Selectarea materialelor pentru lanțuri cu role în medii cu temperaturi ridicate

Selectarea materialelor pentru lanțuri cu role în medii cu temperaturi ridicate

În medii industriale precum tratamentul termic metalurgic, coacerea alimentelor și industria petrochimică,lanțuri cu role, ca și componente principale ale transmisiei, funcționează adesea continuu în medii care depășesc 150°C. Temperaturile extreme pot cauza înmuierea, oxidarea, corodarea și nelubrifierea lanțurilor convenționale. Datele industriale arată că lanțurile cu role selectate necorespunzător își pot scurta durata de viață cu peste 50% în condiții de temperatură ridicată, ducând chiar la întreruperea echipamentelor. Acest articol se concentrează pe cerințele de performanță ale lanțurilor cu role în medii cu temperaturi ridicate, analizând sistematic caracteristicile și logica de selecție a diferitelor materiale principale pentru a ajuta profesioniștii din industrie să realizeze upgrade-uri stabile ale sistemelor lor de transmisie.

I. Principalele provocări ale mediilor cu temperaturi ridicate pentru lanțurile cu role

Deteriorarea lanțurilor cu role cauzată de mediile cu temperaturi ridicate este multidimensională. Principalele provocări constau în două aspecte: degradarea performanței materialelor și scăderea stabilității structurale. Acestea sunt, de asemenea, blocajele tehnice pe care selecția materialelor trebuie să le depășească:

- Degradarea proprietăților mecanice ale materialului: Oțelul carbon obișnuit se înmoaie semnificativ peste 300℃, rezistența la tracțiune scăzând cu 30%-50%, ceea ce duce la ruperea plăcii lanțului, deformarea știftului și alte defecțiuni. Oțelul slab aliat, pe de altă parte, se confruntă cu o uzură accelerată suplimentară din cauza oxidării intergranulare la temperaturi ridicate, determinând depășirea limitelor admise de alungire a lanțului.

- Oxidare și coroziune crescute: Oxigenul, vaporii de apă și mediile industriale (cum ar fi gazele acide și unsori) în medii cu temperaturi ridicate accelerează coroziunea suprafeței lanțului. Crusta de oxid rezultată poate provoca blocarea balamalelor, în timp ce produsele de coroziune reduc lubrifierea.

- Defecțiune a sistemului de lubrifiere: Uleiul de lubrifiere mineral convențional se evaporă și se carbonizează peste 120℃, pierzându-și efectul de lubrifiere. Acest lucru duce la o creștere a coeficientului de frecare dintre role și pini, crescând rata de uzură de 4-6 ori.

- Provocarea de potrivire a dilatării termice: Dacă coeficienții de dilatare termică ai componentelor lanțului (plăci, pini, role) diferă semnificativ, golurile se pot lărgi sau lanțul se poate bloca în timpul ciclului de temperatură, afectând precizia transmisiei.

II. Tipuri de materiale de bază și analiza performanței lanțurilor cu role pentru temperaturi înalte

Datorită caracteristicilor speciale ale condițiilor de funcționare la temperaturi ridicate, materialele principale pentru lanțurile cu role au format trei sisteme majore: oțel inoxidabil, oțel rezistent la căldură și aliaje pe bază de nichel. Fiecare material are propriile puncte forte în ceea ce privește rezistența la temperaturi ridicate, rezistența și rezistența la coroziune, necesitând o potrivire precisă bazată pe condiții specifice de funcționare.

1. Seria din oțel inoxidabil: alegere rentabilă pentru condiții de funcționare la temperaturi medii și ridicate

Oțelul inoxidabil, datorită rezistenței sale excelente la oxidare și coroziune, a devenit materialul preferat pentru medii cu temperaturi medii și ridicate, sub 400 ℃. Printre acestea, clasele 304, 316 și 310S sunt cele mai utilizate în fabricarea lanțurilor cu role. Diferențele de performanță provin în principal din raportul dintre conținutul de crom și cel de nichel.

Trebuie menționat că lanțurile din oțel inoxidabil nu sunt „infailibile”. Oțelul inoxidabil 304 prezintă sensibilizare peste 450 ℃, ceea ce duce la coroziune intergranulară. Deși oțelul inoxidabil 310S este rezistent la căldură, costul său este de aproximativ 2,5 ori mai mare decât cel al oțelului 304, necesitând o analiză cuprinzătoare a cerințelor privind durata de viață.

2. Seria de oțel rezistent la căldură: Lideri în rezistență la temperaturi extreme

Când temperaturile de funcționare depășesc 800℃, rezistența oțelului inoxidabil obișnuit scade semnificativ. În acest moment, oțelul rezistent la căldură cu un conținut mai mare de crom și nichel devine alegerea principală. Aceste materiale, prin ajustări ale raporturilor elementelor de aliaj, formează o peliculă de oxid stabilă la temperaturi ridicate, menținând în același timp o rezistență bună la fluaj:

- Oțel rezistent la căldură 2520 (Cr25Ni20Si2): Fiind un material utilizat în mod obișnuit pentru temperaturi ridicate, temperatura sa de funcționare pe termen lung poate atinge 950 ℃, prezentând performanțe excelente în atmosfere de carburare. După tratamentul de difuzie a cromului la suprafață, rezistența la coroziune poate fi îmbunătățită cu 40%. Este utilizat în mod obișnuit în transportoare cu lanț pentru cuptoare multifuncționale și în sisteme de transportoare pentru cuptoare de pre-oxidare a angrenajelor. Rezistența sa la tracțiune ≥520 MPa și alungirea ≥40% rezistă eficient la deformarea structurală la temperaturi ridicate.

