Thép chịu lực cacbon cao – Đặc điểm nhóm và tính chất
Thép chịu lực, hay thép dùng làm con lăn, thép vòng bi được đặc trưng bởi hàm lượng carbon rất cao – khoảng 1%. Nó được đặc trưng bởi độ cứng cao, độ tinh khiết cao của thành phần hóa học, khả năng làm cứng cao, độ bền cao và độ mỏi tĩnh, ngoài ra, độ bền vật liệu phù hợp. Ở loại thép này, điểm nhấn chính là khả năng chống mài mòn. Các bộ phận (ví dụ: con lăn, vòng, quả cầu) và các bộ phận khác của các ứng dụng ở gần có thể chuyển động liên tục, tiếp xúc với các bộ phận khác thường ở áp suất cao.
Trong nhiều trường hợp, cần có khả năng chống ăn mòn cụ thể và khả năng chống chịu nhiệt độ cao hơn của các loại thép nhất định. Trong một số trường hợp, dựa vào thành phần hóa học có thể xác định được thép chịu lực và thép công cụ. Thép chịu lực phải có khả năng gia công cao, không bị biến dạng trong quá trình xử lý nhiệt, tối thiểu tạp chất phi kim loại và lưu huỳnh, phốt pho, oxy cũng như hạn chế độ nhạy cảm với việc khử nhiễm bề mặt.
Xử lý nhiệt và điều kiện cung cấp thép chịu lực
Thép chịu lực được cung cấp ở trạng thái mềm với cấu trúc xi măng hình cầu có cấu trúc tinh xảo ở dạng thanh, tấm, ống, vật rèn hoặc vòng. Ngoài nguyên liệu thô, thép chịu lực còn có ở dạng thanh kéo, thanh mài và thanh bóc. Xử lý nhiệt không phải là dễ dàng nhất, vì vậy nó được thực hiện trong các điều kiện đặc biệt bằng phương pháp austenit hóa ở nhiệt độ 820-840oC, sau đó làm cứng trong dầu và ủ ở 180oC trong 1-2 giờ. Sau khi kết thúc quá trình xử lý nhiệt, sản phẩm có cấu trúc dạng lath martensitic và độ cứng trên 62 HRC
Các loại thép khác dùng để sản xuất vòng bi
Ngoài nhóm thép chịu lực, đối với ổ lăn thường sử dụng các loại thép khác để cacbon hóa như 18CrNiMo7-6, 21CrNiMo2-2, 20Cr3, 20CrMo4, thép làm cứng bề mặt – 56Mn4, 70Mn4, thép không gỉ và thép chống ăn mòn như X89CrMoV18, X65Cr14 và thép tốc độ cao 80MoCrV42-16, X82WMoCrV6-5-2, X75WCrV18-4-1.
Thành phần hóa học và phụ gia hợp kim
Đối với thép hypereutectoid được sử dụng các chất phụ gia như Chrome – Cr trong khoảng 1,35-2,05%, Mangan – Mn, Silicon – Si, làm tăng khả năng đông cứng của vật liệu. Thép cacbon hóa trong trường hợp các ứng dụng này dễ tạo hình nguội hơn và có độ dẻo lõi tốt. Thép không gỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ cao.
• Thép Chrome SAE 52100 : Vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho các bộ phận chịu tải trong vòng bi và vòng bi lăn . Thành phần hóa học của loại thép này có lượng cacbon cao và hàm lượng crom khoảng 1,5% . Thông qua xử lý nhiệt và xử lý nghiêm ngặt, vòng bi thành phẩm có tuổi thọ mỏi tốt, độ bền cao và khả năng chống nứt và mài mòn. SAE 52100 là loại thép chịu lực đa dụng tuyệt vời với độ cứng bề mặt điển hình nằm trong khoảng từ 60-64 trên Thang đo khai thác Rockwell (Rc) . Khả năng chống ăn mòn của thép mạ crôm kém do hàm lượng crom thấp . Bề mặt của ổ trục phải được bảo vệ bằng một lớp phủchất ức chế rỉ sét hoặc dầu để ngăn chặn quá trình oxy hóa.
o Điểm mạnh : khả năng chống mài mòn tuyệt vời, độ cứng cao, độ dẻo dai tốt, ổn định kích thước tốt và độ bền mỏi cao.
o Điểm yếu : khả năng chống ăn mòn thấp và khả năng gia công kém.
o Ứng dụng : vòng bi, vòng bi lăn và các ứng dụng chịu tải cao, tốc độ thấp khác trong đó độ bền và độ tin cậy là rất quan trọng.
