temperaturas forma detritos de óxido, o que acelera a propagação da fissura de fadiga.

Análise do modo de falha típico: desgaste térmico e regressão da dureza

Em aplicações práticas, os modos de falha mais comuns de rolamentos de alta temperatura incluem:

Descascamento da superfície de rolagem (Spalling): causado principalmente pela fadiga térmica, apresentando uma descamação semelhante a um poço de cor cinza escura, com uma profundidade de 1 a 3 μm;

Degradação da dureza da superfície: com o passar do tempo, a dureza da superfície diminui gradualmente de mais de 60 HRC para 55 HRC ou até abaixo, perdendo resistência à fadiga por contacto;

Desenvolvimento em cadeia da fonte de rachaduras: as micro-rachaduras são gradualmente ligadas sob a ação do ciclo térmico para se formar através do descascamento;

Precipitação de carburo de rede: os carboidratos do aço são re-extraídos e crescem, formando uma zona de endurecimento no limite do grão, que se torna o caminho preferido de rachadura.

Características de evolução da estrutura do aço de rolamento a alta temperatura

Atualmente, os principais aços de rolamento de alta temperatura incluem AISI M50, M50NiL, JIS SUJ2 (modificado), Cr4Mo4V, etc.,que apresentam a seguinte evolução da microstrutura em condições de fadiga térmica:

A martensita temperada é transformada em sorbita temperada ou re-austenita, e a dureza diminui;

O engrossamento e a agregação do carburo reduzem a uniformidade da estrutura e as rachaduras por fadiga são fáceis de ocorrer;

O grão é grosseiro e o efeito de reforço dos cristais finos é perdido, o que resulta no encurtamento da vida útil por fadiga por contacto;

A austenita residual desaparece ou ocorre a transformação instável, resultando emA mudança de volume e a fissuração são fáceis de ocorrer.

Normas de desempenho dos materiais em ambientes de fadiga térmica

O aço de rolamento de alta temperatura deve normalmente satisfazer as seguintes normas ou parâmetros de ensaio:

GB/T 18254 "Aço com elevado teor de cromo de carbono": norma básica de desempenho do aço;

AMS 6491 (M50) e AMS 6278 (M50NiL): requisitos de tratamento térmico e de desempenho para o aço de rolamentos de aviação;

ISO 683-17: Norma geral do tratamento térmico de aço ligado para rolamentos;

Performance de retenção de dureza: a uma temperatura de 150°C a 300°C, a dureza é mantida em pelo menos 58HRC;

Resistência térmica às rachaduras: o limiar de propagação das rachaduras ΔK é igual ou superior a 15 MPa√m;

Direcção do ajuste fino da liga: conceção de otimização para a fadiga térmica

Para o mecanismo de falha causado pela fadiga térmica, a composição da liga e o tratamento térmico podem ser ajustados a partir dos seguintes aspectos:

Adicionar molibdênio (Mo) e vanádio (V): refinar o carburo, melhorar a dureza a altas temperaturas e a resistência a fissuras térmicas; Adicionar níquel (Ni): estabilizar a austenita residual,Melhorar a resistência ao impacto e a estabilidade dimensional do tratamento térmico;

Otimizar o teor de C em 0,25%~0,35%: controlar o número e a morfologia dos carburos, reduzir a fragilidade da borda do grão;

Tratamento de temperação por controlo de temperatura: temperação secundária (540-560°C) para melhorar a estabilidade do temperamento e inibir a degradação da dureza;

Desenvolvimento de aço de terras raras: melhoria da morfologia das inclusões, melhoria da adesão da escala e redução da fonte de espetamento.

Nova tendência de materiais e referência de casos de engenharia

Algumas aplicações de gama alta adotaram o seguinte novo aço de alta temperatura:

M62 (série Cr-Mo-V-Ni): utilizado para o rolamento principal do motor aeronáutico, com excelente resistência a rachaduras térmicas;

Cronidur 30 (aço martensítico de liga de nitrogénio): resistente à corrosão, resistente ao temperamento térmico, pode ser utilizado em motores de alta velocidade;

Aço híbrido de rolamento cerâmico híbrido: combinado com rolos Si3N4 para reduzir o aquecimento por atrito e melhorar a capacidade de limitar a temperatura.

Actual cases show that the gear box bearing with M50NiL steel and oil mist lubrication system can still maintain its complete structure without signs of spalling or cracking after running on the rail train for more than 2 million kilometers.

A fiabilidade do rolamento é estendida a partir da natureza do material

A fadiga térmica tornou-se um gargalo crítico que limita a vida útil dos rolamentos de alta temperatura, principalmente devido à resposta instável das microestruturas do material ao ciclo térmico.Compreendendo profundamente os mecanismos de falha da fadiga térmica e otimizando com precisão os elementos de liga, parâmetros de tratamento térmico e controlo da microstrutura, é possível alcançar uma vida útil de rolamento mais longa e uma maior fiabilidade em ambientes de alta temperatura.Em aplicações de alta temperatura, como os comboios de alta velocidade, equipamentos metalúrgicos e fendões de turbinas eólicas, apenas através da integração térmica, mecânica,e fatores materiais em um projeto abrangente pode uma robusta "parede protetora" para desempenho de alta temperatura de rolamento ser verdadeiramente estabelecido.