- Oțel rezistent la căldură Cr20Ni14Si2: Cu un conținut de nichel puțin mai mic decât 2520, oferă o opțiune mai rentabilă. Temperatura sa de funcționare continuă poate ajunge la 850 ℃, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații la temperaturi ridicate sensibile la costuri, cum ar fi fabricarea sticlei și transportul materialelor refractare. Caracteristica sa principală este coeficientul stabil de dilatare termică, rezultând o mai bună compatibilitate cu materialele pinioanelor și șocuri de transmisie reduse.

3. Serie de aliaje pe bază de nichel: Soluția ideală pentru condiții dure de funcționare

În condiții extreme care depășesc 1000℃ sau în prezența unor medii extrem de corozive (cum ar fi tratamentul termic al componentelor aerospațiale și al echipamentelor din industria nucleară), aliajele pe bază de nichel sunt materiale de neînlocuit datorită performanței lor superioare la temperaturi ridicate. Aliajele pe bază de nichel, exemplificate de Inconel 718, conțin 50%-55% nichel și sunt ranforsate cu elemente precum niobiu și molibden, menținând proprietăți mecanice excelente chiar și la 1200℃.

Principalele avantaje ale lanțurilor cu role din aliaj de nichel sunt: ​​① Rezistența la fluaj este de peste trei ori mai mare decât cea a oțelului inoxidabil 310S; după 1000 de ore de funcționare continuă la 1000℃, deformarea permanentă este ≤0,5%; ② Rezistență extrem de puternică la coroziune, capabilă să reziste la medii puternic corozive, cum ar fi acidul sulfuric și acidul azotic; ③ Performanță excelentă la oboseală la temperaturi ridicate, potrivită pentru condiții frecvente de cicluri de temperatură. Cu toate acestea, costul lor este de 5-8 ori mai mare decât cel al oțelului inoxidabil 310S și sunt de obicei utilizate în sisteme de transmisie de precizie de înaltă calitate.

4. Materiale auxiliare și tehnologie de tratare a suprafețelor

Pe lângă alegerea substratului, tehnologia de tratare a suprafeței este crucială pentru îmbunătățirea performanței la temperaturi ridicate. În prezent, procesele principale includ: ① Infiltrarea cromului: formarea unei pelicule de oxid de Cr2O3 pe suprafața lanțului, îmbunătățind rezistența la coroziune cu 40%, potrivită pentru medii chimice la temperaturi ridicate; ② Acoperire prin pulverizare cu aliaj pe bază de nichel: pentru piesele care se uzează ușor, cum ar fi știfturile și rolele, duritatea acoperirii poate ajunge la HRC60 sau mai mult, prelungind durata de viață de 2-3 ori; ③ Acoperire ceramică: utilizată în condiții de peste 1200℃, izolând eficient oxidarea la temperaturi ridicate, potrivită pentru industria metalurgică.

III. Logica de selecție a materialelor și sugestii practice pentru lanțurile cu role pentru temperaturi înalte

Selectarea materialelor nu se rezumă doar la urmărirea criteriului „cu cât rezistența la temperatură este mai mare, cu atât mai bine”, ci necesită stabilirea unui sistem de evaluare complet: „temperatură-sarcină-mediu-cost”. Următoarele sunt sugestii practice pentru selecție în diferite scenarii:

1. Clarificarea parametrilor de funcționare principali

Înainte de selecție, trebuie colectați cu precizie trei parametri cheie: ① Intervalul de temperatură (temperatura de funcționare continuă, temperatura de vârf și frecvența ciclurilor); ② Condițiile de încărcare (puterea nominală, coeficientul de sarcină la impact); ③ Mediul de mediu (prezența vaporilor de apă, a gazelor acide, a grăsimilor etc.). De exemplu, în industria de panificație, pe lângă faptul că trebuie să reziste la temperaturi ridicate de 200-300 ℃, lanțurile trebuie să îndeplinească și standardele de igienă FDA. Prin urmare, oțelul inoxidabil 304 sau 316 este alegerea preferată, iar acoperirile care conțin plumb trebuie evitate.

2. Selecție în funcție de intervalul de temperatură

- Interval de temperatură medie (150-400℃): Oțelul inoxidabil 304 este alegerea preferată; dacă apare o ușoară coroziune, se recomandă trecerea la oțel inoxidabil 316. Utilizarea unei unsori alimentare pentru temperaturi înalte (potrivite pentru industria alimentară) sau a unei unsori pe bază de grafit (potrivite pentru aplicații industriale) poate prelungi durata de viață a lanțului de peste trei ori mai mare decât cea a lanțurilor obișnuite.

