Đặt một vòng bi cầu rãnh sâu bằng thép không gỉ cạnh phiên bản thép crôm cùng kích thước, gần như không có gì trên bảng dữ liệu thay đổi. Đường kính lỗ, đường kính ngoài, chiều rộng và tải trọng tĩnh danh định đều như nhau; tốc độ cũng không giảm. Chỉ có một cột thay đổi.
Cột đó là tải trọng động cơ bản, giảm từ 16 đến 23% tùy kích thước. Đây là chênh lệch đáng kể, vì tuổi thọ danh định tỷ lệ với lũy thừa ba của đại lượng này. Những câu hỏi thực sự khiến kỹ sư vướng mắc đều đã có câu trả lời được công bố, nhưng hầu như không ai trích dẫn: mác thép nào được dùng cho các vòng thay vì cho bi; giới hạn nhiệt độ thực tế là bao nhiêu; thép không gỉ có làm giảm tốc độ hay không; và vòng bi không gỉ vẫn có thể bị gỉ ở những vị trí nào. Hướng dẫn này lần lượt phân tích từng vấn đề dựa trên danh mục của nhà sản xuất và tiêu chuẩn quy định mác thép. Nếu cần hiểu cấu trúc ký hiệu trước, hãy bắt đầu với hướng dẫn cách đọc mã vòng bi.
Điểm chính
- Một “vòng bi 440C” thường dùng ba loại thép không gỉ. SKF chế tạo các vòng của vòng bi cầu rãnh sâu không gỉ bằng X65Cr13, bi bằng X105CrMo17 (AISI 440C), còn vòng cách và nắp chắn bằng X5CrNi18-10, tức thép austenit 304.
- Thép không gỉ khiến bạn đánh đổi một cột, đó là C. Ở ba kích thước bao tương ứng, khi so loại không gỉ hở với loại thép crôm hở: C giảm 16,4%, 20,9% và 22,8%, trong khi C₀ giảm 0%, 1,9% và 7,4%, còn giới hạn tải mỏi Pᵤ giảm 0%, 0% và 6,3%.
- Thép không gỉ không làm mất tốc độ; phớt mới là yếu tố gây giảm tốc.
W 6000hở và6000hở có cùng tốc độ tham chiếu 67 000 r/min và tốc độ giới hạn 40 000 r/min. Ở đường kính lỗ 40 mm, vòng bi không gỉ thậm chí có tốc độ danh định cao hơn, 12 000 so với 11 000 r/min. Lắp phớt tiếp xúc cho loại nào thì cả hai đều giảm xuống 5 600 r/min.- Hãy quy đổi mức giảm tải trọng danh định thành tuổi thọ trước khi tranh luận về mác thép. Vì L₁₀ tỷ lệ với (C/P)³, mức giảm C từ 16,4% đến 22,8% tương ứng với tuổi thọ danh định giảm 42% đến 54% ở cùng tải tác dụng.
- 440C sau tôi cứng là loại thép không gỉ chống ăn mòn kém hơn. Hàm lượng cacbon cao liên kết crôm thành cacbit trong quá trình tôi, làm giảm lượng crôm hòa tan để tạo màng thụ động. Schaeffler mô tả X105CrMo17 là “sự thỏa hiệp giữa khả năng chống ăn mòn và khả năng chịu lăn ép”.
- 120 °C, không phải 300 °C. SKF nêu rõ vòng bi cầu rãnh sâu không gỉ của hãng ổn định kích thước đến ít nhất 120 °C (250 °F). Các dải từ 300 °C trở lên mô tả thép, không phải vòng bi.
- Tiêu chuẩn đã thay đổi vào năm 2023 và bổ sung mác thép giúp hóa giải bài toán đánh đổi này. ISO 683-17:2023 là ấn bản 4, công bố ngày 22 tháng 9 năm 2023; lần sửa đổi này bổ sung X30CrMoN15-1, mác martensit hàm lượng nitơ cao.
Vòng bi thép không gỉ được làm từ những gì?
Trong phần lớn trường hợp là ba loại thép không gỉ khác nhau: một mác martensit dùng cho các vòng, một mác martensit cứng hơn dùng cho bi và một mác austenit dùng cho vòng cách cùng nắp chắn. Mỗi loại được chọn vì một đặc tính riêng, và chỉ một trong ba thường được dùng để gọi tên toàn bộ sản phẩm.
SKF công bố chính xác cách phân chia này. Các vòng được chế tạo bằng X65Cr13 theo ISO 683-17, bi bằng X105CrMo17, còn nắp chắn và vòng cách bằng X5CrNi18-10 theo EN 10088-1 (SKF). X105CrMo17 là mác được bán dưới tên AISI 440C, còn X5CrNi18-10 là AISI 304. Vì vậy, bộ phận mà phần lớn danh sách sản phẩm gọi là vòng bi 440C thực ra chỉ dùng 440C cho bi, dùng mác martensit ít cacbon hơn cho rãnh lăn và dùng 304 austenit cho vòng cách.
Ba bộ phận dùng ba mác thép vì yêu cầu làm việc khác nhau: nơi có tiếp xúc lăn cần độ cứng, còn nơi không có tiếp xúc lăn cần khả năng chống ăn mòn và tạo hình. Vòng cách của vòng bi không gỉ có nắp tiêu chuẩn được dập bằng thép không gỉ, có thể là loại dải, tán đinh hoặc lắp gài; tất cả đều được định tâm theo bi. Có thể đặt vòng cách polyamide 66 gia cường sợi thủy tinh, chế tạo bằng phương pháp ép phun, theo yêu cầu (SKF). Để biết lựa chọn này ảnh hưởng thế nào đến giới hạn nhiệt độ, xem hướng dẫn về vật liệu vòng cách vòng bi.
