Dans les systèmes d'alimentation des équipements industriels modernes et des trains à grande vitesse, les roulements doivent fonctionner de manière stable dans des conditions de grande vitesse, de charge élevée et de cycle thermique continu.Ceci est particulièrement vrai pour les moteurs de traction des véhicules ferroviaires.Ces roulements sont soumis à une exposition prolongée à la chaleur de frottement et aux sources thermiques externes.les rendant très sensibles à la fatigue thermique, ce qui peut entraîner des problèmes tels que l' écaillage, la dégradation de la dureté et l' instabilité structurelle. 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.

Le principal mécanisme d'influence du cycle thermique à haute température sur l'acier de roulement

Dans un environnement à haute température, le processus répété de chauffage et de refroidissement de la surface du roulement du roulement produira une concentration de contrainte thermique.Ces contraintes thermiques couplées à la contrainte de contact de roulement sont les inducteurs importants qui favorisent la fissuration précoce de fatigue du roulementLe mécanisme spécifique est le suivant:

Chargement alternatif par contrainte thermique: le gradient de température produit des contraintes cycliques de traction et de compression répétées entre la surface et le noyau;

Modification de la structure du matériau: le trempage de la martensite, le durcissement du carbure et la redistribution dans l'acier entraînent une diminution de la dureté;

L'instabilité du film lubrifiant: la température élevée détruit la stabilité du film d'huile, le frottement de la surface de contact augmente, le micro-soudage s'intensifie;

Spalling induit par oxydation: la rupture de la couche d'oxydation à haute température forme des débris d'oxyde, ce qui accélère la propagation des fissures de fatigue.

Analyse typique du mode de défaillance: spalling par fatigue thermique et régression de dureté

Dans les applications pratiques, les modes de défaillance les plus courants des roulements à haute température comprennent:

Peeling des patchs de surface de roulement (Spalling): principalement causé par la fatigue thermique, présentant un peeling peu profond en forme de fosse gris foncé, la profondeur est de 1 à 3 μm;

Dégradation de la dureté de surface: au fil du temps, la dureté de surface diminue progressivement de plus de 60 HRC à 55 HRC ou même en dessous, perdant ainsi sa résistance à la fatigue par contact;

Développement en chaîne de la source de fissure: les micro fissures sont progressivement reliées sous l'action du cycle thermique pour se former par décapage;

Précipitation de carbure en réseau: les carbures dans l'acier sont ré-extraits et se développent, formant une zone de durcissement à la limite du grain, qui devient la voie préférée de fissuration.

Les caractéristiques d'évolution de la structure de l'acier de roulement à haute température

À l'heure actuelle, les aciers à roulements à haute température courants comprennent AISI M50, M50NiL, JIS SUJ2 (modifié), Cr4Mo4V, etc.,qui présentent l'évolution de la microstructure suivante dans des conditions de fatigue thermique:

La martensite tempérée est transformée en sorbite ou réausténite tempérée et la dureté diminue;

L'épaississement et l'agrégation du carbure réduisent l'uniformité de la structure et les fissures de fatigue sont faciles à créer;

Le grain est grossier et l'effet de renforcement des cristaux fins est perdu, ce qui entraîne une réduction de la durée de vie de la fatigue par contact;

L'austénite résiduelle disparaît ou la transformation instable se produit, ce qui entraîne:Le changement de volume et la fissuration sont faciles à observer.

Normes de performance des matériaux dans des environnements de fatigue thermique

L'acier supportant des températures élevées doit généralement satisfaire aux normes ou aux paramètres d'essai suivants:

GB/T 18254 "Acier à roulement à haute teneur en chrome de carbone": norme de base de performance de l'acier;

AMS 6491 (M50) et AMS 6278 (M50NiL): exigences en matière de traitement thermique et de performances pour les roulements d'acier pour l'aviation;

ISO 683-17: Norme générale de traitement thermique de l'acier allié pour roulements à laminage;

Performance de rétention de dureté: à une température de 150°C à 300°C, la dureté est maintenue à au moins 58HRC;

résistance thermique aux fissures: le seuil de propagation des fissures ΔK est supérieur ou égal à 15 MPa√m;

Direction du réglage fin de l'alliage: conception d'optimisation pour la fatigue thermique

Pour le mécanisme de défaillance causé par la fatigue thermique, la composition de l'alliage et le traitement thermique peuvent être affinés à partir des aspects suivants:

Ajouter du molybdène (Mo) et du vanadium (V): raffiner le carbure, améliorer la dureté à haute température et la résistance aux fissures thermiques;ajouter du nickel (Ni): stabiliser l'austénite résiduelle,améliorer la résistance aux chocs et la stabilité dimensionnelle du traitement thermique;

Optimiser la teneur en carbure de 0,25% à 0,35%: contrôler le nombre et la morphologie des carbures, réduire la fragilité des bordures des grains;

Traitement de trempage à température réglée: trempage secondaire (540 à 560°C) pour améliorer la stabilité du trempage et inhiber la dégradation de la dureté;

Développement de l'acier des terres rares: amélioration de la morphologie des inclusions, amélioration de l'adhésion de l'échelle et réduction de la source de rupture.

Nouvelle tendance des matériaux et référence de cas d'ingénierie

Certaines applications haut de gamme ont adopté les nouveaux aciers de roulement à haute température suivants:

M62 (série Cr-Mo-V-Ni): utilisé pour le roulement principal du moteur aéronautique, avec une excellente résistance aux fissures thermiques;

Cronidur 30 (acier martensitique en alliage d'azote): résistant à la corrosion, résistant au trempage thermique, peut être utilisé dans les moteurs à grande vitesse;

Acier de roulement hybride céramique hybride: combiné avec des rouleaux Si3N4 pour réduire le chauffage par friction et améliorer la capacité de limiter la température.

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.

La fiabilité du roulement est étendue de la nature du matériau

La fatigue thermique est devenue un goulot d'étranglement critique limitant la durée de vie des roulements à haute température, principalement en raison de la réaction instable des microstructures du matériau au cycle thermique.En comprenant en profondeur les mécanismes de défaillance par fatigue thermique et en optimisant précisément les éléments d'alliage, les paramètres de traitement thermique et le contrôle de la microstructure, il est possible d'atteindre une durée de vie plus longue et une fiabilité plus élevée dans des environnements à haute température.Dans les applications à haute température telles que les trains à grande vitesse, des équipements métallurgiques et des fuseaux d'éoliennes, uniquement en intégrant deset les facteurs matériels dans une conception globale peut un robuste "mur de protection" pour les performances de roulement à haute température être vraiment établi.