Радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали: руководство по выбору и коррозионная стойкость

Почему радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали являются идеальным выбором для суровых условий эксплуатации

Радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали являются наиболее широко используемым типом подшипников в мире — и не без причины. Их геометрия с глубокими дорожками качения позволяет им одновременно выдерживать как радиальные, так и осевые нагрузки, а конструкция из нержавеющей стали обеспечивает им устойчивость к коррозии, влаге и химическому воздействию, с которой стандартные подшипники из хромированной стали просто не могут сравниться. Для применений, связанных с водой, пищевыми продуктами, химикатами или высокой влажностью, радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали являются стандартным инженерным выбором.

Они доступны практически для любого размера отверстия от 1 мм до более 150 мм, работают на высоких скоростях с низким трением и требуют минимального обслуживания при правильном уплотнении. Понимание их конструкции, марок материалов, номинальных нагрузок и вариантов уплотнений помогает инженерам и покупателям выбрать правильный подшипник для каждого применения и избежать дорогостоящих отказов, возникающих из-за неправильного выбора.

Как устроены радиальные шарикоподшипники

«Глубокая канавка» в названии относится к непрерывной канавке дорожки качения, выточенной как на внутреннем, так и на внешнем кольцах. Эта канавка глубже по отношению к диаметру шарика, чем в радиально-упорных или упорных подшипниках — обычно радиус канавки составляет 51,5–53% диаметра шара. . Именно эта геометрия позволяет подшипнику воспринимать осевые нагрузки в обоих направлениях в дополнение к радиальным нагрузкам без необходимости использования отдельного упорного подшипника.

Стандартный радиальный шарикоподшипник состоит из четырех компонентов:

• Внутреннее кольцо: Устанавливается на вращающийся вал; несет внутреннюю канавку дорожки качения.
• Внешнее кольцо: Устанавливается в отверстие корпуса; несет внешнюю канавку дорожки качения.
• Комплектация мяча: Стальные шарики прецизионной шлифовки катятся по дорожкам качения и передают нагрузку между кольцами.
• Клетка (фиксатор): Сохраняет шарики равномерно расположенными по окружности, чтобы предотвратить контакт между ними и уменьшить нагрев и шум. Изготовлен из стали, латуни или ПТФЭ в зависимости от применения.

В версиях из нержавеющей стали кольца и шарики изготовлены из коррозионностойких стальных сплавов, а не из хромированной стали сквозной закалки (AISI 52100), которая является стандартом для подшипников общего назначения. Это различие определяет практически все различия в производительности между двумя типами.

Марки нержавеющей стали, используемые в производстве подшипников

Не все подшипники из нержавеющей стали изготовлены из одного и того же сплава. Используемая марка оказывает прямое и существенное влияние на коррозионную стойкость, твердость, несущую способность и максимальную рабочую температуру. В производстве подшипников преобладают три марки:

АИСИ 440С (Мартенситная нержавеющая сталь)

Самый распространенный сорт радиальных шарикоподшипников из нержавеющей стали. AISI 440C содержит примерно 17% хрома и 1% углерода , что позволяет подвергнуть его термической обработке до твердости по Роквеллу 58–62 HRc — сравнимо со стандартной подшипниковой сталью. Эта твердость важна для несущей способности и усталостной прочности. Содержание хрома обеспечивает хорошую коррозионную стойкость в слабоагрессивных средах, хотя 440C не подходит для длительного погружения в морскую воду или сильные кислоты.

АИСИ 316 (аустенитная нержавеющая сталь)

AISI 316 содержит 16–18% хрома, 10–14% никеля и 2–3% молибдена. . Молибден значительно повышает устойчивость к хлоридной точечной и щелевой коррозии, что делает подшипники 316 стандартом для применения в морской, фармацевтической и химической промышленности, где 440C не работает. Компромиссом является твердость: 316 не может быть подвергнута термообработке до твердости подшипникового класса и обычно достигает только 25–35 HRС . Это ограничивает его статическую и динамическую грузоподъемность примерно до 30–50% эквивалентов 440C , поэтому подшипники 316 предназначены для слабонагруженных и высокоагрессивных сред.