Hệ quả thực tế nằm ở khâu mua hàng. Một yêu cầu báo giá ghi “thép không gỉ, 440C” mới chỉ định vật liệu của bi. Mác thép vòng, vật liệu và kiểu vòng cách, vật liệu nắp chắn hoặc phớt, cùng loại mỡ vẫn chưa được xác định; trong khi mỗi yếu tố đều quyết định một đặc tính mà người mua quan tâm.
Martensit, austenit và mác thép hóa giải bài toán đánh đổi
Thép martensit có thể tôi cứng để chịu tiếp xúc lăn, còn thép austenit thì không. Chỉ riêng sự thật này đã giải thích vì sao 316 chống ăn mòn tốt hơn nhưng làm vật liệu rãnh lăn kém hơn, và vì sao có một họ thép thứ ba để không còn phải chọn một bỏ một.
| Mác thép | Họ | Vị trí phù hợp trong vòng bi |
|---|---|---|
| X65Cr13 | Martensit | Vòng. Cấu trúc mịn hơn 440C nên vận hành êm hơn |
| X105CrMo17 / AISI 440C | Martensit | Bi và vòng ở một số kích thước. Cứng nhất trong nhóm thông dụng |
| AISI 420 | Martensit | Ít cacbon hơn, độ cứng thấp hơn, chi phí thấp hơn. Dùng cho nhiệm vụ thông thường |
| X5CrNi18-10 / AISI 304 | Austenit | Vòng cách, nắp chắn, vỏ. Không phải vật liệu rãnh lăn |
| AISI 316 và 316L | Austenit | Môi trường clorua. Chỉ dùng làm rãnh lăn trong thiết kế tải nhẹ |
| X30CrMoN15-1 | Martensit hàm lượng nitơ cao | Vòng và bi khi cả ăn mòn lẫn tải trọng đều là điều kiện ràng buộc |
Mác thép vòng cần được giải thích riêng, vì nó trông giống một bước hạ cấp nhưng thực tế không phải vậy. GRW ghi nhận rằng các nhà sản xuất vòng bi cỡ nhỏ và siêu nhỏ đã chuyển vật liệu vòng khỏi 440C vào cuối thập niên 1980. Lý do nằm ở cấu trúc chứ không phải thành phần hóa học: khả năng chống ăn mòn của 440C “được đánh đổi bằng cấu trúc hạt thô hơn và cacbit lớn hơn đáng kể”, làm tăng độ ồn ở kích thước này. Cấu trúc mịn hơn của X65Cr13 “kết hợp khả năng chống ăn mòn của thép 440C với độ ồn thấp của thép crôm 52100” (GRW, Thép không gỉ SV30 dùng cho vòng bi cầu, từ bản sao do nhà phân phối lưu trữ). Chọn mác thép vòng cũng là quyết định về độ ồn.
Cơ chế đứng sau sự đánh đổi này là lượng crôm sẵn có. Trong thép martensit đã tôi cứng, cacbon kết tủa thành cacbit crôm; lượng crôm đó không còn hòa tan trong nền và không còn tham gia tạo màng thụ động. Schaeffler trình bày yêu cầu theo chiều ngược lại: khả năng chống ăn mòn ở trạng thái tôi cứng “đạt được nhờ tỷ lệ crôm hòa tan cao trong cấu trúc”. Từ đó, hãng xem X105CrMo17 là “sự thỏa hiệp giữa khả năng chống ăn mòn và khả năng chịu lăn ép”, một mác thép “ngày càng không còn đáp ứng được các yêu cầu hiện tại” (Schaeffler).
Thay một phần cacbon bằng nitơ giúp làm cứng thép mà không tiêu hao crôm. Đó là nguyên lý thiết kế cốt lõi của X30CrMoN15-1. Thành phần của nó gồm khoảng 15% Cr và 1% Mo, cùng 0.15 đến 0.35% C và 0.20 đến 0.40% N. Tổng cacbon và nitơ được điều chỉnh ở mức 0.60 đến 0.80% để đạt độ cứng tối thiểu 58 HRC (Hucklenbroich và cộng sự, 1999). Lợi ích về luyện kim thể hiện ở kích thước cacbit: cacbit trong mác này nhỏ hơn đáng kể so với AISI 440C. Khi chịu mỏi tiếp xúc lăn, cacbit lớn hơn của 440C tạo ra mạng vết nứt liên kết rộng, còn mác thép nitơ khiến các vết nứt phân nhánh thay vì nối liền với nhau (Rejith và cộng sự, 2024).
Điều đáng lưu ý là mác này hiện đã được đưa vào tiêu chuẩn. ISO 683-17:2023 là ấn bản 4, công bố ngày 22 tháng 9 năm 2023, quy định yêu cầu kỹ thuật giao hàng cho năm nhóm thép vòng bi, trong đó có thép vòng bi không gỉ. Ấn bản thứ tư hủy bỏ và thay thế bản năm 2014, đồng thời bổ sung X30CrMoN15-1. Vì vậy, câu trả lời cho câu hỏi “những loại thép không gỉ nào được xem là thép vòng bi” do một tiêu chuẩn đã công bố xác định, không tùy theo lựa chọn của nhà cung cấp.
