Những hạn chế chính về hiệu suất của vòng bi thép không gỉ trong các ứng dụng tải trọng cao hoặc tốc độ cao là gì

Vòng bi thép không gỉ được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chuyên dụng như chế biến thực phẩm, thiết bị y tế và kỹ thuật hàng hải do khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của chúng. Tuy nhiên, khi được sử dụng dưới tải trọng cực lớn hoặc tốc độ cao, đặc tính vật liệu vốn có của vòng bi thép không gỉ, đặc biệt là loại thép không gỉ martensitic AISI 440C, sẽ hạn chế hiệu suất của chúng.

I. Hạn chế trong các ứng dụng chịu tải cao: Mệt mỏi và giòn

1. Khả năng chịu tải và tuổi thọ mỏi của liên hệ

Mặc dù vòng bi thép không gỉ AISI 440C có thể đạt được độ cứng cao (thường là 58-60 HRC) thông qua xử lý nhiệt, mang lại khả năng chống mài mòn tuyệt vời, nhưng chúng vẫn tụt hậu so với thép chịu lực crom cacbon cao tiêu chuẩn (như GCr15/52100) về hiệu suất cơ bản.

Xếp hạng tải trọng động: Xếp hạng tải trọng động của thép 440C thường thấp hơn thép 52100. Điều này chủ yếu là do hàm lượng crôm cao trong thép 440C, tạo thành một lượng lớn cacbua. Các hạt cacbua này, phân bố trong nền, có thể trở thành nguồn nứt ở vùng tập trung ứng suất, ảnh hưởng đến độ tinh khiết và tính đồng nhất bên trong của thép.

Độ bền mỏi tiếp xúc: Trong điều kiện tải trọng cao, mương vòng bi phải chịu ứng suất Hertzian cực cao. Khi chịu ứng suất tiếp xúc cao lặp đi lặp lại, tuổi thọ mỏi tiếp xúc lăn của thép 440C kém hơn thép 52100. Điều này có nghĩa là trong cùng điều kiện tải, tuổi thọ dự kiến ​​(L10) của ổ trục 440C sẽ bị rút ngắn đáng kể.

2. Độ dẻo dai và khả năng chống va đập

440C là thép không gỉ martensitic điển hình. Độ cứng cao của nó phải trả giá bằng độ dẻo dai.

Xu hướng giòn: Do hàm lượng carbon cao, 440C có cấu trúc tương đối giòn sau khi đông cứng. Trong các ứng dụng có tải va đập hoặc rung động mạnh, vật liệu này dễ bị gãy giòn hoặc nứt vỡ mương hơn, đặc biệt là ở các khu vực tập trung ứng suất.

Khả năng chống lõm: Mặc dù có độ cứng cao, 440C có thể không có khả năng chống mài mòn như thép hợp kim được xử lý đặc biệt khi chịu tải trọng tĩnh hoặc va đập đột ngột, ảnh hưởng đến độ chính xác hình học của nó dưới tải trọng cao.

II. Những thách thức về hiệu suất trong các ứng dụng tốc độ cao: Tăng nhiệt độ và ổn định kích thước

1. Giới hạn tản nhiệt và nhiệt độ hoạt động

Trong quá trình hoạt động ở tốc độ cao, ma sát trong ổ trục tạo ra một lượng nhiệt đáng kể. Thép không gỉ đưa ra những thách thức về nhiệt động sau đây:

Độ dẫn nhiệt: Thép không gỉ, đặc biệt là 440C, thường có độ dẫn nhiệt thấp hơn thép chịu lực thông thường. Độ dẫn nhiệt thấp hơn này khiến nhiệt sinh ra trong ổ trục khó tiêu tán nhanh chóng, dẫn đến nhiệt độ tích tụ tăng nhanh.

Hiệu ứng ủ: Khi nhiệt độ vận hành ổ trục vượt quá nhiệt độ ủ trên 440C (thường dưới 200°C), quá trình làm mềm thứ cấp xảy ra, khiến độ cứng của vật liệu giảm, làm giảm đáng kể khả năng chống mài mòn và khả năng chịu tải. Nhiệt sinh ra do tốc độ cao có thể dễ dàng gây ra loại lỗi nhiệt này.

2. Quản lý bôi trơn và đặc tính ma sát

Tốc độ cao đặt ra yêu cầu cực kỳ cao về bôi trơn và đặc tính của vòng bi thép không gỉ khiến việc quản lý bôi trơn trở nên phức tạp hơn.

Ma sát trượt: Ở tốc độ cao, ma sát trượt giữa các quả bóng và mương, cũng như giữa các quả bóng và lồng/vật giữ, tăng cường. Bôi trơn không đủ hoặc lựa chọn chất bôi trơn không đúng có thể gây ra hiện tượng mài mòn nghiêm trọng trên bề mặt thép không gỉ.

Khe hở vòng bi: Do chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính (CTE) 440C so với thép ổ trục thông thường, cộng với tác động của sự tăng nhiệt độ, khe hở bên trong của vòng bi hoạt động ở tốc độ cao có thể dao động khó lường, dẫn đến mất kiểm soát tải trước hoặc tăng ma sát, hạn chế hơn nữa tốc độ giới hạn.

3. Hạn chế toàn diện trong môi trường phức tạp

Vòng bi thép không gỉ thường được sử dụng trong môi trường ăn mòn. Trong các điều kiện vận hành phức tạp với tải trọng cao, tốc độ cao và sự ăn mòn, hiệu suất của vật liệu sẽ giảm sút hơn nữa.

Sức mạnh tổng hợp do ăn mòn do mỏi: Vật liệu ăn mòn làm tăng tốc độ rỗ trên bề mặt mương. Những điểm ăn mòn này trở thành nguồn tập trung ứng suất. Dưới tải trọng cao lặp đi lặp lại, chúng có thể dễ dàng gây ra hiện tượng mỏi do ăn mòn, dẫn đến hỏng ổ trục sớm.

Hạn chế của các loại không phải 440C: Thép không gỉ Austenitic (như 304 và 316), có khả năng chống ăn mòn cao hơn nhưng có độ cứng và độ bền thấp hơn, có khả năng chịu tải và tốc độ vận hành thấp hơn nhiều so với các loại 440C trong điều kiện tải trọng cao hoặc tốc độ cao. Chúng thường chỉ phù hợp với môi trường tốc độ thấp, tải nhẹ và cực kỳ ăn mòn và không phù hợp với các ứng dụng tải cao hoặc tốc độ cao.