АИСИ 304 (аустенитный сплав общего назначения)

AISI 304 является наиболее широко производимой нержавеющей сталью в мире, но она реже используется в прецизионных подшипниках, чем 440C или 316. Она обеспечивает хорошую общую коррозионную стойкость, но имеет более низкую стойкость к хлоридам, чем 316, и меньшую твердость, чем 440C. Оно проявляется в первую очередь в компонентах сепараторов, щитках и корпусах, а не в самих несущих кольцах и шариках.

Варианты уплотнения и экранирования и их значение для производительности

Суффикс обозначения в номере подшипника указывает на его конфигурацию уплотнения — один из наиболее важных вариантов для реального срока службы подшипника. Три основных варианта:

Открытые подшипники (без суффикса)

Открытые подшипники не имеют крышек с обеих сторон. Они обеспечивают свободный поток смазки, что делает их пригодными для применения с внешними системами смазки или для работы на высоких скоростях, где отвод тепла имеет решающее значение. Однако они не обеспечивают защиты от загрязнения, поэтому подходят только в чистых, контролируемых средах.

Экранированные подшипники (ZZ или 2Z)

Металлические щитки запрессовываются в канавку наружного кольца с одной или обеих сторон. Они бесконтактные — между экраном и внутренним кольцом небольшой рабочий зазор — поэтому добавляют практически нет дополнительного трения или сопротивления . Они предотвращают попадание крупных частиц в подшипник, но неэффективны против мелкой пыли, воды или жидкостного загрязнения. Обозначение ZZ означает, что обе стороны экранированы. Экранированные подшипники из нержавеющей стали предварительно смазаны и являются лучшим выбором для высокоскоростных, чистых, но неконтролируемых сред.

Герметичные подшипники (2RS или RS)

Резиновые или синтетические контактные уплотнения прилегают к канавке внутреннего кольца, обеспечивая гораздо лучшую защиту от влаги, мелких частиц и жидкостей, чем защитные экраны. Обозначение 2RS означает, что обе стороны герметичны. Компромиссом является небольшое увеличение момента трения — обычно Пусковой момент в 2–5 раз выше, чем у экранированных аналогов — и скромное снижение максимально допустимой скорости. Для подшипников из нержавеющей стали, используемых во влажных, пищевых или химических средах, уплотнение 2RS почти всегда является правильным выбором. В коррозионно-активных условиях также следует указать материал кромки уплотнения: Уплотнения из витона (FKM) превосходит стандартную резину NBR в маслах, топливе и многих химикатах.

Грузоподъемность: сравнение нержавеющей стали с хромированной сталью

Самым важным компромиссом при выборе нержавеющей стали вместо хромированной стали является несущая способность. Поскольку сплавы нержавеющей стали, особенно 440C, немного мягче и имеют другие усталостные характеристики, чем хромистая сталь AISI 52100, их динамические и статические нагрузки ниже для эквивалентных размеров подшипников.

Как практическое правило, Подшипники из нержавеющей стали 440C выдерживают примерно 80–85 % номинальной динамической нагрузки (C) эквивалентного подшипника из хромированной стали. . Для обычного подшипника 6205 номинальная динамическая нагрузка из хромистой стали обычно составляет около 14,8 кН; нержавеющая сталь 440C 6205 выдерживает примерно 12–13 кН. Эта разница имеет значение в приложениях с высокой нагрузкой и большим циклом работы, но незначительна при незначительной нагрузке или прерывистой работе.

Для подшипников из нержавеющей стали 316 снижение грузоподъемности более существенное — настолько, насколько это возможно. на 50–70 % ниже, чем у хромистой стали из-за гораздо более низкой достижимой твердости. Эти подшипники следует выбирать только в том случае, если действительно требуется коррозионная стойкость 316 и анализ нагрузки подтверждает их адекватность.