Kích thước quyết định loại nào trong số này trở thành lựa chọn mặc định. Ở cỡ siêu nhỏ, thép không gỉ là lựa chọn thông thường chứ không phải ngoại lệ, vì lượng thép sử dụng quá ít nên phần chi phí tăng thêm gần như biến mất. Hướng dẫn về vòng bi siêu nhỏ trình bày vấn đề này, cùng các tiền tố S, SR và SMR dùng để nhận biết. Để xem so sánh rộng hơn giữa ba loại thép crôm, thép không gỉ và gốm lai, hãy đọc bài vòng bi cầu dùng để làm gì.
Có một hệ quả cần nói thẳng: vòng bi austenit là vòng bi tải nhẹ. Nếu thiết kế chỉ định vòng bằng 316, tức là đã chấp nhận một rãnh lăn không thể tôi cứng; khi đó tải trọng, tốc độ và tuổi thọ phải lấy từ danh mục dành riêng cho thiết kế ấy. 316 có chỗ đứng trong công nghiệp nặng ở những vị trí ẩm ướt, nơi ăn mòn là mối đe dọa chi phối thay vì ứng suất tiếp xúc. Hướng dẫn về vật liệu vòng bi máy cán trình bày trường hợp này trong ứng dụng máy cán.
Thép không gỉ thực sự khiến bạn đánh đổi điều gì?
Một cột. Ở cùng kích thước bao, việc chỉ định thép không gỉ làm thay đổi tải trọng động cơ bản, còn tải trọng tĩnh, giới hạn tải mỏi và tốc độ danh định giữ nguyên hoặc nhỉnh hơn.
SKF tự nêu nhận định tổng quát: vòng bi cầu rãnh sâu không gỉ của hãng “có khả năng chịu tải thấp hơn vòng bi cùng kích thước làm bằng thép crôm cao” (SKF). Điều các trang so sánh không cho biết là mức chênh lệch cụ thể. Dưới đây là ba cặp cùng kích thước, đều so loại hở với loại hở, lấy từ chính các bảng của SKF.
| Kích thước bao | Thép crôm | Thép không gỉ | ΔC | ΔC₀ | ΔPᵤ | Δ tốc độ giới hạn |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 × 26 × 8 mm | 6000: C 4.75 kN, C₀ 1.96 kN, Pᵤ 0.083 kN, 40 000 r/min | W 6000: C 3.97 kN, C₀ 1.96 kN, Pᵤ 0.083 kN, 40 000 r/min | −16.4% | 0% | 0% | 0% |
| 25 × 52 × 15 mm | 6205: C 14.8 kN, C₀ 7.8 kN, Pᵤ 0.335 kN, 18 000 r/min | W 6205: C 11.7 kN, C₀ 7.65 kN, Pᵤ 0.335 kN, 19 000 r/min | −20.9% | −1.9% | 0% | +5.6% |
| 40 × 80 × 18 mm | 6208: C 32.5 kN, C₀ 19 kN, Pᵤ 0.8 kN, 11 000 r/min | W 6208: C 25.1 kN, C₀ 17.6 kN, Pᵤ 0.75 kN, 12 000 r/min | −22.8% | −7.4% | −6.3% | +9.1% |
Số liệu thép crôm lấy từ các trang sản phẩm SKF hiện hành; số liệu thép không gỉ lấy từ danh mục vòng bi không gỉ của SKF (tháng 11/2015). Tốc độ là tốc độ giới hạn của vòng bi hở. Mức chênh lệch được tính từ hai giá trị công bố.
Có hai lưu ý cần đặt ngay cạnh bảng này thay vì giấu trong chú thích cuối trang. Thứ nhất, mọi vòng bi thép crôm ở trên đều thuộc cấp hiệu năng SKF Explorer, vốn làm tăng C độc lập với vật liệu; do đó một phần chênh lệch C đến từ cấp hiệu năng chứ không phải mác thép. Thứ hai, hai nhóm số liệu lấy từ các ấn phẩm cách nhau mười lăm năm và một lần sửa đổi danh mục. Cả hai lưu ý đều liên quan đến cột C, nhưng không ảnh hưởng đến C₀, Pᵤ hay tốc độ danh định; vì vậy ba thông số còn lại là phần đáng tin cậy hơn của kết luận.
Vì sao mức giảm lại nằm ở C mà không phải C₀?
Vì hai tải trọng danh định được tính từ những yếu tố khác nhau. Tải trọng tĩnh cơ bản theo ISO 76 được xác định bằng một ứng suất tiếp xúc quy định tại vị trí tiếp xúc của phần tử lăn chịu tải lớn nhất, nên về bản chất đây là phép tính hình học. Hình học giống nhau cho kết quả giống nhau, và vòng bi không gỉ có hình học y hệt. Tải trọng động cơ bản theo ISO 281 ngoài hình học còn có hệ số phản ánh chất lượng vật liệu và chế tạo hiện hành; chính hệ số này thay đổi khi đổi mác thép.
Có một chi tiết không khớp hoàn toàn với cách giải thích gọn gàng ấy, và cần nói rõ thay vì lướt qua. Nếu chất lượng vật liệu là toàn bộ nguyên nhân, giới hạn tải mỏi Pᵤ đáng lẽ cũng giảm cùng C. Nhưng ở đường kính lỗ 10 mm và 25 mm, nó không thay đổi. Chỉ đến 40 mm mới giảm, và mức giảm vẫn nhỏ hơn tải trọng động. Vì vậy, hãy xem cơ chế trên là hướng tác động chứ không phải lời giải thích đầy đủ.
