Vật liệu chịu lực chính để tăng độ tin cậy cho vòng bi

Việc sử dụng thép chịu lực đặc biệt cho ứng dụng và xử lý bề mặt cho phép độ tin cậy của vòng bi NSK được tăng lên đáng kể, từ đó góp phần giảm thiểu máy móc và thiết bị TCO (tổng chi phí sở hữu).

Đối với vòng bi hiệu suất cao, việc lựa chọn và tối ưu hóa vật liệu (thép) đóng vai trò trung tâm trong sự phát triển của chúng. Vì lý do này, kỹ thuật vật liệu là một trong bốn công nghệ nghiên cứu và phát triển cốt lõi tại NSK.

Độ tinh khiết của vật liệu

Tuổi thọ mỏi của thép chịu lực hợp kim như 100 Cr6 (hoặc SUJ2 trong tiêu chuẩn Nhật Bản), ví dụ, phụ thuộc chủ yếu vào nội dung bao gồm. Các thể vùi oxit hoặc phi kim nói riêng, phát huy tác dụng tiêu cực dưới bề mặt mương. Ví dụ, người ta biết rằng các vùi nhôm oxit, được hình thành do quá trình oxy hóa trong quá trình nóng chảy, có thể dẫn đến giảm đáng kể tuổi thọ mỏi mang. Hiệu ứng này được tạo ra bởi vì các vùi nhôm oxit tương đối cứng và có thể vỡ ra khi thép đang được xử lý, chẳng hạn như trong quá trình rèn. Khi chia tay xảy ra, các vùi co lại và làm suy yếu cấu trúc vi mô.

Hợp tác với một nhà sản xuất thép hàng đầu, NSK đã phát triển các vật liệu như thép Z, thép EP và BNEQUARTET để ngăn chặn loại hiệu ứng tiêu cực này. Một số vật liệu này được sản xuất bằng các quá trình nóng chảy đặc biệt làm giảm hàm lượng phi kim và kéo dài tuổi thọ mỏi.

Xử lý nhiệt dành riêng cho ứng dụng
nhiệt là một thông số khác ảnh hưởng đến các đặc tính cụ thể của thép và do đó cũng ảnh hưởng đến vòng bi. Thực tế này là lý do tại sao các vật liệu như thép SHX của NSK phải chịu một xử lý nhiệt cụ thể có khả năng chống mài mòn đặc biệt ở nhiệt độ cao. Vòng bi loại này được yêu cầu không chỉ là nơi có nhiệt như một phần vốn có của quá trình, mà trong các ứng dụng như máy công cụ, nơi tốc độ trục chính nhanh tạo ra nhiệt độ cao trong các thành phần ổ đĩa.

Trong quá trình phát triển, các đặc tính của thép SHX đã được chứng minh bằng các phương pháp kiểm tra độ bền mòn toàn diện, bao gồm kiểm tra bốn bóng và lăn, cũng như kiểm tra tuổi thọ mỏi vật liệu và bề mặt.

Sự khác biệt là trong hợp kim

Tham số thứ ba trong nhiệm vụ cho độ tin cậy mang lớn hơn là hợp kim. Hợp kim có thể ngăn ngừa, hoặc ít nhất là giảm thiểu sự hình thành các vết nứt trong cấu trúc vi mô mang. Một lần nữa hợp tác với các nhà sản xuất thép, NSK đã phát triển nhiều hợp kim đặc biệt cho hồ sơ ứng dụng này.

Các vật liệu như thép Super Tough của NSK đến từ việc kết hợp xử lý nhiệt tối ưu với một hợp kim đặc biệt (Image1). Ví dụ, việc làm cứng thép bằng cách sử dụng một quá trình như carbonitriding làm tăng tuổi thọ của dịch vụ lên gấp đôi so với tuổi thọ ước tính trong điều kiện bôi trơn bị ô nhiễm. Trong môi trường mà chất bôi trơn có tạp chất bình thường, tuổi thọ của ổ trục thậm chí có thể tăng lên gấp 10 lần. Lý do cho hiệu suất được cải thiện này là do hao mòn bề mặt gây ra do không đủ bôi trơn hoặc nhiễm bẩn của chất bôi trơn. Đổi lại, bất kỳ thiệt hại tiềm tàng nào gây ra bởi ‘vết nứt khắc trắng’ (WEC) đều bị trì hoãn.

ví dụ 1

Sự phát triển của các vật liệu mới thường là để đáp ứng các xu hướng công nghiệp hoặc thay đổi trong các yêu cầu ứng dụng. Đây là trường hợp với công nghệ BNEQUARTET, được NSK giới thiệu lần đầu tiên cách đây hai năm (Image2). BNEQUARTET ban đầu được tạo ra để đáp ứng với sự gia tăng ổn định về kích thước của trống máy giặt. Vòng bi cầu được tìm thấy nhiều trong các máy giặt cửa trước trên khắp châu Âu có thể chịu tải không đều và không đối xứng. Với kích thước trống ngày càng tăng, tải giặt cao hơn đặt ra yêu cầu lớn hơn đối với vòng bi.