- Interval de temperatură ridicată (400-800℃): Oțelul inoxidabil 310S sau oțelul rezistent la căldură Cr20Ni14Si2 este alegerea principală. Se recomandă placarea lanțului cu crom și utilizarea de vaselină grafitată pentru temperaturi înalte (rezistență la temperatură ≥1000℃), completând lubrifierea la fiecare 5000 de cicluri.

- Interval de temperaturi extrem de ridicate (peste 800℃): Alegeți oțel rezistent la căldură 2520 (gamă medie spre superioară) sau aliaj pe bază de nichel Inconel 718 (gamă superioară) în funcție de bugetul de cost. În acest caz, este necesar un design fără lubrifiere sau un lubrifiant solid (cum ar fi un strat de bisulfură de molibden) pentru a evita defecțiunile de lubrifiere.

3. Accentuați potrivirea materialelor și structurii

Consistența dilatării termice a tuturor componentelor lanțului este crucială la temperaturi ridicate. De exemplu, atunci când se utilizează plăci de lanț din oțel inoxidabil 310S, știfturile trebuie să fie fabricate din același material sau să aibă un coeficient de dilatare termică similar cu oțelul rezistent la căldură 2520 pentru a evita jocul anormal cauzat de schimbările de temperatură. Simultan, trebuie selectate role solide și structuri de plăci de lanț îngroșate pentru a îmbunătăți rezistența la deformare la temperaturi ridicate.

4. Formula cost-eficiență pentru echilibrarea performanței și a costurilor

În condiții de funcționare non-extreme, nu este nevoie să alegeți orbește materiale de înaltă calitate. De exemplu, în cuptoarele convenționale de tratament termic din industria metalurgică (temperatură 500℃, fără coroziune puternică), costul utilizării lanțurilor din oțel inoxidabil 310S este de aproximativ 60% din cel al oțelului rezistent la căldură 2520, dar durata de viață este redusă doar cu 20%, rezultând o eficiență generală a costurilor mai mare. Eficiența costurilor poate fi calculată prin înmulțirea costului materialului cu coeficientul duratei de viață, acordând prioritate opțiunii cu cel mai mic cost pe unitatea de timp.

IV. Concepții greșite despre selecție și răspunsuri la întrebări frecvente

1. Concepție greșită: Atâta timp cât materialul este rezistent la căldură, lanțul va fi întotdeauna potrivit?

Incorect. Materialul este doar fundația. Designul structural al lanțului (cum ar fi dimensiunea spațiului și canalele de lubrifiere), procesul de tratament termic (cum ar fi tratamentul în soluție pentru a îmbunătăți rezistența la temperaturi ridicate) și precizia instalării afectează toate performanța la temperaturi ridicate. De exemplu, un lanț din oțel inoxidabil 310S își va reduce rezistența la temperaturi ridicate cu 30% dacă nu a fost supus unui tratament în soluție la 1030-1180℃.

2. Întrebare: Cum se poate rezolva blocarea lanțului în medii cu temperaturi ridicate prin ajustarea materialelor?

Deformarea fălcilor este cauzată în principal de exfolierea depunerilor de oxid sau de dilatarea termică inegală. Soluții: ① Dacă este o problemă de oxidare, înlocuiți oțelul inoxidabil 304 cu 310S sau efectuați un tratament de placare cu crom; ② Dacă este o problemă de dilatare termică, unificați materialele tuturor componentelor lanțului sau alegeți știfturi din aliaj pe bază de nichel cu un coeficient de dilatare termică mai mic.

3. Întrebare: Cum pot lanțurile de încălzire la temperaturi ridicate din industria alimentară să echilibreze rezistența la temperaturi ridicate și cerințele de igienă?

Prioritarizați oțelul inoxidabil 304 sau 316L, evitând acoperirile care conțin metale grele; utilizați un design fără caneluri pentru o curățare ușoară; utilizați ulei de lubrifiere pentru temperaturi înalte, de calitate alimentară, certificat de FDA sau o structură autolubrifiantă (cum ar fi lanțurile care conțin lubrifiant PTFE).

V. Rezumat: De la selecția materialelor la fiabilitatea sistemului

Selectarea materialelor pentru lanțuri cu role pentru medii cu temperaturi ridicate implică, în esență, găsirea soluției optime între condițiile extreme de funcționare și costurile industriale. De la caracterul economic practic al oțelului inoxidabil 304, la echilibrul de performanță al oțelului inoxidabil 310S și apoi până la descoperirea supremă a aliajelor pe bază de nichel, fiecare material corespunde unor cerințe specifice privind condițiile de funcționare. În viitor, odată cu dezvoltarea tehnologiei materialelor, noile materiale de aliaj care combină rezistența la temperaturi ridicate cu costul redus vor deveni o tendință. Cu toate acestea, în stadiul actual, colectarea precisă a parametrilor de funcționare și stabilirea unui sistem de evaluare științifică sunt premise esențiale pentru obținerea unor sisteme de transmisie stabile și fiabile.