C giảm 23% tác động thế nào đến tuổi thọ danh định?
Tuổi thọ gần như giảm một nửa. Theo ISO 281, tuổi thọ danh định cơ bản của vòng bi cầu là L₁₀ = (C/P)³; do đó khi nhân C với 0.836 đến 0.772, tuổi thọ danh định sẽ nhân với 0.58 đến 0.46. Nói đơn giản: ở cùng tải tác dụng, vòng bi không gỉ có tuổi thọ danh định thấp hơn 42% đến 54%. Nhìn theo chiều ngược lại, muốn giữ nguyên tuổi thọ thì phải giảm tải tác dụng đúng bằng mức 16% đến 23%.
Chính phép tính này, chứ không phải bảng mác thép, là cơ sở cho phần lớn quyết định về vòng bi không gỉ. Nếu vị trí chịu tải nhẹ, giảm 50% một tuổi thọ vốn tính bằng hàng chục năm gần như không có ý nghĩa thực tế, nên khả năng chống ăn mòn hầu như không phải trả giá. Nếu vị trí đang làm việc gần tải trọng danh định, mức giảm tương tự sẽ lấy đi toàn bộ dự phòng thiết kế. Hướng dẫn về tải trọng động và tải trọng tĩnh giải thích tải trọng danh định nào chi phối từng trường hợp.
Vòng bi không gỉ có chậm hơn vòng bi thép crôm không?
Không. Trong chính bảng của SKF, vòng bi không gỉ loại hở có tốc độ bằng hoặc cao hơn phiên bản thép crôm tương đương; bộ phận thực sự làm giảm một nửa giới hạn tốc độ là phớt tiếp xúc.
Ba cặp loại hở ở trên cho kết quả 40 000 so với 40 000 r/min ở đường kính lỗ 10 mm. Ở 25 mm là 19 000 so với 18 000, còn ở 40 mm là 12 000 so với 11 000. Tốc độ tham chiếu cũng có xu hướng tương tự ở hai cặp lớn hơn. Vòng bi không gỉ được công bố ở 30 000 và 20 000 r/min, so với 28 000 và 18 000 của loại thép crôm (SKF, đối chiếu với các trang sản phẩm SKF cho 6205 và 6208). Theo dữ liệu này, vòng bi không gỉ nhanh hơn đôi chút chứ không chậm hơn.
Với loại có nắp chắn hoặc phớt, kết quả lại khác hẳn; có thể kiểm tra ngay trong cùng một danh mục và cùng một họ ký hiệu. W 6208 loại hở có tốc độ danh định 12 000 r/min. Khi có nắp chắn với ký hiệu W 6208-2Z, tốc độ giảm còn 10 000. Khi dùng phớt tiếp xúc với ký hiệu W 6208-2RS1, tốc độ giảm còn 5 600. Phiên bản thép crôm 6208-2RS1 cũng ở mức 5 600 (SKF). Cùng kiểu che kín thì giới hạn tốc độ như nhau, bất kể vật liệu.
Điều này quan trọng vì phần lớn bảng so sánh mác thép trên thị trường đi chệch ngay ở nhận định về tốc độ. Những bảng xếp 440C cao hơn hẳn 304 và 316 về tốc độ thực chất đang so các dải sản phẩm, không phải các vòng bi tương đương, đồng thời hiếm khi cho biết kích thước bao hay kiểu che kín ứng với từng con số. Khi giữ nguyên cả hai yếu tố này, thứ hạng đó biến mất. Nếu tốc độ là điều kiện ràng buộc, yếu tố cần xem xét là kiểu che kín; hướng dẫn về vòng bi có phớt kín và nắp chắn xem đây là một thông số lựa chọn độc lập.
Vòng bi thép không gỉ vẫn bị gỉ ở đâu?
Ở nắp chắn, ở bề mặt lắp và trong môi trường clorua. Thép không gỉ chống ăn mòn chứ không ngăn được ăn mòn, và dạng ăn mòn làm vòng bi không gỉ hết tuổi thọ thường khởi phát ở nơi khác, không phải rãnh lăn.
Trước hết là bản thân mác thép. Vì quá trình tôi cứng tiêu hao crôm để tạo cacbit, X105CrMo17 sau tôi có ít crôm hòa tan hơn để hình thành màng thụ động so với thép martensit ủ hoặc thép austenit. Vì vậy, trong môi trường clorua, nó bị rỗ sớm hơn 316. Phần lớn bảng đánh giá bằng sao xếp 440C vượt trội về mọi mặt và chỉ kém 316 đôi chút về chống ăn mòn, nhưng cách trình bày này đánh giá quá thấp khoảng cách trong môi trường muối.
Các số liệu đo thực tế rất đáng tham khảo, miễn là đọc đúng trong bối cảnh của đơn vị thực hiện. Schaeffler báo cáo lớp bề mặt Cronitect của hãng đạt khoảng 900 giờ trong thử nghiệm phun muối. Kết quả này “chỉ thấp hơn một chút so với Cronidur30” và “cao hơn đáng kể so với AISI440C hoặc thép ổ lăn phủ crôm mỏng đặc”. Cùng bài báo cho biết độ mòn rãnh lăn khi chạy khô thấp hơn gần mười hai lần so với 100Cr6. Tuổi thọ danh định ở độ tin cậy 90% trong điều kiện ma sát hỗn hợp cao gấp chín lần vòng bi làm bằng AISI 440C hoặc 100Cr6 (Schaeffler). Đây là kết quả thử nghiệm của nhà sản xuất trong những điều kiện xác định, không phải thông số danh định chung, và cần được hiểu đúng như vậy.