Общие серии подшипников и стандарты размеров

Радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали соответствуют тем же стандартам размеров ISO и ABEC, что и подшипники из хромированной стали, что делает их взаимозаменяемыми в корпусах и конструкциях валов без изменений. Основные серии:

Номер подшипника кодирует его размеры. Например, 6205-2RS нержавеющая сталь Подшипник имеет отверстие диаметром 25 мм (внутренний диаметр), внешний диаметр 52 мм и ширину 15 мм — так же, как и любой другой подшипник 6205, независимо от производителя, в соответствии со стандартами ISO 15. Суффикс 2RS указывает на резиновые уплотнения с обеих сторон.

Отрасли промышленности и применения, в которых используются радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали

Коррозионная стойкость и универсальность радиальных шарикоподшипников из нержавеющей стали делают их незаменимыми в широком спектре отраслей промышленности:

Производство продуктов питания и напитков

Приводы конвейеров, смесительное оборудование, разливочные машины и системы промывки требуют подшипников, способных выдерживать частое воздействие воды под высоким давлением и чистящих химикатов. Подшипники 2RS из нержавеющей стали с пищевой смазкой (сертификат NSF H1) являются стандартной спецификацией. FDA и EHEDG признают нержавеющую сталь 316 приемлемой для зон прямого контакта с пищевыми продуктами.

Морское и морское оборудование

Воздействие соленой воды быстро разъедает подшипники из хромированной стали — иногда в течение нескольких дней без защиты. Подшипники из нержавеющей стали 440C или 316 используются в системах рулевого управления лодок, лебедках, рыболовных катушках, морских насосах и палубном оборудовании, где такие условия неизбежны. Для полностью погруженных в воду или приливных зон. Нержавеющая сталь 316 с уплотнениями из витона. это наиболее подходящая спецификация.

Медицинское и фармацевтическое оборудование

Циклы стерилизации — будь то паровой автоклав, газ EtO или химическая — требуют материалов, которые не будут подвергаться коррозии или разложению при многократном воздействии. Подшипники из нержавеющей стали используются в хирургических наконечниках, стоматологических бормашинах, диагностическом оборудовании и лабораторных центрифугах. В этих приложениях подшипники из нержавеющей стали, сухие или смазанные ПТФЭ часто требуются во избежание загрязнения смазочными материалами стерильной среды.

Химическая обработка и насосы

Центробежные насосы, мешалки и оборудование для дозирования химикатов, работающее с кислотами, щелочами или растворителями, требуют подшипников, устойчивых к конкретным химическим веществам. Выбор между 440C и 316 зависит от химического вещества: 316 лучше справляется с растворами соляной кислоты и хлоридов, а 440C адекватно работает со многими органическими растворителями и слабокислыми средами.

Полупроводниковое и оборудование для чистых помещений

В чистых помещениях стандартные подшипники со смазкой выделяют газы и частицы. Радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали с сепараторами из ПТФЭ и сухой смазкой или совместимой с вакуумом смазкой используются в роботах для обработки пластин, прецизионном позиционировании и механизмах с вакуумными камерами, где образование частиц и выделение газа должны быть сведены к минимуму.

Выбор смазки для подшипников из нержавеющей стали

Предварительно смазанные радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали обычно смазываются стандартной смазкой на основе литиевого комплекса или полимочевины, но в особых случаях требуются специальные смазочные материалы:

• Пищевая смазка (NSF H1): Требуется для любого применения, контактирующего с пищевыми продуктами или находящегося в непосредственной близости от них. Обычно белое минеральное масло или синтетическая основа с загустителями, одобренными FDA. Распространенные продукты включают Mobilgrease FM 102 и Kluber Paraliq GTE 703.
• Сухая пленка ПТФЭ или смазка с загустителем ПТФЭ: Для чистых помещений, вакуумных или медицинских применений, где необходимо контролировать выделение газа и образование частиц. Смазки из ПТФЭ также хорошо выдерживают экстремальные температуры. рабочий диапазон обычно от –200°C до 260°C .
• Перфторполиэфирная (PFPE) смазка: Вариант с высочайшими характеристиками для экстремальных температур, агрессивных химикатов и сред с высоким вакуумом. Используется в аэрокосмической, полупроводниковой технике и криогенных приложениях. Значительно дороже — часто В 10–20 раз дороже стандартных смазок .
• Без смазки/сухой: Некоторые подшипники из нержавеющей стали поставляются без смазки для применений, где технологическая жидкость действует как смазка (водяные насосы) или где любая смазка несовместима с окружающей средой. Нагрузка и скорость должны быть тщательно проанализированы для подтверждения пригодности.

