مواد اولیه در ساخت بیرینگ؛ بررسی تخصصی فولادهای مورد استفاده در بیرینگ‌های صنعتی ZWZ
مقدمه
بیرینگ‌ها از جمله قطعات کلیدی در تجهیزات صنعتی هستند که وظیفه کاهش اصطکاک، هدایت حرکت دورانی و تحمل بارهای شعاعی و محوری را بر عهده دارند. این قطعات در شرایط کاری دشواری مانند بارهای سنگین، سرعت‌های بالا، ارتعاش، شوک‌های مکانیکی و تغییرات دمایی فعالیت می‌کنند.
در چنین شرایطی، انتخاب مواد اولیه مناسب برای ساخت بیرینگ اهمیت بسیار زیادی دارد؛ زیرا خواص مکانیکی و متالورژیکی مواد به‌کاررفته در ساخت رینگ‌ها، اجزای غلتشی و قفسه، تأثیر مستقیمی بر مقاومت سایشی، استحکام خستگی، پایداری ابعادی و طول عمر بیرینگ خواهند داشت.
در تولید بیرینگ‌های صنعتی، فولادهای مخصوص بیرینگ‌سازی، فولادهای سخت‌کاری سطحی‌شونده، فولادهای مقاوم به حرارت و فولادهای ضدزنگ، متناسب با شرایط کاری و الزامات طراحی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در این مقاله، انواع مواد اولیه مورد استفاده در ساخت بیرینگ، ویژگی‌های فنی هر گروه و کاربرد آن‌ها در صنایع مختلف را بررسی می‌کنیم.
- مواد مورد استفاده در ساخت رینگ‌ها و اجزای غلتشی بیرینگ
رینگ داخلی، رینگ خارجی و اجزای غلتشی ( ساچمه‌ها یا رولرها) مهم‌ترین اجزای تحمل‌کننده بار در یک بیرینگ هستند.
این اجزا در حین کار تحت تنش‌های تماسی بسیار بالا قرار می‌گیرند. مطابق سند فنی مبنا، مقدار عمومی تنش تماسی در محدوده ۱۰۰۰ تا ۴۰۰۰ مگاپاسکال قرار دارد. علاوه بر تماس غلتشی، مقداری اصطکاک لغزشی نیز بین اجزای غلتشی و مسیر غلتش، همچنین بین اجزای مختلف بیرینگ ایجاد می‌شود.
به همین دلیل، فولاد مورد استفاده در ساخت این اجزا باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:
- استحکام خستگی تماسی بالا: برای جلوگیری از ایجاد ترک و پوسته‌شدن سطح مسیر غلتش در اثر بارگذاری مداوم.
- سختی بالا: برای تحمل فشارهای تماسی و جلوگیری از تغییر شکل پلاستیک.
- مقاومت سایشی مناسب: برای کاهش میزان سایش در طول زمان.
- پایداری ساختاری: برای حفظ خواص مکانیکی و ابعاد قطعه در شرایط کاری.
- خلوص متالورژیکی بالا: برای کاهش اثر ناخالصی‌ها و آخال‌های غیرفلزی.
- قابلیت ماشین‌کاری و فرآیندپذیری مناسب: برای تولید دقیق اجزای بیرینگ.
در شرایط کاری خاص، مانند دمای بالا، محیط‌های خورنده یا میدان‌های مغناطیسی قوی، استفاده از فولادها و آلیاژهای ویژه نیز ضرورت پیدا می‌کند.
- فولاد کروم‌دار مخصوص بیرینگ (Chrome Bearing Steel)
فولاد کروم‌دار با کربن بالا، یکی از پرکاربردترین مواد اولیه در تولید بیرینگ‌های غلتشی است. این فولاد معمولاً دارای حدود ۱ درصد کربن و ۱.۵ درصد کروم است.
وجود کربن بالا موجب دستیابی به سختی مناسب پس از عملیات حرارتی می‌شود و کروم نیز در بهبود سختی‌پذیری، مقاومت سایشی و خواص مکانیکی فولاد نقش دارد.
از مهم‌ترین مزایای این گروه فولادی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- سختی بالا و یکنواخت پس از عملیات حرارتی
- مقاومت مناسب در برابر خستگی تماسی
- مقاومت سایشی مطلوب
- قابلیت دستیابی به ریزساختار یکنواخت
- هزینه تولید نسبتاً اقتصادی
به همین دلیل، فولادهای کروم‌دار به‌عنوان یکی از مواد اصلی تولید بیرینگ‌های غلتشی در صنایع مختلف شناخته می‌شوند.
