Lớp phủ để cải thiện hiệu suất vòng bi
Giới thiệu
Ngày nay, người ta kỳ vọng rằng vòng bi lăn có thể hoạt động gần như vô hạn nếu ba điều kiện được đáp ứng: 1) ứng suất tác động dưới giới hạn cho phép; 2) được bôi trơn đầy đủ; và 3) không bị nhiễm bẩn. Tuy nhiên, trong thực tế, nhiều ứng dụng vận hành trong điều kiện không lý tưởng, dẫn đến các vấn đề gây tăng chi phí vận hành và bảo trì.
Nhiều giải pháp đã được phát triển để cải thiện tuổi thọ và hiệu suất của vòng bi khi điều kiện không hoàn hảo. Một trong số đó là sử dụng các lớp phủ, có thể mang lại nhiều chức năng như:
- chống mài mòn
- giảm hoặc tăng ma sát
- chống ăn mòn
- cải thiện khả năng trượt và chạy khẩn cấp
- cải thiện bôi trơn hoặc giảm nhu cầu bôi trơn trong một số thời gian vận hành
- cải thiện khả năng ướt của dầu bôi trơn
- cách điện
- ngăn thấm hydro
- ngăn ăn mòn do rung
- cải thiện thẩm mỹ
Lớp phủ lên thép vòng bi tiêu chuẩn bằng các vật liệu có chức năng đặc biệt có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tổng thể của vòng bi. Các vòng bi phủ lớp cũng lấp đầy khoảng trống giữa vòng bi thép tiêu chuẩn và vòng bi lai gốm.
Một số lớp phủ có độ dày rất nhỏ — chỉ vài micromet — cho phép sử dụng vòng bi tiêu chuẩn mà không cần thay đổi quy trình gia công.
Tổng quan về công nghệ phủ
SKF sử dụng nhiều công nghệ phủ khác nhau như trong Hình 1. Chúng được chia thành ba nhóm:
- Quá trình ở trạng thái khí: trong đó vật liệu phủ đi qua pha khí hoặc hơi trước khi lắng đọng lên bề mặt. Các quy trình này bao gồm các quy trình lắng đọng chân không như lắng đọng hơi vật lý (PVD) và lắng đọng hơi hóa học hỗ trợ plasma (PACVD).
- Quá trình ở trạng thái dung dịch: trong đó vật liệu phủ tồn tại ở dạng lỏng trước khi được lắng đọng dưới dạng rắn lên bề mặt. Các phương pháp có thể được chia thành các loại lắng đọng hóa học (ví dụ, lắng đọng không điện, chuyển đổi hóa học, phản ứng hóa học đồng nhất và nhúng và phun chất lỏng) và lắng đọng điện hóa, chẳng hạn như lắng đọng mạ điện của lớp phủ kim loại trên điện cực bằng quy trình điện phân.
- Quá trình ở trạng thái nóng chảy: trong đó vật liệu phủ được làm nóng chảy hoặc bán nóng chảy (làm mềm) trước khi được lắng đọng dưới dạng rắn lên bề mặt thông qua việc sử dụng nguồn năng lượng cao. Các phương pháp được chia thành lắng đọng phun (bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau, trong đó vật liệu được nung nóng nhanh trong môi trường khí nóng và đồng thời được phun với vận tốc cao lên bề mặt để tạo lớp phủ) và công nghệ phủ laser.
Thế giới lớp phủ của SKF
SKF sở hữu danh mục sản phẩm với hơn 35 loại lớp phủ hiện đại khác nhau, có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng hoặc các bộ phận khác nhau của vòng bi. Tất cả các lớp phủ đều được tối ưu hóa theo nhu cầu cụ thể của vòng bi, dựa trên thông số kỹ thuật chính xác và quy trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt. Chúng được sản xuất tại các cơ sở phủ hàng đầu, thường vượt xa các tiêu chuẩn về lớp phủ và thiết bị thông thường, mang lại chất lượng, độ tin cậy và khả năng lặp lại tối đa. số lớp phủ có độ dày chỉ vài micromet — đây là lợi thế rất lớn.
