Thép vòng bi chịu nhiệt độ cao là loại thép chuyên dụng cho vòng bi lăn phải làm việc trong môi trường nhiệt cao. Khi nhiệt độ vận hành của vòng bi vượt quá 250°C, thép vòng bi thông thường có thể bị giảm độ cứng, mất ổn định kích thước và suy giảm độ bền mỏi.
Trong các ứng dụng như động cơ hàng không, tua-bin khí, hệ thống lò phản ứng hạt nhân và đĩa tungsten của ống tia X, nhiệt độ làm việc của vòng bi có thể đạt 300°C đến 600°C. Với các điều kiện này, cần sử dụng thép vòng bi chịu nhiệt độ cao thay vì vật liệu vòng bi tiêu chuẩn.
Yêu cầu tính năng của thép vòng bi chịu nhiệt độ cao
Ngoài các đặc tính cơ bản của thép vòng bi thông thường, thép vòng bi chịu nhiệt độ cao phải duy trì hiệu suất ổn định khi làm việc dưới nhiệt. Các yêu cầu quan trọng gồm:
- Độ cứng ở nhiệt độ cao: thép cần giữ được độ cứng khoảng trên 50 HRC trong môi trường nhiệt cao.
- Khả năng chống mài mòn ở nhiệt độ cao: vật liệu phải chịu được tiếp xúc lăn liên tục và vận hành tốc độ cao.
- Độ bền mỏi tiếp xúc ở nhiệt độ cao: thép phải chịu được ứng suất tiếp xúc lặp lại mà không hỏng mỏi sớm.
- Khả năng chống oxy hóa: bề mặt vòng bi cần ổn định trong môi trường oxy hóa hoặc môi trường ăn mòn ở nhiệt độ cao.
- Khả năng chịu va đập ở nhiệt độ cao: thép cần hạn chế nứt vỡ hoặc hư hại khi có tải va đập.
- Ổn định kích thước: vòng bi phải duy trì độ lắp, khe hở và hình học khi nhiệt độ thay đổi.
Các loại thép vòng bi chịu nhiệt độ cao phổ biến
Thép gió Cr4Mo4V
Cr4Mo4V là thép gió có chứa molybdenum. Vật liệu này có độ ổn định kích thước tốt, độ cứng cao ở nhiệt độ cao và độ bền mỏi tiếp xúc tốt. Tuy nhiên, khả năng rèn và gia công của Cr4Mo4V tương đối kém, đồng thời nhạy với hiện tượng thoát carbon trong quá trình nhiệt luyện.
Cr4Mo4V thường được dùng để sản xuất vòng trong, vòng ngoài và con lăn cho vòng bi lăn làm việc ở nhiệt độ cao.
Thép vòng bi inox chịu nhiệt Cr14Mo4
Cr14Mo4 là thép vòng bi inox chịu nhiệt, có độ cứng ở nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn tốt. Độ bền mỏi tiếp xúc ở nhiệt độ cao của Cr14Mo4 thấp hơn một chút so với Cr4Mo4V, nhưng khả năng gia công tốt hơn.
Mác thép này phù hợp cho các chi tiết làm việc dưới tải trung bình hoặc tải thấp ở nhiệt độ dưới 300°C.
Thép gió tungsten W18Cr4V
W18Cr4V là thép gió nền tungsten, có độ cứng nóng và khả năng giữ độ cứng đỏ rất tốt. Vật liệu này được dùng rộng rãi cho dụng cụ cắt và cũng có thể dùng cho chi tiết vòng bi chịu nhiệt làm việc dưới khoảng 540°C.
Thép gió W9Cr4V2Mo
W9Cr4V2Mo có đặc tính gần tương tự Cr4Mo4V. Tuy nhiên, khả năng gia công nóng và khả năng mài của vật liệu này tương đối kém. W9Cr4V2Mo phù hợp để sản xuất vòng bi chịu nhiệt làm việc liên tục dưới 400°C.
Thép gió tungsten-molybdenum W6Mo5Cr4V2
W6Mo5Cr4V2 là thép gió tungsten-molybdenum. So với W18Cr4V, vật liệu này có độ dai, khả năng chống mài mòn và độ dẻo nóng tốt hơn, trong khi vẫn duy trì độ cứng, độ cứng đỏ và độ cứng ở nhiệt độ cao tương đương.