۲.۱. گریدهای متداول فولاد کروم‌دار
بر اساس استاندارد GB/T 18254، پنج گرید فولاد کروم‌دار مخصوص بیرینگ معرفی شده است. در میان آن‌ها، GCr15 و GCr15SiMn کاربرد گسترده‌تری دارند.
گرید فولاد | ویژگی کلی |
GCr4 | فولاد کروم‌دار مخصوص بیرینگ |
GCr15 | گرید پرکاربرد با کربن و کروم بالا |
GCr15SiMn | دارای سیلیسیم و منگنز بیشتر |
GCr15SiMo | حاوی مولیبدن برای بهبود خواص سختی‌پذیری |
GCr18Mo | دارای کروم و مولیبدن بیشتر |
نکته فنی: خلوص فولاد تأثیر مستقیمی بر عملکرد خستگی بیرینگ دارد. آخال‌های غیرفلزی مانند اکسیدها، سیلیکات‌ها و سولفیدها می‌توانند موجب تمرکز تنش در ساختار فولاد و تسریع شروع ترک‌های خستگی شوند.
طبق سند فنی مبنا، استفاده از فولاد گاززدایی‌شده در خلأ می‌تواند با کاهش میزان ناخالصی‌ها، عمر خستگی را در مقایسه با فولاد ذوب‌شده در شرایط اتمسفری حدود ۱.۵ تا ۲ برابر افزایش دهد. استفاده از روش ذوب در خلأ نیز می‌تواند خلوص و مقاومت خستگی تماسی را بهبود دهد.
- فولادهای اصلاح‌شده و پیشرفته مخصوص بیرینگ
با توسعه فناوری تولید بیرینگ، فولادهای جدیدی بر پایه ترکیب شیمیایی فولادهای کروم‌دار توسعه یافته‌اند تا عملکرد بیرینگ در شرایط کاری دشوارتر بهبود پیدا کند.
۳.۱. فولاد با سختی‌پذیری بالا (High Hardenability Steel)
این گروه از فولادها با افزودن عناصر آلیاژی، به‌ویژه مولیبدن، به ترکیب فولاد GCr15 تولید می‌شوند.
میزان مولیبدن در نمونه‌های معرفی‌شده در سند، حدود ۰.۱ تا ۰.۶ درصد است. این تغییر ترکیب موجب بهبود سختی‌پذیری و امکان دستیابی به خواص مناسب در قطعات با ضخامت و ابعاد مختلف می‌شود.
این فولادها برای عملیات حرارتی به روش‌های مارتنزیتی و بینیتی قابل استفاده هستند و در تولید قطعات بیرینگ با ضخامت مقطع زیاد کاربرد دارند.
۳.۲. فولاد KUJ2
فولاد KUJ2 بر پایه ترکیب فولاد SUJ2 توسعه یافته است. در این نوع فولاد، میزان کربن، سیلیسیم و منگنز اصلاح شده و ترکیب کروم و مولیبدن نیز برای جبران سختی‌پذیری تنظیم می‌شود.
مهم‌ترین ویژگی این فولاد، بهبود قابلیت شکل‌دهی و فرآیندکاری سرد است.
از مزایای آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- قابلیت فرآیندکاری سرد بهتر
- چقرمگی مناسب پس از عملیات حرارتی
- خواص مکانیکی مطلوب
- امکان کاهش مصرف انرژی و منابع در فرآیند تولید
۳.۳. فولاد GT
فولاد GT نیز بر پایه فولاد SUJ2 توسعه یافته و با افزودن مقادیر مناسبی از سیلیسیم و نیکل، استحکام، چقرمگی و پایداری حرارتی آن بهبود پیدا کرده است.
بر اساس اطلاعات سند فنی، استحکام خستگی دورانی این فولاد حدود ۲۰ درصد و استحکام فشاری آن حدود ۳۰ درصد بیشتر از SUJ2 گزارش شده است.
همچنین در آزمون رولر، عمر L10 گزارش‌شده برای این فولاد حدود ۲۰ برابر SUJ2 بوده و در بیرینگ 6206 تحت شرایط روانکاری تمیز، عمر حدود ۶ برابر گزارش شده است.
این فولاد برای بیرینگ‌هایی که تحت بارهای سنگین یا شرایط روانکاری خاص فعالیت می‌کنند، و همچنین برخی کاربردهای سبک و کوچک، پیشنهاد شده است.
۳.۴. فولاد NSJ2
NSJ2 یکی دیگر از فولادهای توسعه‌یافته بر پایه SUJ2 است که با هدف افزایش عمر ناشی از خستگی سطحی طراحی شده است.
