Sự Xuống Cấp Vật Liệu – Nguyên Nhân Cốt Lõi Gây Hỏng Ổ Lăn và Hướng Dự Đoán Hiệu Quả

Sự hỏng hóc của ổ lăn không chỉ đơn giản là kết quả của các tải trọng cơ học mà còn là hệ quả của sự suy thoái vi cấu trúc vật liệu dưới tác động của mỏi do tiếp xúc lăn (RCF – Rolling Contact Fatigue). Việc hiểu rõ cơ chế suy thoái này đóng vai trò then chốt trong việc dự đoán tuổi thọ còn lại, lựa chọn vật liệu thép và xử lý nhiệt phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

1. Ứng suất tiếp xúc và khởi nguồn của hư hỏng

Khi vòng bi vận hành, bề mặt rãnh và con lăn chịu ứng suất tiếp xúc có chu kỳ cao, kéo dài từ bề mặt đến vùng dưới bề mặt.

Trong điều kiện bôi trơn kém (κ < 1):
Tiếp xúc kim loại – kim loại xảy ra tại các điểm nhám, tạo ra ứng suất bề mặt cao, dẫn đến mỏi bề mặt, nứt nhỏ và rỗ.
Trong điều kiện bôi trơn tốt (κ > 2):
Ứng suất cắt cực đại dịch chuyển vào sâu bên trong → mỏi dưới bề mặt, phát triển thành các vết nứt bắt đầu từ các tạp chất hoặc khuyết tật vi mô.

2. Hai dạng hư hỏng chính do RCF

(1) Hư hỏng vật liệu khối (Bulk Damage):
Xảy ra khi ứng suất tiếp xúc vượt giới hạn đàn hồi → dòng chảy dẻo tích lũy → thay đổi vi cấu trúc → nứt mương.

(2) Hư hỏng vật liệu cục bộ (Localized Damage):
Ngay cả khi ứng suất không vượt giới hạn, các khiếm khuyết như tạp chất phi kim cũng có thể tạo điểm tăng ứng suất → hình thành vết nứt hình cánh bướm (butterfly cracks) và các vùng ăn mòn trắng (WEA – White Etching Areas).

3. Vi cấu trúc ban đầu của thép ổ lăn

Các thành phần ổ lăn thường được tôi thành martensite hoặc bainite. Bài viết này tập trung vào cấu trúc martensitic, được hình thành qua:

Austenit hóa → làm nguội nhanh → tôi → ủ ở nhiệt độ thấp.

Sau xử lý, vi cấu trúc bao gồm:

Martensite đã tôi luyện
Austenite còn lại (RA)
Xi măng dư (carbide Fe₃C)
Cacbua chuyển tiếp phân tán kích thước nano

4. Biến đổi vi cấu trúc dưới RCF

Khi tiếp xúc lăn diễn ra trong thời gian dài và với ứng suất cao, vi cấu trúc martensitic bắt đầu suy thoái:

a. Xuất hiện vùng ăn mòn tối (DER – Dark Etching Region):

Dưới kính hiển vi, đây là vùng đầu tiên biểu hiện suy thoái.

b. Hình thành các dải khắc trắng (WEB – White Etching Bands):

LAB (Low-Angle Bands): nghiêng 30° so với hướng lăn
HAB (High-Angle Bands): nghiêng 80° so với hướng lăn

Các dải này chứa ferit kéo dài và ferit nano đa tinh thể, phát triển từ martensite do sự di chuyển carbon tạo bởi trượt lệch vị trí (dislocation slip).

5. Hình thành cacbua dạng thấu kính (LC – Lenticular Carbides)

LC thường hình thành song song với WEB, có chiều dày đến 1 µm.
Chúng xuất hiện từ sự hòa tan một phần xi măng còn lại.
Quá trình này không yêu cầu hòa tan hoàn toàn xi măng, nhưng thường diễn ra tại những vùng có biến dạng dẻo cục bộ cao.

6. Tác động đến tính chất cơ học

RA (austenite còn lại) bị biến đổi thành martensite dưới tác dụng của ứng suất → góp phần vào việc hình thành DER và WEB.
Độ cứng của vật liệu giảm dần sau nhiều chu kỳ ứng suất:
- Ban đầu có thể tăng nhẹ do làm cứng ứng suất.
- Về sau, suy giảm rõ rệt do thoát carbon khỏi martensite, hình thành vùng cạn kiệt carbon xen kẽ vùng giàu carbon → cấu trúc không đồng nhất.

7. Yếu tố ảnh hưởng đến sự suy thoái

Cấu trúc vi mô ban đầu (tỷ lệ RA, kích thước hạt)
Ứng suất dư
Điều kiện vận hành: nhiệt độ, áp suất tiếp xúc
Tốc độ tải và chu kỳ ứng suất

Quá trình suy thoái vi mô là một quá trình cơ – nhiệt – hóa phức tạp, chủ yếu do sự di chuyển nguyên tử carbon từ martensite sang vùng ferit mới hình thành.

🔚 Kết luận

Sự hỏng hóc của ổ lăn không chỉ đơn thuần do tải trọng cơ học, mà có bản chất là sự suy thoái vật liệu bên trong. Việc hiểu rõ cơ chế suy thoái vi mô như DER, WEB, và sự hình thành các dải ferit là nền tảng để:

Dự đoán chính xác tuổi thọ ổ lăn
Tối ưu hóa lựa chọn thép và quy trình xử lý nhiệt
Thiết lập các chương trình bảo trì dự đoán
Nâng cao độ tin cậy và hiệu suất vận hành của thiết bị

Đây chính là hướng đi then chốt trong việc kéo dài tuổi thọ ổ trục, giảm chi phí bảo trì và tăng hiệu quả sản xuất trong các ngành công nghiệp hiện đại.

Liên Hệ Tư Vấn

Để được hỗ trợ tận tình và chuyên nghiệp trong việc giải quyết các vấn đề liên quan và lựa chọn các sản phẩm chất lượng cao, hãy liên hệ ngay với IDMarket qua các số điện thoại:

Mr. Dũng: 0918.332.358 hoặc 0363.640.023

Chúng tôi cam kết mang đến những sản phẩm vòng bi chất lượng cao và tư vấn kỹ thuật chính xác, giúp bạn tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống và giảm thiểu chi phí vận hành. Hãy để chúng tôi đồng hành cùng bạn trong việc bảo vệ và nâng cao hiệu quả hoạt động của thiết bị, đảm bảo tuổi thọ dài lâu cho vòng bi và toàn bộ hệ thống máy móc.