Tiếp theo là các bộ phận không phải vòng. Trên vòng bi không gỉ có nắp, nắp chắn và vòng cách làm bằng 304 austenit, còn phớt mặc định làm bằng cao su nitrile nếu không có chỉ định khác. Trục, vỏ và chi tiết liên kết có thể làm từ bất kỳ vật liệu nào được dùng cho máy. Khi ép vòng bi không gỉ vào vỏ thép cacbon, ăn mòn do ma sát vẫn có thể xuất hiện tại bề mặt lắp nếu có vi chuyển động; không mác thép vòng nào ngăn được hiện tượng này. ISO 15243:2017 xếp hiện tượng này ở điều 5.3.3.2, tách biệt với ăn mòn do ẩm ở 5.3.2; hướng dẫn về các dạng hỏng vòng bi giải thích cách phân biệt chúng trên chi tiết bị trả lại.
Còn một trường hợp đáng chú ý với bất kỳ ai tích hợp vòng bi vào kết cấu chịu ứng suất. Khi phơi nhiễm nứt do ăn mòn ứng suất theo tiêu chuẩn ESA, AISI 440C chỉ chịu được đến khoảng 20% ứng suất chảy quy ước 0,2%, so với 50 đến 75% của Cronidur X30. Dù vậy, cả hai mác đều được xếp cấp 3, tức khả năng chống thấp, theo ECSS-Q-70-36C (Merstallinger và cộng sự, 2023). Một vòng không gỉ đã tôi cứng khi chịu kéo là bài toán khác hẳn khi chính vòng đó chịu nén.
Theo thứ tự chi phí tăng dần, các giải pháp là: trước hết chọn kiểu che kín và bố trí thoát nước, sau đó đến thụ động hóa, chọn mỡ, dùng mác thép nitơ, dùng loại lai với bi gốm, rồi cuối cùng mới phủ bề mặt. Các phương án đắt tiền nằm cuối danh sách là có lý do. Trên dây chuyền rửa vệ sinh, vật liệu vỏ cũng phải được cân nhắc cùng lúc; hướng dẫn về vật liệu gối đỡ mặt bích giải thích khi nào vỏ thép không gỉ hoặc composite xứng đáng với chi phí.
Vòng bi thép không gỉ có thể làm việc ở nhiệt độ nào?
Khoảng 120 °C, và giới hạn do chế độ ổn định vòng, vật liệu phớt và mỡ quyết định chứ không phải khả năng chịu ram của thép. SKF nêu rằng vòng bi cầu rãnh sâu không gỉ của hãng “ổn định kích thước đến ít nhất 120 °C (250 °F)” (SKF).
Các dải 300 °C hoặc 350 °C cho vòng bi không gỉ được nhắc lại rất phổ biến, nhưng đó là do đánh đồng hai khái niệm chứ không phải khác biệt quan điểm. Những con số đó mô tả khả năng chịu nhiệt của thép. Con số trong danh mục mô tả khả năng giữ kích thước của cả vòng bi đã lắp ráp, ổn định, làm kín và nạp mỡ. Khi lập yêu cầu kỹ thuật, hãy dùng con số thứ hai. Sự nhầm lẫn tương tự xuất hiện trong tuyên bố 800 °C gắn với gốm lai, được phân tích trong hướng dẫn về vòng bi gốm.
Nhiệt độ và yêu cầu tuân thủ gặp nhau ở mỡ bôi trơn. Vòng bi không gỉ có nắp tiêu chuẩn được nạp LHT23. Đây là mỡ xà phòng liti dùng dầu gốc este, cấp độ đặc NLGI 2 đến 3, có độ nhớt dầu gốc 27 mm²/s ở 40 °C và 5.1 mm²/s ở 100 °C. Phương án cấp thực phẩm VT378 là mỡ xà phòng phức nhôm dùng dầu gốc PAO, NLGI 2, có độ nhớt 150 và 15.5 mm²/s, được quy định cho dải −25 đến +120 °C.
Phiên bản Food Line VP311 kết hợp phớt nitrile màu xanh lam — màu giúp phát hiện quang học nếu một mảnh phớt lọt vào dòng thực phẩm — với chất bôi trơn đăng ký NSF hạng H1. Phê duyệt FDA theo mục 177.2600 của 21 CFR dành cho các sản phẩm cao su dự kiến tiếp xúc lặp lại với thực phẩm dạng nước và thực phẩm béo. Phê duyệt EC dựa trên yêu cầu di trú tổng thể của khuyến nghị XXI của BfR Đức đối với vật liệu loại 3 (SKF).
Yêu cầu tuân thủ này đi kèm một mức giảm tuổi thọ đã được công bố nhưng rất dễ bị bỏ qua. Ghi chú của SKF về cách tính tuổi thọ mỡ VT378 yêu cầu tính từ mỡ tham chiếu MT33 rồi nhân kết quả với 20% (SKF). Vì vòng bi không gỉ có nắp được xem là không cần bảo trì trong suốt tuổi thọ, tuổi thọ mỡ trên thực tế cũng là tuổi thọ vòng bi. Chọn mỡ cấp thực phẩm vì thế vừa là quyết định về tuân thủ, vừa là quyết định về chu kỳ bôi trơn lại; hướng dẫn về bôi trơn vòng bi trình bày mối quan hệ này ở phạm vi rộng hơn.