Thành phần hóa học của thép crom:
| Tiêu chuẩn (Quốc gia) | C% (Cacbon) | Si% (Silic) | Mn% (mangan) | P% (Phốt pho) | Cr% (Crom) | Mo% (Molypden) | Ni% (Niken) | S% (Lưu huỳnh) |
| AISI 440C (Mỹ) | 0,95-1,20 | tối đa 1,00 | tối đa 1,00 | tối đa 0,040 | 16.00-18.00 | tối đa 0,75 | tối đa 0,50 | tối đa 0,030 |
| X105CrMo17 (Đức) | 0,95-1,20 | tối đa 1,00 | tối đa 1,00 | tối đa 0,040 | 16.00-18.00 | tối đa 0,75 | tối đa 0,50 | tối đa 0,030 |
| SUS440C (Nhật Bản) | 0,95-1,20 | tối đa 1,00 | tối đa 1,00 | tối đa 0,040 | 16.00-18.00 | tối đa 0,75 | tối đa 0,60 | tối đa 0,030 |
| 9Cr18Mo (Trung Quốc) | 0,95-1,20 | tối đa 1,00 | tối đa 1,00 | tối đa 0,035 | 17.00-19.00 | tối đa 0,75 | tối đa 0,60 | tối đa 0,030 |
Các giá trị trong bảng là gần đúng và có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất và quy trình sản xuất.
Thép không gỉ Martensitic cacbon cao AISI 440C
• AISI 440C: Thép không gỉ martensitic carbon cao thường được sử dụng trong các bộ phận chịu tải trong vòng bi và vòng bi lăn. Với hàm lượng carbon và crom cao, AISI 440C mang lại tuổi thọ mỏi tốt, độ bền cao và khả năng chống nứt và mài mòn. Nó có độ cứng bề mặt điển hình dao động từ 58-62 trên thang Rockwell C , tương tự như SAE 52100. Ngoài ra, AISI 440C có khả năng chống ăn mòn tốt so với các vật liệu ổ trục khác nên phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên, giống như SAE 52100, bề mặt của vòng bi AISI 440C phải được bảo vệ bằng lớp phủ chống gỉ hoặc dầu để chống oxy hóa. Một số ứng dụng phổ biến của AISI 440C bao gồm các dụng cụ phẫu thuật, linh kiện hàng không vũ trụ và vòng bi hiệu suất cao cho thiết bị công nghiệp, xe thể thao và ứng dụng hàng hải.
o Điểm mạnh : khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, độ cứng cao, độ dẻo dai tốt và ổn định kích thước tốt.
o Điểm yếu : khả năng gia công kém và khả năng chống va đập thấp hơn các loại thép không gỉ khác.
o Ứng dụng : lưỡi dao, dụng cụ phẫu thuật, vòng bi và các ứng dụng khác trong đó khả năng chống ăn mòn cao và khả năng giữ cạnh tốt là rất quan trọng.
Thành phần hóa học của AISI 440C :
| Tiêu chuẩn (Quốc gia) | C% (Cacbon) | Si% (Silic) | Mn% (mangan) | P% (Phốt pho) | Cr% (Crom) | Mo% (Molypden) | Ni% (Niken) | S% (Lưu huỳnh) |
| AISI 440C (Mỹ) | 0,95-1,20 | tối đa 1,00 | tối đa 1,00 | tối đa 0,040 | 16.00-18.00 | tối đa 0,75 | tối đa 0,50 | tối đa 0,030 |
| X105CrMo17 (Đức) | 0,95-1,20 | tối đa 1,00 | tối đa 1,00 | tối đa 0,040 | 16.00-18.00 | tối đa 0,75 | tối đa 0,50 | tối đa 0,030 |
| SUS440C (Nhật Bản) | 0,95-1,20 | tối đa 1,00 | tối đa 1,00 | tối đa 0,040 | 16.00-18.00 | tối đa 0,75 | tối đa 0,60 | tối đa 0,030 |
| 9Cr18Mo (Trung Quốc) | 0,95-1,20 | tối đa 1,00 | tối đa 1,00 | tối đa 0,035 | 17.00-19.00 | tối đa 0,75 | tối đa 0,60 | tối đa 0,030 |
Các giá trị trong bảng là gần đúng và có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất và quy trình sản xuất.
