Tìm hiểu các dạng biến đổi vi cấu trúc của thép ổ lăn trong mỏi tiếp xúc lăn (RCF): DER, WEBs, LCs, cơ chế di chuyển carbon và ảnh hưởng đến tuổi thọ ổ lăn.

Mục lục

1. Giới thiệu về mỏi tiếp xúc lăn (RCF)

2. Vi cấu trúc ban đầu của thép ổ lăn

3. Vì sao thép biến đổi dưới tải lặp?

4. Các dạng biến đổi vi cấu trúc trong RCF

   • 4.1 DER – Vùng tối

   • 4.2 WEB – Dải trắng

   • 4.3 LABs & HABs

   • 4.4 Carbide thấu kính (LCs)

   • 4.5 Biến đổi austenit dư

5. Cơ chế hình thành biến đổi: Di chuyển carbon & dislocation

6. Ảnh hưởng của biến đổi vi cấu trúc đến tuổi thọ ổ lăn

7. Tác động đến thiết kế và chọn vật liệu

8. Giải pháp nâng cao độ bền RCF

9. Kết luận

10. FAQ – Các câu hỏi thường gặp

1. Giới thiệu về mỏi tiếp xúc lăn (RCF)

Trong các hệ thống truyền động cơ khí hiện đại, ổ lăn đảm nhiệm vai trò tiếp nhận tải trọng và giảm ma sát trong suốt quá trình quay. Ổ lăn có thể hoạt động hàng tỷ chu kỳ trong môi trường khắc nghiệt: tốc độ cao, tải nặng, rung động, dao động nhiệt, và bôi trơn không hoàn hảo.

Một trong những cơ chế hư hỏng phổ biến nhất của ổ lăn là:

Mỏi tiếp xúc lăn – Rolling Contact Fatigue (RCF).

RCF xảy ra khi bề mặt và dưới bề mặt kim loại liên tục chịu ứng suất tiếp xúc lặp lại, dẫn đến biến dạng dẻo, thay đổi vi cấu trúc và hình thành các vết nứt chạy bên dưới rãnh lăn.

Điều đáng chú ý:
Nhiều hư hỏng ổ lăn bắt đầu từ dưới bề mặt chứ không phải trên bề mặt.
Và nguyên nhân là sự thay đổi vi cấu trúc của thép theo thời gian.

2. Vi cấu trúc ban đầu của thép ổ lăn

Thép ổ lăn truyền thống (như 100Cr6/52100) có vi cấu trúc đặc trưng sau nhiệt luyện:

• Mactenxit tôi và ram (tempered martensite) – nền chính

• Carbide mịn (Fe₃C) phân bố đều

• Một lượng austenit dư (RA) khoảng 5–15%

• Carbide chuyển tiếp hình thành khi ram

• Độ cứng từ 60–64 HRC

Cấu trúc này giúp thép có:

✔ Độ cứng cao
✔ Khả năng chịu tải lớn
✔ Chống biến dạng dẻo
✔ Duy trì hình dạng dưới áp lực Hertz

Tuy nhiên, khi làm việc hàng trăm triệu chu kỳ, vi cấu trúc này không còn ổn định.

3. Vì sao thép biến đổi dưới tải lặp?

Trong ổ lăn, tiếp xúc Hertz tạo ra:

• Ứng suất nén rất lớn (~1.5–4 GPa)

• Ứng suất cắt lặp lại

• Nhiệt cục bộ

• Tải lặp lại với tần số cao

Những yếu tố này dẫn đến:

• Biến dạng dẻo cục bộ

• Trượt vi mô

• Đứt gãy mactenxit

• Di chuyển carbon

• Sự phân rã và tái kết tủa carbide

Từ đó xuất hiện các biến đổi vi cấu trúc đặc trưng của RCF.

4. Các dạng biến đổi vi cấu trúc trong RCF

4.1. DER – Dark Etching Region (Vùng tối)

DER là biểu hiện vi cấu trúc sớm nhất của thép bị mỏi.

Đặc điểm:

• Hiện ra dưới kính hiển vi quang học dưới dạng vùng tối

• Tạo thành dưới bề mặt ở độ sâu 100–500 µm

• Liên quan đến biến dạng dẻo tích lũy

• Mactenxit bị phá vỡ, carbide bị kéo dài

DER báo hiệu thép đang bước vào giai đoạn mỏi đáng kể nhưng chưa tạo nứt lớn.

4.2. WEB – White Etching Bands (Dải trắng)

Các dải trắng là sự biến đổi nổi tiếng nhất trong RCF.

Chúng xuất hiện khi thép đã trải qua lượng chu kỳ rất lớn.

Tính chất của WEB:

• Sáng màu khi khắc axit

• Cấu trúc là ferit nghèo carbon + carbide rất nhỏ

• Được tạo ra bởi sự di chuyển carbon khỏi vùng chịu ứng suất

• Là bằng chứng của quá trình “tái kết tinh cục bộ”

WEB là biểu tượng của mỏi nặng trong ổ lăn.

4.3. LABs và HABs – Hai loại dải trắng chính

LAB (Low Angle Bands)

• Góc ~30° so với hướng lăn

• Xuất hiện trước HAB

• Thường phân bố dày và gần bề mặt hơn

HAB (High Angle Bands)

• Góc ~80° so với hướng lăn

• Xuất hiện ở giai đoạn mỏi sâu hơn

• Có liên quan tới hướng trượt và phân bố ứng suất tiếp xúc

LAB & HAB tạo nên mô hình độc đáo giúp kỹ sư phân tích được mức độ mỏi của ổ lăn.