در این فولاد، میزان آستنیت باقیمانده پس از عملیات حرارتی کنترل می‌شود تا مقاومت در برابر خستگی سطحی و پایداری عملکرد بهبود پیدا کند.
ترکیب شیمیایی معرفی‌شده در سند شامل حدود ۰.۸ تا ۰.۸۵ درصد کربن، ۰.۹ تا ۱.۱ درصد کروم، ۰.۶ تا ۰.۸ درصد منگنز و حدود ۰.۵ درصد سیلیسیم است.
عملکرد این فولاد در شرایط روانکاری آلوده از نظر عمر و پایداری ابعادی بهتر از SUJ2 گزارش شده است.
- فولادهای سمانته (Carburized Bearing Steel)
در برخی کاربردهای صنعتی، بیرینگ علاوه بر تحمل بارهای سنگین، باید در برابر ضربه و شوک‌های مکانیکی نیز مقاومت بالایی داشته باشد.
برای چنین شرایطی، استفاده از فولادهای سمانته‌شونده مناسب است.
در فرآیند سمانتاسیون، کربن سطح قطعه افزایش پیدا می‌کند و پس از عملیات حرارتی، سطح قطعه به سختی بالایی می‌رسد؛ در حالی که هسته آن چقرمگی بیشتری را حفظ می‌کند.
بر اساس سند فنی، سختی سطحی این فولادها حدود ۶۰ HRC و سختی هسته حدود ۳۰ تا ۳۵ HRC است.
این ترکیب از سختی سطح و چقرمگی هسته باعث می‌شود قطعه بتواند ضمن تحمل تنش‌های تماسی بالا، در برابر بارهای ضربه‌ای نیز مقاومت مناسبی داشته باشد.
۴.۱. گریدهای متداول فولاد سمانته
برخی از گریدهای معرفی‌شده عبارت‌اند از:
- G20CrMo
- G20CrNiMo
- G20CrNi2Mo
- G20Cr2Ni4
- G10CrNi3Mo
- G20Cr2Mn2Mo
انتخاب گرید مناسب به شرایط بارگذاری و کاربرد بیرینگ بستگی دارد.
نوع کاربرد | گریدهای پیشنهادی در سند |
بوش بیرینگ مفصل گاردان خودرو | 15Mn |
بیرینگ‌های غلتشی تحت بارهای ضربه‌ای، مانند بیرینگ‌های ریلی | 20CrNiMo، 20CrNi2Mo، 20CrMo، 20NiMo |
بیرینگ‌های بسیار بزرگ با بار ضربه‌ای بالا و الزامات ایمنی ویژه | 20Cr2Ni4، 20Cr2Mn2Mo، 10CrNi3Mo، SAE3310، SAE9310 |
استفاده از فولادهای سمانته در بیرینگ‌های مورد استفاده در تجهیزات ریلی، ماشین‌آلات سنگین و برخی تجهیزات فولادسازی اهمیت ویژه‌ای دارد؛ زیرا این تجهیزات ممکن است در معرض بارهای متغیر و ضربات مکانیکی قرار داشته باشند.
- فولادهای مقاوم به دمای بالا (High Temperature Bearing Steel)
در تجهیزاتی که بیرینگ در دماهای بالا فعالیت می‌کند، استفاده از فولادهای معمولی ممکن است موجب افت سختی، تغییر ابعاد و کاهش عمر کاری شود.
طبق سند فنی، برای بیرینگ‌هایی که در دمای کاری بالاتر از ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد فعالیت می‌کنند، استفاده از فولادهای مقاوم به حرارت مورد نیاز است.
این فولادها باید در دماهای بالا، سختی و مقاومت خستگی تماسی خود را حفظ کنند و از پایداری ابعادی و مقاومت اکسیداسیون مناسبی برخوردار باشند.
گریدهای معرفی‌شده در سند عبارت‌اند از:
نوع فولاد | حداکثر دمای کاری معرفی‌شده |
GCrSiWV | ۲۵۰°C |
Cr4Mo4V و Cr14Mo4 | ۳۱۵°C |
W6Mo5Cr4V2 | ۴۲۵°C |
W18Cr4V | ۴۸۰°C |
این نوع فولادها می‌توانند در طراحی بیرینگ‌های مورد استفاده در تجهیزات حرارتی، ماشین‌آلات صنعتی با دمای بالا و کاربردهای خاص مورد توجه قرار گیرند.