AISI M50 : AISI M50 là thép tốc độ cao thường được sử dụng trong sản xuất vòng bi chính xác và các bộ phận hiệu suất cao khác. Nó chứa tỷ lệ coban và vonfram cao, cùng với carbon, crom và molypden, giúp nó có khả năng chống mài mòn đặc biệt, độ cứng cao và độ dẻo dai tuyệt vời. AISI M50 có khả năng duy trì các đặc tính của nó ở nhiệt độ cao và có thể chịu được áp lực cơ học cực cao, khiến nó trở nên lý tưởng để sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ và các ứng dụng đòi hỏi khắt khe khác. Các ứng dụng bao gồm vòng bi hàng không vũ trụ, dụng cụ cắt hiệu suất cao, hộp số, cánh tuabin và các bộ phận khác đòi hỏi độ bền cao, khả năng chống mài mòn và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao.
o Điểm mạnh : khả năng chống mài mòn tuyệt vời, độ cứng cao, độ dẻo dai tốt và ổn định kích thước tốt.
o Điểm yếu : giá thành cao và khả năng chống ăn mòn tương đối thấp.
o Ứng dụng : vòng bi hàng không vũ trụ, linh kiện động cơ tua-bin và các ứng dụng tải trọng cao, tốc độ cao khác trong đó khả năng chống mài mòn và độ bền là rất quan trọng.
Thành phần hóa học của AISI M50 :
| Chỉ định (Quốc gia) | C% (Cacbon) | Si% (Silic) | Mn% (mangan) | P% (Phốt pho) | Cr% (Crom) | Mo% (Molypden) | Ni% (Niken) | Co% (Coban) | S% (Lưu huỳnh) |
| AISI M50 (Mỹ) | 0,80-0,90 | 0,20-0,40 | 0,15-0,40 | tối đa 0,025 | 3,75-4,50 | 4,50-5,50 | tối đa 0,30 | 8.00-10.00 | tối đa 0,030 |
Các giá trị trong bảng là gần đúng và có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất và quy trình sản xuất.
AISI 8620 : AISI 8620 là thép hợp kim thấp thường được sử dụng trong sản xuất bánh răng, trục và các bộ phận khác đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao. Nó chứa sự kết hợp của carbon, mangan, crom, niken và molypden, mang lại độ cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn tốt. AISI 8620 có thể được xử lý nhiệt để đạt được nhiều tính chất cơ học, khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong ngành công nghiệp ô tô, xây dựng và máy móc.
o Điểm mạnh : độ bền tốt, độ dẻo dai và độ cứng, khả năng gia công tốt và khả năng chống mài mòn tốt.
o Điểm yếu : độ cứng thấp hơn so với một số loại thép hợp kim khác và khả năng chống ăn mòn thấp hơn.
o Ứng dụng: Bánh răng, trục, khớp nối và các bộ phận khác đòi hỏi độ bền, độ bền cao và khả năng chống mài mòn và mỏi. Cũng được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô cho các bộ phận như trục cam, tay lái và bộ phận truyền động.
Thành phần hóa học của AISI 8620 :
| Chỉ định (Quốc gia) | C% (Cacbon) | Si% (Silic) | Mn% (mangan) | P% (Phốt pho) | S% (Lưu huỳnh) | Ni% (Niken) | Cr% (Crom) | Mo% (Molypden) |
| AISI 8620 (Mỹ) | 0,18-0,23 | 0,15-0,35 | 0,70-0,90 | tối đa 0,035 | tối đa 0,040 | 0,40-0,70 | 0,40-0,60 | 0,15-0,25 |
Các giá trị trong bảng là gần đúng và có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất và quy trình sản xuất.
Phần kết luận
• Vật liệu chất lượng cao rất quan trọng đối với vòng bi để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất lâu dài của thiết bị.
• Một số nhà sản xuất sử dụng thép cacbon chất lượng thấp cho vòng bi của họ để giảm chi phí, nhưng điều này có thể dẫn đến hỏng hóc sớm và sửa chữa tốn kém về lâu dài.
• Một trong những loại thép cacbon cấp thấp phổ biến nhất được sử dụng cho vòng bi là AISI 1010, có hàm lượng cacbon thấp và dễ bị mòn và biến dạng khi chịu tải nặng hoặc tốc độ cao.