Một số lớp phủ được lắng đọng thành những lớp rất mỏng, mang lại một lợi thế quan trọng
Vòng bi lăn
Trong trường hợp ổ trục lăn, hình 2 liệt kê 12 lớp phủ chính cung cấp năm chức năng chính cho các ứng dụng ổ trục lăn, bao gồm chống mài mòn trượt cho lồng, cách điện, chống ăn mòn ma sát, chống ăn mòn và chống mài mòn trên rãnh lăn.
a. Chống mài mòn trên đường đua
Oxit Đen: Đây là phương pháp xử lý bề mặt được thực hiện bằng phản ứng hóa học trên bề mặt thép chịu lực. Tất cả các chi tiết bề mặt chịu lực đều được phủ. Các chi tiết được ngâm trong các dung dịch muối kiềm khác nhau hoạt động ở nhiệt độ trong khoảng 140-150°C. Phản ứng giữa sắt của hợp kim thép và các chất phản ứng tạo ra một lớp đen dày khoảng 1 μm, bao gồm hỗn hợp Fe2O3, Fe2O3 và Fe3O4 đượcxác định rõ ràng . Lớp phủ mang lại nhiều lợi ích, chẳng hạn như giảm thiểu mài mòn trượt và mài mòn bám dính. Nó cũng cải thiện khả năng chạy rà bằng cách tạo ra bề mặt rất mịn, do đó có ma sát trạng thái ổn định cuối cùng thấp hơn so với ổ trục không được phủ. Một lợi ích khác là tăng độ bám dính của dầu lên bề mặt, mang lại khả năng chống ăn mòn nhẹ. Oxit Đen cũng là một lớp màng chắn hydro, bảo vệ thép bên dưới. Hơn nữa, lớp phủ này còn tăng khả năng chống rỗ vi mô, bôi trơn, bong tróc, mài mòn và hình thành các vết nứt bề mặt cũng như mỏi sớm. Cuối cùng, lớp phủ này bảo vệ bề mặt khỏi các chất phụ gia chịu cực áp (EP) có hại thường được sử dụng trong chất bôi trơn hộp số gió.
NoWear ® : SKF là công ty sản xuất vòng bi đầu tiên trên thế giới sử dụng lớp phủ gốc carbon trên vòng bi. Tất cả các thành phần bề mặt vòng bi đều có thể được phủ, nhưng kết quả tốt nhất thu được bằng cách chỉ phủ các con lăn. Các bộ phận được đưa vào buồng chân không, tại đó sử dụng phương pháp PACVD, với các phản ứng hóa học và vật lý trong sự hiện diện của plasma tạo ra hỗn hợp hơi carbon + kim loại được ngưng tụ trên phôi ở nhiệt độ dưới 180 o C. Lớp phủ vô định hình màu xám đen thu được, dày khoảng 3 μm với độ cứng vừa phải và ma sát rất thấp ngay cả ở trạng thái khô, được tối ưu hóa để sử dụng trên rãnh vòng bi dưới áp suất tiếp xúc cao . NoWear ® , được cấp bằng sáng chế vào năm 1999 , giúp giảm độ bám dính, bôi trơn, mỏi bề mặt và rỗ vi mô và đảm bảo độ mài mòn rất thấp trong các tình huống bôi trơn thiếu. Ngoài ra, lớp phủ nhiều lớp được thiết kế có một lớp nền đặc biệt để tăng cường độ bám dính và một lớp graphite trên cùng để cải thiện quá trình chạy rà.