Классы точности и классы допусков

Радиальные шарикоподшипники из нержавеющей стали производятся в соответствии с теми же классами допусков ABEC (ANSI/ABMA) или ISO, что и подшипники из хромированной стали. Марка напрямую влияет на точность размеров, биение и, в конечном итоге, на вибрационные и шумовые характеристики узла:

• ABEC 1/ISO P0: Стандартный промышленный сорт. Подходит для большинства машин общего назначения, конвейеров и сельскохозяйственного оборудования. Допуск на отверстие обычно составляет ±12 мкм для отверстия диаметром 25 мм.
• ABEC 3/ISO P6: Улучшенная точность. Используется в двигателях, насосах и станках более высокого качества, работающих на умеренных скоростях.
• ABEC 5/ISO P5: Высокая точность. Требуется для электродвигателей со скоростью более 3600 об/мин, прецизионных шпинделей и медицинского оборудования. Допуск на диаметр отверстия увеличивается до ±8 мкм при диаметре отверстия 25 мм.
• ABEC 7/ISO P4 и ABEC 9/ISO P2: Сверхточные сплавы для высокоскоростных шпинделей, аэрокосмических гироскопов и прецизионных инструментов. Эти марки доступны из нержавеющей стали, но требуют значительных дополнительных затрат и требуют согласования допусков корпуса и вала для достижения преимуществ в производительности.

Для большинства промышленных подшипников из нержавеющей стали: Достаточно уровня ABEC 1 или ABEC 3. . Указание более высоких классов точности, чем требуется для применения, увеличивает стоимость без увеличения производительности, если окружающие обработанные посадки не соответствуют соответствующим допускам.

Рекомендации по установке, установке и обращению

Даже подшипник из нержавеющей стали высочайшего качества выйдет из строя преждевременно, если он установлен неправильно. Несколько практик имеют решающее значение:

1. Никогда не прилагайте установочную силу через тела качения. Усилие прессования должно проходить через устанавливаемое кольцо — внутреннее кольцо для посадки на вал, наружное кольцо для посадки в корпус. Движущая сила, действующая через шарики, повреждает дорожки качения и вызывает немедленные усталостные разрушения.
2. Сопоставьте допуски вала и корпуса с типом нагрузки. Вращающееся внутреннее кольцо (наиболее распространенное) требует посадки на вал с натягом (допуск k5 или m5) для предотвращения фреттинг-коррозии. Наружное кольцо в фиксированном корпусе использует переходную посадку или посадку с небольшим зазором (H7 или J7).
3. Избегайте ударной установки. Используйте пресс для подшипников или инструмент для установки. Ударный удар создает бринеллирование — постоянные вмятины на дорожке качения, которые вызывают вибрацию и преждевременный выход из строя.
4. Содержите подшипники из нержавеющей стали в чистоте во время работы. Отпечатки пальцев оставляют отложения хлоридов, которые могут вызвать коррозию поверхностей, нагретых до 440C. При работе в агрессивных средах работайте в чистых перчатках.
5. Проверьте рабочий зазор после сборки. Внутренний радиальный зазор (C2, CN, C3) влияет на распределение нагрузки и температурные характеристики. В большинстве стандартных применений используется зазор CN (нормальный), но в приложениях со значительным повышением температуры или плотной посадкой корпуса может потребоваться зазор C3 (больше обычного) для предотвращения предварительного натяга при нагреве подшипника.