Những tiêu chuẩn nào áp dụng và ấn bản nào đang hiện hành?
Vẫn là những tiêu chuẩn áp dụng cho vòng bi thép crôm, nhờ vậy vòng bi không gỉ có thể thay thế tương đương về kích thước cho loại tiêu chuẩn. Tuy nhiên, danh mục xác nhận điều này lại viện dẫn các ấn bản từ thập niên 1990 và 2000.
Danh mục vòng bi không gỉ của SKF nêu cụ thể cả bốn tiêu chuẩn. Kích thước bao hệ mét phù hợp ISO 15, trừ vòng bi có tiền tố WBB1 hoặc hậu tố X. Vòng bi hệ inch phù hợp ANSI/AFBMA Std 12.2. Mọi vòng bi cầu rãnh sâu không gỉ đều được chế tạo tiêu chuẩn theo cấp dung sai Normal tương ứng ISO 492. Khe hở hướng kính bên trong là Normal theo ISO 5753, trừ đường kính lỗ dưới 10 mm. Nhà phân phối thường gọi cấp dung sai này là P0; đây là mã DIN 620 trong cùng hệ phân cấp, không phải ký hiệu ISO: ISO 492:2023 dùng các cấp Normal, 6X, 6, 5, 4 và 2. Dải vòng bi không gỉ bao phủ đường kính trục từ 0.6 đến 50 mm. Chi tiết nhỏ nhất trong danh mục, W 618/0.6, có đường kính lỗ 0.6 mm, đường kính ngoài 2.5 mm, chiều rộng 1 mm, C 34 N, C₀ 7 N và khối lượng 20 mg.
Các ấn bản được viện dẫn là ISO 683-17:2000, ISO 15-1998, ISO 492-2002, ISO 5753-1991, EN 10088-1:1995 và ANSI/AFBMA Std 12.2-1992. Ba trong số đó đã được thay thế: phiên bản hiện hành là ISO 683-17:2023 ấn bản 4, ISO 15:2017 ấn bản 4 và ISO 492:2023 ấn bản 6. Tiêu chuẩn khe hở hướng kính chuyển từ ISO 5753:1991 sang ISO 5753-1:2009, hiện vẫn là tiêu chuẩn đã công bố trong khi ấn bản thứ hai đang được xây dựng. Hãy hiểu các viện dẫn trong danh mục là tài liệu nhà sản xuất dùng tại thời điểm xuất bản, và tự kiểm tra ấn bản trước khi trích một tiêu chuẩn vào yêu cầu kỹ thuật.
Về thực tế, điều cần nhớ là cách ký hiệu. SKF đánh dấu thép không gỉ bằng tiền tố thay vì hậu tố. W dùng cho hệ mét, D/W cho hệ inch, còn WBB1 là vòng bi không gỉ hệ mét không phù hợp dãy kích thước ISO (SKF). Các hậu tố phía sau thể hiện kiểu che kín và yêu cầu tuân thủ. 2Z và 2ZS là nắp chắn, 2RS1 là phớt tiếp xúc, 2TS là phớt PTFE, còn R là vòng ngoài có bích. X đánh dấu một kích thước bao sai khác tiêu chuẩn, BB1 đánh dấu hai kích thước trở lên. VT378 là mỡ cấp thực phẩm và VP311 là phiên bản Food Line.
Hai mã trong số này khiến việc đối chiếu kích thước theo chuẩn không còn giá trị. Tiền tố WBB1 và hậu tố X đều báo rằng kích thước bao không theo ISO; nếu vẫn tra bảng như kích thước tiêu chuẩn, bạn có thể chọn phải chi tiết không lắp vừa. Hướng dẫn về đối chiếu vòng bi giữa các thương hiệu xem cả hai mã là dấu hiệu phải dừng lại chính vì lý do này.
Có một con số sẽ gây bất ngờ nếu bạn cho rằng vòng bi nhỏ dễ chấp nhận lệch góc. Độ lệch góc cho phép giữa vòng trong và vòng ngoài chỉ từ 2 đến 10 phút cung, tùy khe hở vận hành, kích thước, thiết kế bên trong và lực tác dụng (SKF). Bất kỳ độ lệch nào cũng làm tăng tiếng ồn và giảm tuổi thọ làm việc.
Cần ghi gì trong yêu cầu báo giá vòng bi không gỉ?
| Nội dung cần chỉ định | Vì sao quan trọng |
|---|---|
| Mác thép vòng | Quyết định độ cứng, khả năng chống ăn mòn và độ ồn. Chỉ ghi “440C” mới xác định vật liệu bi |
| Mác thép bi | Bi là bộ phận cứng nhất trong vòng bi và thường dùng X105CrMo17, bất kể vật liệu vòng |
| Vật liệu và kiểu vòng cách | Thép không gỉ dập hoặc polyamide đúc, và lựa chọn này giới hạn nhiệt độ vận hành (vật liệu vòng cách) |
| Kiểu và vật liệu nắp chắn hoặc phớt | Quyết định tốc độ giới hạn và khả năng chịu được quá trình rửa vệ sinh |
| Mỡ và các phê duyệt | Yêu cầu NSF H1, FDA và EC khi có tiếp xúc thực phẩm, đồng thời quyết định tuổi thọ mỡ |
| Cấp dung sai | Mặc định là Normal nếu không chỉ định khác. Mã có tiền tố P mà nhà phân phối báo là DIN 620, không phải ký hiệu ISO (cấp dung sai) |
| Cấp khe hở hướng kính bên trong | Mặc định là Normal nếu không chỉ định khác, và thay đổi theo độ dôi lắp ghép cùng nhiệt độ vận hành (khe hở) |
| Thụ động hóa | Một công đoạn hoàn thiện riêng nhằm phục hồi màng thụ động sau khi mài; mác thép không mặc nhiên bao gồm công đoạn này |
| Yêu cầu về từ tính | Thép martensit có từ tính còn thép austenit không có, vì vậy phải nêu rõ nếu đặc tính này quan trọng |
Vòng bi không gỉ chịu được bao nhiêu tải dọc trục?