MoS2+Ti: Đây là lớp vô định hình molypden disulfua (MoS2 ) được pha tạp titan (Ti) dày khoảng 1–3 μm, có độ cứng tương tự NoWear® nhưng được thiết kế đặc biệt để có ma sát rất thấp và khả năng chống mài mòn cao trong môi trường khô, chân không và phòng sạch. Các chi tiết được đưa vào buồng chân không, sử dụng phương pháp PVD, với các phản ứng vật lý trong sự hiện diện của plasma tạo ra hơi nước ngưng tụ trên phôi ở nhiệt độ dưới 180 ° C.
b. Chống ăn mòn
Kẽm và ZnNi: Kẽm và hợp kim kẽm-niken là các lớp có độ dày từ 1–15 μm, được lắng đọng bằng phương pháp điện phân và sau đó được thụ động hóa để tăng cường khả năng bảo vệ. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng không phải rãnh lăn. Về mục đích chống ăn mòn, mặc dù kẽm là phương pháp truyền thống, việc hợp kim hóa với niken đã khắc phục được một số nhược điểm của lớp phủ kẽm nguyên chất, chẳng hạn như độ cứng thấp. Bên cạnh đặc tính chống ăn mòn, kẽm còn tạo ra độ ma sát cao, có thể được sử dụng cho chức năng chống trượt hoặc chống mài mòn ở bề mặt ngoài của đường kính ngoài, đường kính trong hoặc lỗ của vỏ ổ trục.
NiP: Hợp kim niken-phốt pho màu bạc với độ dày trong khoảng 10–50 μm được lắng đọng bằng phương pháp điện phân tự xúc tác. Có ba biến thể, với nồng độ phốt pho khác nhau từ 6% đến 14%. Việc tăng hàm lượng phốt pho giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn nhưng lại ảnh hưởng xấu đến độ cứng và khả năng chống mài mòn. Lớp phủ này thường được sử dụng trong các ứng dụng không có rãnh dẫn, nơi cần kết hợp các đặc tính chống ăn mòn và chống mài mòn, và cũng có thể được sử dụng trong rãnh dẫn có độ dày dưới 3 μm.
TDC (chromium mỏng đặc): Đây là lớp crôm đa tinh thể màu bạc, dày khoảng 2–5 μm. Lớp phủ được tạo ra bằng phương pháp điện phân với chất điện phân axit crom. Quá trình này được xúc tác thêm bằng kali dicromat để tạo thành một lớp crôm mỏng có cấu trúc dạng nốt. Các lớp TDC có thể được áp dụng trên rãnh ổ trục và bề mặt ngoài. Ngoài khả năng chống ăn mòn tốt, lớp phủ còn có độ cứng cao, ma sát thấp và khả năng chống mài mòn cao.
c. Chống ăn mòn ma sát
PTFE: Đây là lớp phủ polymer dày 10–20 μm. Bột polytetrafluoroethylene (PTFE) được phun lên bề mặt bằng phương pháp phun sương khí hoặc phun tĩnh điện, và lớp phủ được hình thành thông qua quy trình thiêu kết nhiệt. Lớp phủ này có đặc tính trượt tuyệt vời, ma sát rất thấp và không dính trượt. Nó cung cấp cho ổ trục khả năng chống mài mòn mạnh mẽ và bền bỉ ở đường kính trong hoặc đường kính ngoài của vòng bi.
d. Cách điện
INSOCOAT ® : Đây là lớp cách điện bằng nhôm oxit dày khoảng 100–300 μm, được phủ bằng quy trình phun plasma khí quyển.Các hạt Al2O3 nóng chảy được phun lên nền thép, sau đó cấu trúc xốp được bịt kín. Một bước mài hoàn thiện bổ sung giúp đảm bảo kích thước ổ trục chính xác. Lớp phủ được phủ lên bề mặt ngoài của vòng ngoài ổ trục hoặc bề mặt trong của lỗ vòng trong. Ưu điểm chính của INSOCOAT ® liên quan đến khả năng cách điện , ngăn chặn dòng điện chạy qua ổ trục, nguyên nhân gây ra hiện tượng mài mòn bề mặt lăn.
e. Đồ chống trượt cho lồng
Ag: Các lớp bạc (Ag) có độ dày từ 2–4 μm được lắng đọng bằng phương pháp mạ điện, thường được phủ một lớp đồng bên dưới để tăng độ bám dính. Đây là một lớp kim loại mềm với đặc tính bôi trơn khô, được sử dụng ở nhiệt độ cao và trong môi trường chân không. Nó có độ dẫn điện tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn tốt trước các hóa chất (kiềm vừa và axit). Nó chủ yếu được sử dụng để mạ lồng thép, và trong một số trường hợp hiếm gặp, mạ vòng và con lăn cho một số ứng dụng đòi hỏi khắt khe, chẳng hạn như bôi trơn khô trong các ứng dụng chân không, thực phẩm và hàng không vũ trụ.
