Hướng dẫn lựa chọn vật liệu xách chung

Việc lựa chọn vật liệu vòng bi ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy và tuổi thọ của các hệ thống cơ khí, đòi hỏi phải phù hợp với điều kiện hoạt động (trọng lượng, tốc độ, môi trường).Các vật liệu mang chủ yếu được phân loại thành ba loại: vật liệu kim loại, phi kim loại và kim loại xốp. Dưới đây là một phân tích kỹ thuật về đặc điểm và kịch bản ứng dụng của chúng.

I. Vật liệu kim loại: Sự lựa chọn chính cho sức chịu tải độ bền cao

1Các hợp kim vòng bi (Babbitt Alloys/White Metals)

• Thành phần & Cấu trúc: Hợp kim ma trận mềm với thiếc hoặc chì làm cơ sở, chứa hạt cứng của antimony-tin (Sb-Sn) và đồng-tin (Cu-Sn).
• Ưu điểm chính:
  • Ma trận mềm cung cấp độ dẻo dai và phù hợp cao, trong khi hạt cứng tăng khả năng chống mòn;
  • Khả năng nhúng đặc biệt (cho phép các hạt tạp chất nhúng, ngăn ngừa vết trầy xước trong tạp chí) và tính chất chống mòn dính;
  • Tính dẫn nhiệt tốt (giảm tích lũy nhiệt ma sát) và hấp thụ dầu (cải thiện độ bôi trơn).
• Những hạn chế:
  ▪ Sức mạnh thấp, đòi hỏi phải được sử dụng như một lớp phủ mỏng (0,5-5mm) đúc trên vỏ nắp bằng đồng, thép hoặc sắt đúc;
  ▪ Chi phí cao, phù hợp với các ứng dụng tải trọng, tốc độ trung bình với các yêu cầu bôi trơn nghiêm ngặt (ví dụ: tuabin hơi nước, trục chính động cơ đốt trong).

2. Hợp kim đồng

• Các loại điển hình:
  ▶Tin Bronze: Tính chất chống ma sát tuyệt vời, được sử dụng trong các kịch bản tải trọng trung bình (ví dụ: vòng bi trục trục cánh quạt), nhưng có độ phù hợp kém với hợp kim vòng bi;
  ▶Bố mạ: Khả năng chống co giật cao, phù hợp với tải trọng cao tốc (ví dụ như vòng bi động cơ máy bay);
  ▶Nhôm đồng: Sức mạnh và độ cứng cao, chống co giật yếu, được sử dụng trong tải trọng tốc độ thấp (ví dụ: vòng bi máy đào).
• Ưu điểm chung: Độ cứng và khả năng tải cao hơn các hợp kim vòng bi, mang lại hiệu quả chi phí tốt hơn.

3Các hợp kim dựa trên nhôm

• Đặc điểm kỹ thuật:
  • Mật độ thấp (khoảng 1/3 hợp kim đồng), khả năng chống ăn mòn mạnh và độ bền cao;
  • Có thể được sản xuất dưới dạng các thành phần đơn kim loại hoặc cấu trúc hai kim loại (màn lót dựa trên nhôm + hỗ trợ thép), thay thế một số hợp kim và đồng.
• Ứng dụng: Vòng bi động cơ ô tô, vòng bi máy nén trong kịch bản tải trung bình tốc độ cao.

4Sắt đúc (sắt đúc xám/sắt đúc chống mòn)

• Cơ chế củng cố: Các mảnh graphite (lamellar hoặc nodular) tạo thành một lớp bôi trơn rắn, hấp thụ chất bôi trơn để cải thiện độ bôi trơn bên cạnh.
• Hạn chế:
  ▪ Mỏng với độ phù hợp kém, chỉ phù hợp với các ứng dụng tốc độ thấp với tải trọng nhẹ (ví dụ như máy móc nông nghiệp, vòng bi công cụ tay);
  ▪ Cần bôi trơn, không phù hợp với môi trường tải tác động.