4.4. Carbide thấu kính (LCs – Lenticular Carbides)

LCs là các carbides dạng “thấu kính” hoặc “lá kéo dài”.

Nguồn gốc:

• Carbon dịch chuyển và tích tụ lại thành các carbide lớn

• Chạy song song với LAB hoặc HAB

• Báo hiệu thép đã qua “tái thiết cấu trúc” mạnh

4.5. Biến đổi austenit dư (RA)

Austenit dư có thể:

• Chuyển biến thành mactenxit mới (transformation-induced martensite)

• Hoặc bị phân rã khi cycled-loading kéo dài

RA đóng vai trò giảm ứng suất trong giai đoạn đầu nhưng có thể trở thành điểm yếu khi biến đổi mất kiểm soát.

5. Cơ chế hình thành biến đổi: Di chuyển carbon & dislocation

SKF và các nghiên cứu quốc tế chỉ ra cơ chế chính:

→ Dislocation-assisted Carbon Migration

(“Di chuyển carbon có trợ giúp của lệch mạng”)

Quá trình:

1. Ứng suất chu kỳ tạo ra trượt lệch mạng.

2. Carbon bị kéo theo dislocation.

3. Vùng giàu carbon → tạo carbide mới.

4. Vùng nghèo carbon → tạo WEB (ferit).

5. Mactenxit bị phá vỡ → giảm độ cứng.

6. Vết nứt nhỏ bắt đầu hình thành.

Đây là cơ chế cốt lõi giải thích mọi biến đổi RCF.

6. Ảnh hưởng của biến đổi vi cấu trúc đến tuổi thọ ổ lăn

6.1 Giảm độ cứng cục bộ

Mactenxit bị thoái hóa → thép mềm dần → dễ nứt.

6.2 Hình thành nứt dưới bề mặt (subsurface cracks)

Các nứt xuất phát từ:

• DER → lan theo WEB → tiến ra bề mặt

6.3 Bong tróc (spalling)

Là dạng hỏng cuối cùng và nghiêm trọng nhất.

→ Khi bong tróc xuất hiện, ổ lăn phải thay ngay lập tức.

7. Tác động đến thiết kế và chọn vật liệu

Hiểu rõ RCF giúp:

✔ Tối ưu thép ổ lăn

• Điều chỉnh %Cr

• Kiểm soát RA

• Dùng bainitic steel cho yêu cầu đặc biệt

✔ Cải tiến phương pháp nhiệt luyện

• Quenching + Tempering

• Sub-zero treatment

• Austempering

✔ Tối ưu hóa kết cấu ổ lăn

• Bề mặt nhẵn hơn

• Phân bố tải tốt hơn

• Tối ưu độ cong rãnh

8. Giải pháp nâng cao độ bền RCF

8.1. Bôi trơn tốt & đúng loại

Giảm trượt vi mô → giảm biến dạng dẻo.

8.2. Vật liệu thép cải tiến

• Thép sạch hơn (low inclusion)

• Bainitic bearing steel

• Vacuum remelting steel (VAR/ESR)

8.3. Tối ưu xử lý bề mặt

• Superfinishing

• Shot peening

• DLC coating

8.4. Công nghệ giám sát tình trạng (CBM)

• Phân tích rung động

• Siêu âm

• Đo nhiệt

• Theo dõi dầu bôi trơn (ferrography)

9. Kết luận

Biến đổi vi cấu trúc trong thép ổ lăn là quá trình tự nhiên khi ổ lăn hoạt động dưới tải lặp. Từ DER → LAB/HAB → LCs → nứt → bong tróc, tất cả đều là chuỗi hiện tượng liên quan mật thiết đến:

• di chuyển carbon

• ứng suất tiếp xúc lặp

• phân rã mactenxit

Nắm rõ các hiện tượng này giúp nhà sản xuất và kỹ sư:

• nâng cao tuổi thọ ổ lăn

• giảm hỏng hóc đột ngột

• tối ưu bảo trì và thiết kế

Ứng dụng SKF Authenticate Có hai cách để kiểm tra tính xác thực bằng ứng dụng SKF Authenticate, Đối với một số sản phẩm, có mã DMC được đánh dấu trên bao bì hoặc sản phẩm. Sử dụng nút ‘Quét mã’ để quét DMC bằng máy ảnh. Phản hồi tức thì sẽ được hiển thị trên màn hình cho biết nếu mã hợp lệ hoặc nếu cần điều tra thêm bằng tính năng ‘Xác minh Sản phẩm’ Gửi ảnh của sản phẩm nghi ngờ bằng cách sử dụng nút ‘Xác minh Sản phẩm’. Làm theo hướng dẫn về cách chụp ảnh bao bì và sản phẩm cũng như tự động gửi yêu cầu, tất cả gói gọn trong một quy trình. Các chuyên gia phụ trách của SKF sẽ kiểm tra thông tin, xác minh xem sản phẩm là sản phẩm chính hãng hay bị làm giả và sẽ báo cho quý vị biết Tải xuống ứng dụng SKF Authenticate NGAY BÂY GIỜ trên App Store hoặc Google Play miễn phí bằng cách nhấp vào liên kết có liên quan hoặc quét mã dưới đây. Tải xuống trên Apple App store /Nhận trên Google Play