TiN: Lớp phủ titan nitride (TiN) là các lớp màu vàng với độ dày từ 1–5 μm. Các chi tiết được đưa vào buồng chân không, sử dụng phương pháp PVD, với các phản ứng vật lý trong môi trường plasma nitơ tạo ra hơi nước được phun ra từ tấm titan và ngưng tụ trên bề mặt chi tiết ở nhiệt độ dưới 180 ° C. Chúng được sử dụng làm lớp phủ chống mài mòn cho lồng khi có chất bôi trơn, và làm ống lót phủ cho ngành công nghiệp thực phẩm.
Vòng bi trơn
Đối với ổ trục trơn, hình 3 liệt kê tám lớp phủ chính cung cấp ba chức năng chính cho các ứng dụng ổ trục trơn: lớp phủ chống ăn mòn và chống mài mòn cho ổ trục có hoặc không có bôi trơn bằng mỡ.
a. Chống mài mòn mà không cần bôi trơn bằng mỡ
Cr cứng: Đây là lớp crom cứng (Cr) màu bạc, dày từ 3–15 μm, được mạ điện bằng dung dịch điện phân axit crom. Quá trình mạ kết thúc bằng việc làm sạch, loại bỏ crom hóa trị sáu [Cr(VI)] và bảo quản dầu. Lớp phủ tạo ra tiếp xúc trượt tốt giữa các chi tiết ổ trượt, có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao. Lớp crom tạo ra có các vết nứt nhỏ, đồng nghĩa với khả năng chống ăn mòn hạn chế ở độ dày thấp.
CrN: Crom nitride (CrN) là một lớp màu xám bạc được mạ bằng công nghệ PVD với độ dày từ 1–6 μm. Các chi tiết được đặt trong buồng chân không, tại đó các mục tiêu rắn của crom nguyên chất bị bắn phá bằng plasma ion Ar+N làm bay hơi vật liệu Cr (quá trình “phun”). Các nguyên tử Cr kết hợp với N và ngưng tụ trên các chi tiết gia công được giữ ở nhiệt độ dưới 180°C. Kết quả là một lớp phủ cứng hoạt động tốt trong các ứng dụng mài mòn trượt và cả trong một số môi trường ăn mòn. Lớp phủ này cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng ổ lăn kết hợp các vòng bi phủ CrN và các con lăn phủ NoWear® . Lớp phủ này cũng được sử dụng làm lớp nền cho các lớp phủ khác để tăng khả năng chịu áp lực tiếp xúc.
DLC (carbon dạng kim cương): Đây là tên gọi chung của một nhóm lớp phủ gốc carbon với thành phần chứa hỗn hợp graphite và vi cấu trúc kim cương. Chúng có thể bao gồm hoặc không bao gồm hydro, và độ dày thường từ 2 đến 4 μm. Các chi tiết cần phủ được đặt trong buồng chân không, tại đó nhiều lớp được phủ lên bề mặt chi tiết ổ trục bằng quy trình PVD hoặc PACVD tùy theo ứng dụng. Thành phần của chúng ảnh hưởng đến các đặc tính của lớp phủ. Lớp phủ DLC được thiết kế cho điều kiện mài mòn cao và tình trạng bôi trơn kém. Chúng có khả năng chống mài mòn trượt và bám dính cao, khả năng chịu tải cao, khả năng chống mài mòn tuyệt vời và ma sát thấp, đồng thời bảo vệ bề mặt trong điều kiện bôi trơn kém. Lớp phủ DLC lý tưởng cho ổ trục trượt, bộ truyền động tuyến tính của ổ trục, trục ổ trục, ống lót, chốt cam và các bộ phận trượt trong ổ trục lăn (như lồng và phớt). Lớp phủ carbon + kim loại kỹ thuật NoWear ® cũng thuộc nhóm lớp phủ gốc carbon này; tuy nhiên, có một số điểm khác biệt. Giá trị độ cứng của lớp phủ DLC cho ứng dụng trượt nằm trong khoảng 18–30 GPa (1800–3000 HV), trong khi lớp phủ NoWear ® (được sử dụng trong ứng dụng lăn) có giá trị độ cứng khoảng 12 GPa (~ 1200 HV).