II. Vật liệu phi kim loại: Giải pháp cho môi trường đặc biệt

1. Vật liệu polyme (vật liệu nhựa)

• Các loại phổ biến:
  ▶ Nhựa phenolic: Kháng nhiệt độ cao (150 °C), độ bền cao, được sử dụng trong vòng bi hộp số;
  ▶ Nylon (PA): Tự bôi trơn tốt, hấp thụ sốc, phù hợp với môi trường bụi;
  ▶ Polytetrafluoroethylene (PTFE): Tỷ lệ ma sát cực kỳ thấp (0,04), chống ăn mòn, có thể hoạt động mà không cần bôi trơn.
• Hạn chế ứng dụng:
  ▪ Khả năng dẫn nhiệt kém (1/200 thép), đòi hỏi phải kiểm soát tốc độ hoạt động (≤ 0,5m/s) và áp suất (≤ 3MPa);
  ▪ Tỷ lệ mở rộng tuyến tính cao (10 lần so với thép), đòi hỏi khoảng cách phù hợp lớn gấp 2 ⁄ 3 lần so với vòng bi kim loại;
  ▪ Sức mạnh thấp và dễ bị bò, không phù hợp với vòng bi độ chính xác.

2. Vật liệu carbon-graphite

• Ưu điểm hiệu suất:
  • Tự bôi trơn dựa trên hơi nước hấp thụ và chất bôi trơn ngâm (ví dụ: kim loại, PTFE, molybdenum disulfide);
  • Chống nhiệt độ cao (trên 600 °C), chống ăn mòn, phù hợp với môi trường chân không hoặc môi trường ăn mòn mạnh (ví dụ như vòng bi bơm hóa học).
• Tài sản vật chất: Nồng độ graphite cao hơn dẫn đến độ cứng thấp hơn và hệ số ma sát nhỏ hơn (từ 0,08).

3Cao su và gỗ

• Cao su: Độ đàn hồi cao, hấp thụ tạp chất, được sử dụng trong môi trường bôi trơn bằng nước hoặc ô nhiễm (ví dụ như vòng bi thiết bị xử lý nước thải);
• Gỗ: Cấu trúc xốp để ngâm dầu, phù hợp với môi trường bụi (ví dụ: máy dệt, vòng bi máy nông nghiệp), yêu cầu xử lý bề mặt để tăng khả năng chống mòn.

III. Vật liệu kim loại xốp: Tốt nhất cho các kịch bản tự bôi trơn

1Nguyên tắc vật chất

• Quá trình sản xuất: Bột kim loại (chủ yếu là sắt / đồng) được ép và ngưng tụ thành một cấu trúc xốp (xốp 10% ~ 35%), bão hòa dầu trước khi sử dụng để tạo thành vòng bi ngâm ngâm dầu.
• Cơ chế bôi trơn:
  ▶ Trong khi hoạt động: Chuyển đổi tạp chí và tăng nhiệt độ giải phóng dầu từ lỗ chân lông đến bề mặt ma sát;
  ▶ Trong khi tắt máy: Các mạch máu vỏ kéo dầu trở lại vòng bi, cho phép tự bôi trơn định kỳ.

2. Các vật liệu và ứng dụng điển hình

• Sắt xốp: Sức mạnh cao hơn, được sử dụng trong các kịch bản tải trọng trung bình ở tốc độ thấp như lót máy xay, vòng bi trục trục cam của động cơ đốt trong;
• Đồng xốp: Chống mòn tốt, phù hợp với quạt điện, máy móc dệt may và vòng bi máy phát điện ô tô (trọng lượng ≤10MPa, tốc độ ≤2m/s).
• Khuyến nghị sử dụng: Nạp dầu thường xuyên để có hiệu suất tối ưu, không phù hợp với tải trọng va chạm hoặc tốc độ cao (> 3m / s).

Tài liệu tham khảo quyết định lựa chọn

Kết luận

1. Trọng lượng nặng & tốc độ cao: Ưu tiên hợp kim vòng bi hoặc đồng chì với hệ thống bôi trơn ép;
2. Môi trường ăn mòn/không dầu: Sử dụng nhựa PTFE hoặc vật liệu carbon-graphite, trao đổi một số khả năng tải cho khả năng thích nghi với môi trường;
3. Tự bôi trơn chi phí thấp: Vật liệu kim loại xốp là lý tưởng cho các kịch bản tải trọng ánh sáng tốc độ thấp.
   Bằng cách đánh giá toàn diện các thông số như tải trọng, tốc độ, nhiệt độ và môi trường môi trường, và kết hợp các tính chất vật lý - cơ học của vật liệu với chi phí,Thời gian sử dụng của vòng bi và độ tin cậy hoạt động của thiết bị có thể được cải thiện đáng kể.