• Một loại thép cacbon cấp thấp khác được sử dụng cho vòng bi là AISI 1020, cũng dễ bị mài mòn và biến dạng, đặc biệt trong các ứng dụng tốc độ cao và có độ cứng và độ bền thấp hơn thép vòng bi chất lượng cao hơn.
• Vòng bi do Trung Quốc sản xuất cũng có thể được sản xuất bằng thép carbon chất lượng thấp với hàm lượng lưu huỳnh cao, khả năng gia công kém, độ bền và độ bền thấp hơn vòng bi chất lượng cao hơn.
• Khách hàng nên lựa chọn vật liệu ổ trục chất lượng cao hơn như SAE 52100 hoặc AISI 440C, có hàm lượng carbon và crom cao hơn để cải thiện độ bền, độ bền và khả năng chống mài mòn.
• Đầu tư vào vòng bi chất lượng cao hơn có thể đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất lâu dài của thiết bị, cuối cùng là tiết kiệm tiền và tránh việc sửa chữa tốn kém.
Vật liệu chịu lực bằng nhựa
Vòng bi nhựa được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ thiết bị chế biến thực phẩm đến thiết bị y tế. Dưới đây là một số vật liệu ổ trục nhựa phổ biến và đặc tính của chúng:
• Acet (POM) : Acet là loại nhựa nhiệt dẻo có khả năng chống mài mòn tốt, hệ số ma sát thấp và độ cứng cao. Nó có thể hoạt động ở nhiệt độ lên tới 180°F (82°C) và có khả năng kháng hóa chất tốt. Acet thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như hệ thống băng tải và linh kiện ô tô.
o Ưu điểm : chịu mài mòn tốt, ma sát thấp, độ cứng cao và kháng hóa chất.
o Điểm yếu: khả năng chống va đập thấp và khả năng chịu nhiệt độ cao kém.
o Ứng dụng: Được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ ổn định kích thước tốt và khả năng chống lại hóa chất và độ ẩm, chẳng hạn như các bộ phận của máy bơm, đế van và chất cách điện.
• Nylon : Nylon là một loại nhựa nhiệt dẻo có độ bền, độ dẻo dai và chống mài mòn tốt. Nó có thể hoạt động ở nhiệt độ lên tới 250°F (121°C) và có khả năng kháng hóa chất tốt. Nylon thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền và khả năng chống va đập cao, chẳng hạn như hệ thống băng tải và thiết bị xử lý vật liệu.
o Ưu điểm : độ bền tốt, độ dẻo dai, chống mài mòn và kháng hóa chất.
o Điểm yếu: độ ổn định kích thước kém và khả năng hấp thụ nước cao.
o Ứng dụng : làm kín, đệm và chất cách điện.
• PEEK (Polyetheretherketone): PEEK là loại nhựa nhiệt dẻo hiệu suất cao có các đặc tính cơ học và hóa học tuyệt vời. Nó có thể hoạt động ở nhiệt độ lên tới 500°F (260°C) và có khả năng kháng hóa chất tuyệt vời. PEEK thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền, độ cứng và khả năng kháng hóa chất cao, chẳng hạn như các bộ phận hàng không vũ trụ và y tế.
o Điểm mạnh : độ bền cao, độ cứng, khả năng chống mài mòn và kháng hóa chất tuyệt vời.
o Điểm yếu : giá thành cao và khả năng chống va đập kém.
o Ứng dụng : ứng dụng y tế và hàng không vũ trụ, chẳng hạn như cấy ghép và linh kiện máy bay.
• UHMWPE (Polyethylene trọng lượng phân tử siêu cao): UHMWPE là loại nhựa nhiệt dẻo có khả năng chống mài mòn tuyệt vời, hệ số ma sát thấp và khả năng chống va đập cao. Nó có thể hoạt động ở nhiệt độ lên tới 180°F (82°C) và có khả năng kháng hóa chất tốt. UHMWPE thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chống mài mòn cao và độ ma sát thấp, chẳng hạn như hệ thống băng tải và thiết bị xử lý vật liệu.
o Điểm mạnh : chống mài mòn tuyệt vời, ma sát thấp, chống va đập cao và kháng hóa chất.
o Điểm yếu : độ cứng thấp và độ ổn định kích thước kém.
o Ứng dụng : Ứng dụng chế biến và đóng gói thực phẩm, chẳng hạn như thớt và băng tải.