b. Chống mài mòn bằng bôi trơn mỡ
MnPh: Mangan phosphat (MnPh) là lớp phủ màu xám đến đen với độ dày trong khoảng 2–15 μm. Lớp phủ được tạo ra bằng phản ứng hóa học, và tất cả các bề mặt phôi thường được phủ. Các chi tiết được ngâm trong dung dịch phosphat hóa mangan, và sắt trong phôi phản ứng với các cation mangan và anion phosphat trong dung dịch. Lớp phủ có đặc tính chống mài mòn và chống ăn mòn, cải thiện đáng kể khả năng chống bám bẩn và rỗ vi mô. Nó cũng bảo vệ trong điều kiện kappa thấp và bôi trơn kém, đồng thời cải thiện độ bám dính dầu. Hơn nữa, MnPh có khả năng chống ăn mòn tốt (trong điều kiện có dầu) và thể hiện tính chất cách điện.
c. Chống ăn mòn
Lớp phủ lai NiP+Cr: Đây là lớp phủ kép cứng màu bạc gồm niken-phốt pho và crom với độ dày từ 10–30 μm. Toàn bộ quy trình phủ bao gồm hai phần riêng biệt. Đầu tiên, bề mặt được phủ NiP không điện để cải thiện khả năng chống ăn mòn và kháng hóa chất, sau đó một lớp crom cứng được thêm vào bằng phương pháp lắng đọng điện phân để tăng cường khả năng chịu lực cơ học.
Phủ lớp đường đến sự bền vững
Tính bền vững trong lĩnh vực vòng bi bao gồm các khía cạnh như bảo tồn năng lượng và tài nguyên, giảm thiểu chất thải, nâng cao hiệu quả quy trình và sử dụng vật liệu tái tạo. Là một công ty công nghệ hàng đầu thế giới, SKF coi sự chuyển đổi kỹ thuật ngày nay là một trách nhiệm và một cơ hội tuyệt vời. Việc tái sử dụng vật liệu và linh kiện công nghiệp như dầu và vòng bi là một khởi đầu tốt. Các sản phẩm – từ phớt đơn và vòng bi đến các linh kiện và hệ thống công nghiệp quan trọng – có thể giúp, ví dụ, phát triển các giải pháp ô tô nhẹ, ma sát thấp có thể giảm lượng khí thải CO2 . Một cách tiếp cận bền vững khác là tận dụng các công nghệ phủ, trong một số ứng dụng, giúp giảm ma sát (và do đó giảm mức tiêu thụ năng lượng) và kéo dài tuổi thọ vòng bi (do đó giảm mức tiêu thụ nguyên liệu thô mới).
Lời kết
Việc sử dụng lớp phủ trong các ứng dụng ổ trục đang ngày càng được quan tâm. Bằng cách lựa chọn vật liệu và kiến trúc lớp phủ, chúng ta có thể điều chỉnh các đặc tính vật lý, cơ học và ma sát độc đáo để đáp ứng nhu cầu công nghệ ngày càng tăng. Đặc biệt, lớp phủ SKF đã được phân tích kỹ lưỡng để mang lại các đặc tính tối ưu; trong một số trường hợp, các quy trình được điều chỉnh vượt xa tiêu chuẩn DIN và ISO tùy theo các ứng dụng khác nhau.
Bài viết này tập trung giải thích ngắn gọn một số loại lớp phủ SKF khác nhau để làm rõ thuật ngữ, khía cạnh kỹ thuật và thiết kế lớp phủ. Bạn có thể tìm hiểu thêm thông tin trong Danh mục Lớp phủ SKF của chúng tôi.