고부하 또는 고속 응용 분야에서 스테인레스 스틸 베어링의 주요 성능 제한은 무엇입니까?

스테인레스 스틸 베어링 내식성이 우수하여 식품가공, 의료기기, 해양공학 등 특수 용도로 널리 사용됩니다. 그러나 극한의 하중이나 고속에서 사용하는 경우 스테인리스강 베어링, 특히 주류 마르텐사이트계 스테인리스강 등급 AISI 440C의 고유한 재료 특성으로 인해 성능이 제한됩니다.

I. 고하중 응용 분야의 한계: 피로 및 취성

1. 부하용량 및 접촉피로수명

AISI 440C 스테인리스강 베어링은 열처리를 통해 높은 경도(일반적으로 58-60HRC)를 달성하고 탁월한 내마모성을 제공하지만 기본 성능 측면에서 여전히 표준 고탄소 크롬 베어링강(예: GCr15/52100)보다 뒤떨어집니다.

동적 정격 하중: 440C 강철의 동적 정격 하중은 일반적으로 52100 강철보다 낮습니다. 이는 주로 440C 강철의 높은 크롬 함량으로 인해 많은 수의 탄화물을 형성합니다. 매트릭스에 분포된 이러한 탄화물 입자는 응력 집중 영역에서 균열 원인이 되어 강의 내부 순도와 균일성에 영향을 미칠 수 있습니다.

접촉 피로 강도: 고하중 조건에서 베어링 궤도는 매우 높은 헤르츠 응력에 노출됩니다. 반복적으로 높은 접촉 응력을 받으면 440C 강철의 구름 접촉 피로 수명은 52100 강철보다 열등합니다. 이는 동일한 하중 조건에서 440C 베어링의 예상 수명(L10)이 크게 단축된다는 것을 의미합니다.

2. 인성 및 충격 저항

440C는 대표적인 마르텐사이트계 스테인리스강입니다. 높은 경도는 인성을 희생하여 발생합니다.

취성 경향: 높은 탄소 함량으로 인해 440C는 경화 후 상대적으로 취성 구조를 갖습니다. 충격 하중이나 강한 진동이 있는 응용 분야에서 이 재료는 특히 응력 집중 영역에서 취성 파괴 또는 궤도 파손에 더 취약합니다.

압입 저항성: 높은 경도에도 불구하고 440C는 갑작스런 정적 또는 충격 하중을 받을 때 특수 처리된 합금강만큼 브리넬링에 대한 저항력이 부족하여 높은 하중에서 기하학적 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다.

II. 고속 애플리케이션의 성능 과제: 온도 상승 및 치수 안정성

1. 열 방출 및 작동 온도 한계

고속 작동 중에는 베어링 내부의 마찰로 인해 상당한 양의 열이 발생합니다. 스테인리스강은 다음과 같은 열역학적 문제를 제시합니다.

열전도율: 스테인리스강, 특히 440C는 일반적으로 일반 베어링강보다 열전도율이 낮습니다. 열전도율이 낮으면 베어링 내부에서 발생하는 열이 빠르게 방출되기 어려워 온도 상승이 급속히 축적됩니다.

템퍼링 효과: 베어링 작동 온도가 상위 템퍼링 온도인 440C(일반적으로 200°C 미만)를 초과하면 2차 연화가 발생하여 재료의 경도가 감소하여 내마모성과 내하력이 크게 감소합니다. 고속으로 인해 발생하는 열은 이러한 유형의 열 고장을 쉽게 유발할 수 있습니다.

2. 윤활관리 및 마찰특성

속도가 높으면 윤활에 대한 요구가 매우 높아집니다. 스테인리스강 베어링의 특성은 윤활 관리를 더욱 복잡하게 만듭니다.

슬라이딩 마찰: 고속에서는 볼과 궤도 사이, 볼과 케이지/리테이너 사이의 슬라이딩 마찰이 강화됩니다. 부적절한 윤활 또는 부적절한 윤활제 선택은 스테인리스 스틸 표면에 심각한 접착 마모를 일으킬 수 있습니다.

베어링 클리어런스: 일반 베어링강과 비교하여 440C의 선형 열팽창 계수(CTE) 차이와 온도 상승 효과로 인해 고속에서 작동하는 베어링의 내부 클리어런스는 예측할 수 없을 정도로 변동하여 예압 제어 손실 또는 마찰 증가로 이어져 제한 속도를 더욱 제한할 수 있습니다.

3. 복잡한 환경의 포괄적인 한계

스테인레스 스틸 베어링은 부식성 환경에서 자주 사용됩니다. 고하중, 고속, 부식 등의 복잡한 작동 조건에서 재료의 성능은 더욱 저하됩니다.

부식 피로 시너지 효과: 부식성 매체는 궤도 표면의 구멍을 가속화합니다. 이러한 부식 지점은 응력 집중 원인이 됩니다. 반복적으로 높은 하중을 받으면 쉽게 부식 피로를 유발하여 베어링이 조기에 파손될 수 있습니다.

비440C 등급의 한계: 내식성은 우수하지만 경도와 강도가 낮은 오스테나이트계 스테인리스강(예: 304 및 316)은 고부하 또는 고속 조건에서 440C 등급보다 내하중 용량과 작동 속도가 훨씬 낮습니다. 일반적으로 저속, 경부하 및 부식성이 매우 높은 환경에만 적합하며 고부하 또는 고속 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.