Theo thiết kế là bằng phiên bản thép crôm tương đương, nhưng tải dọc trục thuần túy vẫn không được vượt quá 0,25 C₀. SKF công bố cả hai ý này, và chúng có vẻ mâu thuẫn cho đến khi đặt cạnh hướng dẫn chung.
Danh mục vòng bi không gỉ nêu rằng các vòng bi này “có khả năng chịu tải dọc trục bằng vòng bi cầu rãnh sâu SKF tiêu chuẩn”. Sau đó tài liệu nói rằng khi chỉ có tải dọc trục, “tải này nhìn chung không được vượt quá giá trị 0,25 C₀”, vì tải dọc trục quá lớn sẽ làm giảm tuổi thọ làm việc. Hướng dẫn chung của SKF cho vòng bi cầu rãnh sâu đặt giới hạn của vòng bi một dãy tiêu chuẩn ở 0,5 C₀. Ba nhóm bị giới hạn ở một nửa mức đó: vòng bi có đường kính lỗ từ 12 mm trở xuống, vòng bi thuộc dãy đường kính 8, 9, 0 và 1, cùng vòng bi thép không gỉ (SKF).
Đọc cùng nhau, hai tuyên bố cho biết điều hữu ích hơn từng câu riêng lẻ. Vòng bi không gỉ không có tải trọng danh định dọc trục thấp hơn; nó chỉ được xếp vào nhóm phải áp dụng tỷ lệ giới hạn chặt hơn trên cùng một tải trọng danh định. Cơ chế chi phối cũng là cơ chế giới hạn các dãy nhỏ và nhẹ. Dưới tải dọc trục thuần túy lớn, elip tiếp xúc dâng lên vai rãnh lăn, nên dạng hỏng mang tính hình học chứ không phải quá tải tĩnh. Hướng dẫn về tải dọc trục và tải hướng kính phân tích các giới hạn theo từng loại vòng bi.
Cũng cần xét tải tối thiểu, một yếu tố rất dễ bị quên ở vị trí vòng bi không gỉ chịu tải nhẹ. Luôn phải có tải hướng kính tối thiểu, được ước tính từ hệ số tải tối thiểu, độ nhớt chất bôi trơn ở nhiệt độ vận hành, tốc độ và đường kính trung bình của vòng bi. Cần tải lớn hơn khi khởi động lạnh hoặc dùng chất bôi trơn có độ nhớt cao. Nếu bố trí chỉ chịu tải dọc trục, hãy tạo tải đặt trước bằng cách điều chỉnh vòng trong và vòng ngoài đối nhau hoặc dùng lò xo.
Khi nào thép không gỉ là lựa chọn sai?
Khi tải trọng, clorua hoặc nhiệt độ là yếu tố chi phối. Khả năng chống ăn mòn chỉ là một trong nhiều yếu tố thiết kế; nếu bắt đầu bằng mác thép, bạn rất dễ chọn được vòng bi đáp ứng yêu cầu vật liệu nhưng vẫn hỏng trong thực tế.
Tải trọng chi phối. Hãy tính tuổi thọ trước khi so mác thép. Ở vị trí làm việc gần tải trọng danh định, hy sinh 42% đến 54% tuổi thọ danh định để đổi lấy khả năng chống ăn mòn là lựa chọn kém. Kiểu che kín tốt hơn, bố trí thoát nước và chọn chất bôi trơn phù hợp cho vòng bi thép crôm sẽ xử lý độ ẩm trực tiếp hơn.
Clorua chi phối. 440C đã tôi cứng không phù hợp với môi trường muối. Các phương án theo thứ tự là mác thép hàm lượng nitơ cao, loại lai với bi gốm, lớp phủ hoặc toàn gốm. Chọn phương án nào phụ thuộc tải, tốc độ và môi chất, không phải loại nào chống ăn mòn tốt nhất nếu xét riêng lẻ. Cũng cần lưu ý rằng mác thép nitơ chỉ phát huy lợi thế trong những điều kiện làm việc cụ thể. X30CrMoN15-1 chưa ghi nhận hỏng do vết nứt khắc trắng, dạng hỏng có thể kết thúc tuổi thọ thép vòng bi cacbon cao thông thường khi mới đạt 5 đến 10% L₁₀ (Yu, Li và Herbig, 2019).
Nhiệt độ chi phối. Trên khoảng 120 °C, chế độ ổn định, phớt và mỡ trở thành giới hạn trước thép. Hãy chỉ định theo nhiệt độ trước, rồi xem khả năng chống ăn mòn là điều kiện ràng buộc đối với các phương án còn lại.