Để đáp lại, các chuyên gia vật liệu NSK đã thiết lập về việc cải thiện thành phần hợp kim của một loại thép đặc biệt để ngăn chặn các vết nứt và vết lõm hình thành trong mương và quan trọng nhất là ngăn chúng lan truyền. Ngoài ra, loại thép đặc biệt này đặc biệt nguyên chất. Tập hợp các biện pháp được áp dụng trong công nghệ BNEQARTET dẫn đến tăng gấp đôi tuổi thọ của ổ trục trong khi chịu tải cao và điều kiện môi trường không thuận lợi.

Ví dụ 2

Một ví dụ khác về phát triển vật liệu định hướng ứng dụng đến từ công nghệ tuabin gió. Ở đây, thiệt hại cho vòng bi dưới dạng WEC có thể xảy ra bên dưới bề mặt vật liệu (Image3). Những cấu trúc màu trắng của ferrite giòn, được hình thành bởi những thay đổi trong cấu trúc vi mô, có thể được quan sát trong các mặt cắt khắc và đánh bóng của vật liệu. Các cấu trúc bị thay đổi không còn có thể chịu được tải trọng cao được áp dụng. Các WEC hình thành và lan rộng ra, dẫn đến các khuyết tật bề mặt như rỗ hoặc WSF (bong tróc cấu trúc trắng).

Các nhà khoa học chưa bao giờ có thể giải thích đầy đủ lý do cho WEC. Suy nghĩ hiện tại cho rằng các điều kiện được gây ra bởi tác động của sự tương tác thành phần trong hệ truyền động. Chúng bao gồm động lực học, ma sát hỗn hợp, điện tích / dòng điện, các yếu tố hóa học, chuyển động trượt / trượt và khuếch tán hydro.

Phát triển các biện pháp đối phó

Nhờ thành công trong việc tái tạo WEC trong phòng thí nghiệm, NSK sau đó đã có thể phát triển các biện pháp đối phó bao gồm đốt cháy thép chịu lực martensite, cùng với các vật liệu cụ thể khác (Image4). Quá trình bổ sung này đã được chứng minh là trì hoãn đáng kể sự xuất hiện của thiệt hại WEC.

Một phương pháp hiệu quả khác để giảm xác suất thiệt hại của WEC là sử dụng vòng bi, bạc đạn NSK làm bằng ST của NSK. Sử dụng kết hợp vật liệu và xử lý bề mặt này, đánh giá tải trọng động thường có thể được cải thiện 23%, trong vòng bi lăn tương đương với việc tăng gấp đôi tuổi thọ mỏi.

Giảm thiệt hại WEC

Liên quan đến hao mòn bề mặt do bôi trơn kém hoặc chất bôi trơn bị ô nhiễm, điều này được giảm đáng kể khi sử dụng vòng bi STF , trong khi thiệt hại WEC tiềm năng bị trì hoãn. Một loạt các thử nghiệm NSK cho thấy thời gian trước khi bắt đầu thiệt hại đã tăng gấp đôi.

Một chiến lược thuận lợi khác là sử dụng các vòng mang được làm từ ‘Cấu trúc chống trắng’ (AWS-TF), một vật liệu NSK độc quyền được phát triển đặc biệt để ngăn ngừa thiệt hại của WEC. Trong một loạt các thử nghiệm, tuổi thọ hoạt động của các vòng bi thép thông thường được đo đến thời điểm phát hiện thiệt hại WEC. Sau đó, loạt thử nghiệm được lặp lại với AWS-TF. Sau tuổi thọ cao hơn tám lần so với các vòng mang thép thông thường, không có WEAs (khu vực khắc trắng) được phát hiện trong vật liệu.

Nhựa và gốm sứ

Phát triển vật liệu tại NSK không chỉ là về thép. Vật liệu nhựa, cũng như kim loại màu như đồng thau, cũng được thử nghiệm để thực hiện các cải tiến được nhắm mục tiêu chính xác đến các đặc tính của lồng. Hơn nữa, lớp phủ gốm và gốm (Image6) đóng vai trò ngày càng tăng khi cần điều chỉnh các tính chất dẫn điện của vòng bi, bạc đạn và khả năng chống mòn của chúng. Về chủ đề này, NSK gần đây đã giới thiệu một phát triển gốm có tên HDY2, có tính năng cách nhiệt và dẫn nhiệt được tối ưu hóa.

Cuối cùng, một khu vực tập trung khác cho sự phát triển vật liệu liên quan đến chất bôi trơn. Tribology là một năng lực cốt lõi riêng biệt trong tổ chức nghiên cứu và phát triển của NSK, bên cạnh công nghệ vật liệu.