Điều quan trọng cần lưu ý là vòng bi nhựa có thể không phù hợp cho các ứng dụng chịu tải trọng cao, tốc độ cao do độ bền và độ cứng thấp hơn so với vòng bi thép. Tuy nhiên, chúng thường được ưa thích trong các ứng dụng có khả năng chống ăn mòn, ma sát thấp và trọng lượng nhẹ là những yếu tố quan trọng.
Vật liệu tổng hợp
Vật liệu ổ trục composite được làm từ sự kết hợp của nhiều vật liệu, điển hình là ma trận polymer và sợi gia cố. Các đặc tính của vòng bi composite có thể khác nhau tùy thuộc vào vật liệu cụ thể được sử dụng trong cấu trúc của chúng. Dưới đây là một số ví dụ:
• Polyamide (PA) – Gia cố sợi thủy tinh : Vật liệu composite này là một loại nhựa đã được gia cố bằng sợi thủy tinh. Nó được biết đến với độ bền cao, độ cứng và khả năng chống mài mòn. Vòng bi PA-GF được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm động cơ ô tô, thiết bị xây dựng và máy móc công nghiệp.
o Ưu điểm : độ bền cao, độ cứng, khả năng chống mài mòn tốt và hệ số ma sát thấp.
o Điểm yếu : khả năng chịu nhiệt độ cao và hóa chất kém.
o Ứng dụng : động cơ ô tô, thiết bị xây dựng, máy móc công nghiệp.
• Polyimide (PI) – Gia cố bằng sợi carbon : Vật liệu composite này được làm từ ma trận polymer được gia cố bằng sợi carbon. Nó được biết đến với hiệu suất nhiệt độ cao và độ ổn định kích thước tuyệt vời. Vòng bi PI-CF được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chịu nhiệt độ cao và độ ổn định kích thước, chẳng hạn như hàng không vũ trụ và máy móc công nghiệp.
o Điểm mạnh : chịu nhiệt độ cao, ổn định kích thước, độ bền cao và độ cứng.
o Nhược điểm : giá thành cao, khó gia công.
o Ứng dụng : hàng không vũ trụ, máy móc công nghiệp.
• PTFE (Polytetrafluoroethylene) – Glass Fiber Reinforced : Vật liệu composite này là một loại nhựa đã được gia cố bằng sợi thủy tinh. Vòng bi PTFE-GF được biết đến với hệ số ma sát thấp, khả năng chống mài mòn cao và khả năng chống hóa chất và độ ẩm. Chúng thường được sử dụng trong các thiết bị chế biến thực phẩm và đồ uống, cũng như trong máy bơm và van.
o Ưu điểm : hệ số ma sát thấp, khả năng chống mài mòn cao, khả năng chống hóa chất và độ ẩm.
o Điểm yếu : khả năng chịu tải kém và độ ổn định kích thước kém.
o Ứng dụng : thiết bị chế biến thực phẩm và đồ uống, máy bơm và van.
• PEEK (Polyetheretherketone) – Gia cố bằng sợi carbon : Vật liệu composite này là một loại nhựa nhiệt dẻo đã được gia cố bằng sợi carbon. Vòng bi PEEK-CF được biết đến với khả năng chịu nhiệt độ cao, chống mài mòn tuyệt vời và độ bền cao. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, ô tô và y tế.
o Điểm mạnh : chịu nhiệt độ cao, chống mài mòn tuyệt vời và độ bền cao.
o Nhược điểm : giá thành cao, khó gia công.
o Ứng dụng : hàng không vũ trụ, ô tô và y tế.
Vật liệu lồng, tấm chắn và con dấu
• Lồng /Vòng giữ (nếu được sử dụng) thường được làm từ các vật liệu khác nhau so với vòng và bóng. Các lồng thường được ép đột từ các dải đồng thau (H62) , thép 08 (SPCC) , thép không gỉ (3Cr13 hoặc 1Cr18Ni9) , nhựa phenolic gia cố bằng sợi , nhựa , v.v.
• Khiên được làm bằng vật liệu Thép 10 hoặc 08AI ( SPCC), Thép không gỉ (1Cr18Ni9).
• Con dấu được làm bằng vật liệu Cao su tổng hợp và Teflon.