Yêu cầu về từ tính. Thép martensit có từ tính còn thép austenit không có, vì vậy ứng dụng chẩn đoán hình ảnh, cảm biến hoặc dụng cụ có thể buộc phải dùng vòng austenit và chấp nhận thiết kế tải nhẹ. Đây là tình huống duy nhất mà dùng 316 làm rãnh lăn là lựa chọn có chủ đích thay vì sai lầm. Đặc điểm này cũng khiến nam châm trở thành cách kiểm tra hiện trường đáng tin cậy để xác định chi tiết thuộc họ nào.
Nếu bản vẽ của bạn có vòng bi không gỉ, hãy gửi cho chúng tôi nguồn ăn mòn, chế độ tải, tốc độ, dải nhiệt độ cùng mọi yêu cầu về tiếp xúc thực phẩm hoặc từ tính. Liên hệ đội ngũ kỹ thuật qua trang liên hệ, hoặc bắt đầu từ dải vòng bi cầu rãnh sâu. Việc xác minh lô hàng thực nhận có đúng mác thép và dung sai ghi trên đơn đặt hàng hay không là một lĩnh vực riêng, được trình bày trong hướng dẫn về tìm nguồn vòng bi ở nước ngoài.
Câu hỏi thường gặp
Vòng bi thép không gỉ được làm từ những vật liệu nào?
Thông thường là ba mác thép. SKF chế tạo các vòng của vòng bi cầu rãnh sâu không gỉ bằng X65Cr13, bi bằng X105CrMo17 (AISI 440C), còn vòng cách và nắp chắn bằng X5CrNi18-10, tức thép austenit 304. Mác được ghi trong danh sách sản phẩm thường là mác thép bi.
440C hay 316 tốt hơn cho vòng bi?
Với rãnh lăn chịu tải, 440C tốt hơn vì có thể tôi cứng cho tiếp xúc lăn, còn 316 thì không. Với khả năng chống ăn mòn clorua, 316 tốt hơn. Nếu ứng dụng cần cả hai, câu trả lời là mác martensit hàm lượng nitơ cao như X30CrMoN15-1 chứ không phải một trong hai loại trên.
Vòng bi thép không gỉ có tải trọng danh định thấp hơn không?
Có, nếu nói về tải trọng động cơ bản. Ở ba kích thước bao tương ứng, vòng bi không gỉ loại hở của SKF thấp hơn phiên bản thép crôm 16,4%, 20,9% và 22,8%. Tải trọng tĩnh cơ bản và giới hạn tải mỏi gần như không đổi; ở kích thước nhỏ nhất, cả hai hoàn toàn không thay đổi.
Vòng bi thép không gỉ có chậm hơn vòng bi thép crôm không?
Không. Vòng bi không gỉ hở và vòng bi thép crôm hở cùng kích thước có tốc độ danh định bằng nhau hoặc loại không gỉ cao hơn đôi chút. Phớt tiếp xúc làm tốc độ giới hạn giảm khoảng một nửa và tác động như nhau lên cả hai vật liệu.
Vòng bi thép không gỉ có thể bị gỉ không?
Có. Các mác martensit đã tôi cứng bị rỗ trong môi trường clorua vì quá trình tôi tiêu hao crôm để tạo cacbit; hơn nữa, thép không gỉ hoàn toàn không giải quyết được ăn mòn do ma sát tại bề mặt lắp trên trục hoặc vỏ.
Vòng bi thép không gỉ có thể làm việc ở nhiệt độ nào?
SKF công bố vòng bi cầu rãnh sâu không gỉ của hãng ổn định kích thước đến ít nhất 120 °C. Các con số từ 300 °C trở lên mô tả khả năng chịu nhiệt của thép, không phải khả năng giữ kích thước của vòng bi đã lắp ráp và nạp mỡ.
Vòng bi thép không gỉ có từ tính không?
Các mác martensit như 440C và X65Cr13 có từ tính. Các mác austenit như 304 và 316 không có từ tính. Nam châm là cách đáng tin cậy để xác định một chi tiết trong kho thuộc họ nào.
Tóm tắt ngắn gọn
- Một vòng bi không gỉ thường dùng ba loại thép không gỉ, và mác ghi trong danh sách sản phẩm thường là mác của bi.
- Chỉ định thép không gỉ làm thay đổi một cột trong danh mục. C giảm 16% đến 23%, và khoảng cách tăng theo kích thước.
- Ở cùng tải tác dụng, mức giảm đó tương ứng với tuổi thọ danh định thấp hơn 42% đến 54%; nếu muốn giữ nguyên tuổi thọ, phải giảm tải cho phép tương ứng.
- Tải trọng tĩnh, giới hạn tải mỏi và tốc độ danh định gần như giữ nguyên. Tốc độ do kiểu che kín quyết định, không phải thép.
- Giới hạn nhiệt độ khoảng 120 °C, còn mỡ cấp thực phẩm làm mất 80% tuổi thọ mỡ.
- Quá trình tôi cứng chính là điều khiến thép không gỉ “kém không gỉ” hơn; đó là lý do các mác thép nitơ tồn tại và ISO 683-17 bổ sung một mác vào năm 2023.
Hãy gửi nguồn ăn mòn, tải trọng, tốc độ, nhiệt độ và yêu cầu tuân thủ cho đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi; chúng tôi sẽ cùng bạn tính đúng mức giảm tải ngay từ đầu.
Về tác giả
Jeff Li viết về kỹ thuật vòng bi và tìm nguồn cung ứng toàn cầu cho ANDE Bearing. Anh làm việc trực tiếp với các đơn vị thu mua của nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) và thị trường phụ tùng thay thế trong ngành ô tô, công nghiệp nặng và năng lượng tái tạo. Kết nối qua LinkedIn.