W6Mo5Cr4V2 cũng có khả năng gia công nóng và gia công cắt gọt tốt. Thép này phù hợp cho dụng cụ cắt, khuôn ép nguội chống mài mòn, lò xo chịu nhiệt và vòng bi chịu nhiệt độ cao.
Vì sao các mác thép này làm việc được ở nhiệt độ cao?
Thép vòng bi chịu nhiệt độ cao thường chứa các nguyên tố hợp kim như tungsten (W), molybdenum (Mo), chromium (Cr) và vanadium (V). Các nguyên tố này tạo thành carbide khó hòa tan ở nhiệt độ cao.
Trong quá trình ram, các carbide phân tán mịn kết tủa trong nền thép, tạo hiệu ứng hóa bền thứ cấp. Nhờ cơ chế này, thép vòng bi chịu nhiệt độ cao có thể duy trì độ cứng cao hơn, chống mài mòn tốt hơn, chống oxy hóa mạnh hơn, cải thiện độ bền mỏi và giữ ổn định kích thước trong một dải nhiệt độ nhất định.
Nhiệt độ làm việc của một số thép vòng bi chịu nhiệt phổ biến
| Mác thép | Nhiệt độ làm việc tối đa | Nhiệt độ thử độ cứng | Độ cứng tại nhiệt độ thử | Thời gian ổn định kích thước | Mức thay đổi kích thước cho phép | Khả năng chống oxy hóa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cr4Mo4V | 315°C / 425°C* | 20°C | >62 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| Cr4Mo4V | 315°C / 425°C* | 230°C | >59 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| Cr4Mo4V | 315°C / 425°C* | 315°C | >57 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| Cr4Mo4V | 315°C / 425°C* | 425°C | >54 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| W6Mo5Cr4V2 | 425°C | 20°C | >62 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| W6Mo5Cr4V2 | 425°C | 230°C | >61 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| W6Mo5Cr4V2 | 425°C | 315°C | >60 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| W6Mo5Cr4V2 | 425°C | 425°C | >57 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| W9Cr4V2Mo / W18Cr4V | 480°C | 20°C | >63 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| W9Cr4V2Mo / W18Cr4V | 480°C | 200°C | >61 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| W9Cr4V2Mo / W18Cr4V | 480°C | 315°C | >60 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| W9Cr4V2Mo / W18Cr4V | 480°C | 425°C | >57 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| W9Cr4V2Mo / W18Cr4V | 480°C | 535°C | >54 HRC | 1200 h | <0.005% | Tốt |
| Cr15Mo4 / Cr14Mo4 | 315°C / 425°C* | 20°C | >63 HRC | 1200 h | <0.005% | Rất tốt |
| Cr15Mo4 / Cr14Mo4 | 315°C / 425°C* | 320°C | >57 HRC | 1200 h | <0.005% | Rất tốt |
| Cr15Mo4 / Cr14Mo4 | 315°C / 425°C* | 420°C | >54 HRC | 1200 h | <0.005% | Rất tốt |
*Ghi chú: Nhiệt độ trong dấu sao là nhiệt độ tối đa cho phép trong các điều kiện làm việc cụ thể.
Chọn vật liệu khi nhiệt độ vượt quá 500°C
Khi nhiệt độ vận hành của vòng bi vượt quá 500°C, thép vòng bi chịu nhiệt có thể không còn đáp ứng đủ yêu cầu kỹ thuật. Trong các điều kiện khắc nghiệt này, thường nên cân nhắc hợp kim nền cobalt, hợp kim nền nickel hoặc vật liệu gốm để đạt độ bền nhiệt, khả năng chống oxy hóa và tuổi thọ làm việc tốt hơn.
Tóm tắt
Thép vòng bi chịu nhiệt độ cao được sử dụng khi thép vòng bi thông thường không chịu được nhiệt độ vận hành yêu cầu. Các mác như Cr4Mo4V, Cr14Mo4, W18Cr4V, W9Cr4V2Mo và W6Mo5Cr4V2 được lựa chọn theo nhiệt độ, tải trọng, khả năng chống ăn mòn, khả năng gia công và yêu cầu ổn định kích thước.
Với các ứng dụng trên 500°C, nên xem xét vật liệu vòng bi bằng hợp kim nền cobalt, hợp kim nền nickel hoặc gốm. Khi chuẩn bị RFQ cho CXE Bearing, người mua nên cung cấp model vòng bi, số lượng, vật liệu yêu cầu, kiểu phớt hoặc nắp chắn nếu có, nhiệt độ làm việc, tải trọng, tốc độ và điều kiện môi trường.