Łożyska ceramiczne mogą okazać się zwycięskim rozwiązaniem dla aplikacji w obecności pól magnetycznych. W tym artykule omówimy zastosowanie łożyska ceramicznego w przypadku pól magnetycznych.
Stal używane do niemal całej produkcji łożysk tocznych należy do dwóch rodzin: stali specjalnych na obróbkę cieplną (jak 100Cr6) i stali specjalnych na obróbkę nawęglającą (jak 20NiCrMo7).
Łożysko wykonane z tych stali poddane działaniu pól magnetycznych może ulec różnym formom uszkodzeń:
- Magnetyczne przywieranie cząstek lub resztek brudu na ścieżkach i elementach tocznych, co uszkadza powierzchnie styku, powodując wzrost wibracji i zużycia
- Uruchamianie wyładowań elektrycznych między ścieżkami a elementami tocznymi z powodu prądów resztkowych wywołanych przez pola magnetyczne rotacyjne, co zwiększa zużycie łożyska
- Wzrost temperatury i tarcia na skutek strat histerezy wynikających z odwracania polaryzacji magnetycznej, prądów pasożytniczych spowodowanych polami rotacyjnymi oraz sił przyciągania magnetycznego
- Kruche osłabienie wodorowe, które może prowadzić do łuszczenia się (white etching cracks lub white structure flaking) z zwiększonym zużyciem łożyska
- Możliwe pogorszenie właściwości tribologicznych zastosowanych smarów
Należy również brać pod uwagę, że często wraz z polami magnetycznymi występują również pola elektryczne, które wywołując prądy pasożytnicze, pogłębiają i wzmacniają negatywne efekty na łożyskach.
Z tego powodu wybór łożyska przeznaczonego do środowiska z polami magnetycznymi i/lub elektrycznymi może być trudny, a w przypadku niewłaściwego doboru prowadzić do przedwczesnej i nieoczekiwanej wymiany samego łożyska, co zwiększa koszty nadzwyczajnej konserwacji.
Może się wydawać, że nie ma skutecznych rozwiązań dla tego typu problemu, ale w rzeczywistości postęp technologiczny zarówno materiałów, jak i procesów obróbki dostarcza nam szerokiego wachlarza wyborów, wśród których można znaleźć optymalne rozwiązanie.
Podstawową zasadą, którą należy zawsze brać pod uwagę przy wyborze materiałów do produkcji łożyska, jest fizyczna zasada linii sił pól magnetycznych i pól elektrycznych: jeśli uda się przerwać te linie sił, pole magnetyczne i pole elektryczne nie będą mogły wywierać negatywnego wpływu na łożysko.
Aby przerwać linie sił pola magnetycznego, należy zastosować klasę materiałów zwanych amagnetycznymi. W przypadku obecności pól elektrycznych konieczne jest natomiast zastosowanie materiałów izolujących elektrycznie.
W obecnym stanie rozwoju technologicznego materiały amagnetyczne lub izolujące elektrycznie, które mogą być wykorzystane do produkcji łożysk, to następujące:
- Stale nierdzewne austenityczne (AISI304 i AISI316): są amagnetyczne, ale nie izolujące elektrycznie.
- Materiały plastyczne, takie jak PA lub PA66, PEEK, PTFE: są amagnetyczne i izolujące elektrycznie.
- Materiały ceramiczne, takie jak ZrO2, Si3N4, SiC, Al2O3: są amagnetyczne i izolujące elektrycznie.
Każdy z tych materiałów ma swoje zalety i wady, dlatego wybór należy dokonać starannie w zależności od warunków użytkowania łożyska.
Stale nierdzewne austenityczne, takie jak AISI 304 i AISI 316, są amagnetyczne, dlatego mogą być skutecznie stosowane w obecności pól magnetycznych. Jednakże, nie będąc izolatorami elektrycznymi, w aplikacjach z obecnością pól elektrycznych, na przykład w generatorach elektrycznych, łożyska wykonane z tych materiałów będą ulegać negatywnym skutkom prądów pasożytniczych. Ponadto, te stale nie podlegają hartowaniu, więc ich twardość jest znacznie niższa niż stali stosowanych standardowo do łożysk. W rezultacie, nośność tych łożysk jest bardzo niska. Brak hartowalności negatywnie wpływa również na jakość obróbki mechanicznej, przez co chropowatość ścieżek jest wyższa niż w standardowych łożyskach, co dodatkowo skraca ich trwałość. Podsumowując, tego typu stale mogą być stosowane tylko wtedy, gdy obciążenia na łożysko są bardzo niskie. Nadają się do środowisk chemicznie agresywnych, przy niskich lub wysokich temperaturach, a także w obecności promieniowania.
Materiały plastikowe stosowane do produkcji łożysk (PA, PA66, PEEK, PTFE) charakteryzują się właściwościami amagnetycznymi oraz izolacyjnością elektryczną, dlatego nadają się do aplikacji z jednoczesną obecnością pól magnetycznych i elektrycznych. Są to materiały stosunkowo tanie (z wyjątkiem PEEK) i łatwe w obróbce. Aspekty do rozważenia przy ich zastosowaniu dotyczą niskiej nośności oraz ekstremalnej trudności w osiągnięciu precyzji i luzów porównywalnych z łożyskami stalowymi.
Materiały ceramiczne są klasą materiałów o najwyższych osiągach dla tego typu aplikacji i mogą być stosowane w dwóch typach łożysk:.
- Łożyska hybrydowe, czyli z pierścieniami ze standardowej stali i elementami tocznymi z materiału ceramicznego.
- Łożyska całkowicie ceramiczne, czyli z pierścieniami i elementami tocznymi z materiału ceramicznego.
W łożyskach hybrydowych zastosowanie elementów tocznych z materiału ceramicznego pozwala przerwać linie sił pola magnetycznego przechodzącego przez łożysko, ale mogą występować inne pola magnetyczne przechodzące przez pojedyncze pierścienie, powodujące negatywne efekty. Aplikację należy dokładnie przeanalizować, ponieważ nie zawsze łatwo zrozumieć przebieg pól magnetycznych powstających wewnątrz niektórych maszyn lub urządzeń. Co do nośności, te łożyska mają niższą zdolność obciążeniową niż ich stalowe odpowiedniki, ale wyższą prędkość maksymalną.
Łożyska całkowicie ceramiczne pozwalają całkowicie wyeliminować negatywne skutki pól magnetycznych lub elektrycznych, zachowując nośność co najmniej równą łożyskom stalowym oraz wyższą prędkość maksymalną, nawet w porównaniu z łożyskami hybrydowymi. Ponadto, mogą być stosowane w środowiskach chemicznie agresywnych, w obecności promieniowania, przy temperaturach użytkowych do 1200°C oraz w warunkach ubogiej lub braku smarowania.