- فولادهای ضدزنگ و مقاوم به خوردگی (Stainless Bearing Steel)
در محیط‌هایی که بیرینگ در معرض رطوبت، بخار آب، آب دریا، گازهای خورنده یا مواد شیمیایی قرار دارد، مقاومت به خوردگی یکی از الزامات مهم انتخاب مواد اولیه است.
برای چنین شرایطی از فولادهای ضدزنگ مخصوص بیرینگ استفاده می‌شود.
برخی از گریدهای معرفی‌شده عبارت‌اند از:
- 9Cr18
- 9Cr18Mo
- 1Cr13
- 1Cr18Ni9
- 1Cr18Ni9Ti
- Cr17Ni2
دو نوع فولاد 9Cr18 و 9Cr18Mo به دلیل داشتن کربن و کروم بالا، در گروه فولادهای زنگ‌نزن مارتنزیتی قرار می‌گیرند.
با این حال، وجود کاربیدهای درشت یوتکتیکی در ساختار برخی از این فولادها می‌تواند باعث تمرکز تنش، کاهش مقاومت خستگی و افزایش احتمال پوسته‌شدن سطح شود.
به همین دلیل، توسعه گریدهای جدیدتر با کنترل میزان کربن و کروم و اصلاح ساختار کاربیدی اهمیت پیدا کرده است.
۶.۱. فولادهای ضدزنگ پیشرفته
در سند فنی، فولاد 0.7C-13Cr و همچنین گرید 50X18AM معرفی شده‌اند.
فولاد 0.7C-13Cr با کاهش میزان کربن و کروم، با هدف کاهش مقدار و اندازه کاربیدهای یوتکتیکی توسعه یافته است. این فولاد در مقایسه با 440C از خواص مناسبی در زمینه خستگی تماسی، سختی، چقرمگی ضربه‌ای و مقاومت به خوردگی در آب شور برخوردار است.
گرید 50X18AM نیز با هدف کاهش کاربیدهای درشت و بهبود مقاومت سایشی و عمر کاری توسعه یافته است.
این مواد می‌توانند در ساخت بیرینگ‌های دقیق، تجهیزات ابزار دقیق و کاربردهایی که مقاومت به خوردگی اهمیت دارد مورد استفاده قرار گیرند.
- مواد ضد‌مغناطیس مورد استفاده در بیرینگ
در برخی تجهیزات اندازه‌گیری و ابزارهای حساس، وجود میدان مغناطیسی می‌تواند بر عملکرد سیستم تأثیر منفی بگذارد.
در این شرایط، استفاده از مواد ضد‌مغناطیس برای ساخت بیرینگ اهمیت پیدا می‌کند.
بر اساس سند فنی، مواد زیر برای این کاربرد معرفی شده‌اند:
- برنز بریلیوم QBe2
- فولاد زنگ‌نزن 1Cr18Ni9Ti
- فولاد 70Mn18Cr4V2WMo
انتخاب ماده مناسب باید با توجه به میزان حساسیت تجهیزات، شرایط کاری و الزامات طراحی انجام شود.
- فولاد آلیاژی با کربن متوسط
برای تولید برخی رینگ‌های بسیار بزرگ بیرینگ که با روش سخت‌کاری القایی عملیات حرارتی می‌شوند، می‌توان از فولادهای آلیاژی با کربن متوسط استفاده کرد.
در سند فنی، فولاد 5CrMnMo به‌عنوان یکی از مواد قابل استفاده در این گروه معرفی شده است.
این نوع مواد در کاربردهای خاص و تولید قطعات بزرگ صنعتی مورد توجه قرار می‌گیرند.
- مواد مورد استفاده در ساخت قفسه بیرینگ (Bearing Cage Material)
قفسه یکی از اجزای مهم بیرینگ است که وظیفه نگهداری و جداسازی اجزای غلتشی و حفظ فاصله مناسب میان آن‌ها را بر عهده دارد.
در حین عملکرد بیرینگ، قفسه در معرض تنش‌های متناوب، برخوردهای مکانیکی و اصطکاک لغزشی بین سطوح تماس قرار می‌گیرد.
به همین دلیل، ماده مورد استفاده در ساخت قفسه باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:
- مقاومت خستگی مناسب
- سختی کمتر از اجزای غلتشی و مقاومت سایشی مطلوب
- ضریب اصطکاک پایین
- چگالی کم و وزن مناسب
- قابلیت تولید و ماشین‌کاری مناسب
مواد مورد استفاده در ساخت قفسه به دو گروه اصلی فلزی و غیرفلزی تقسیم می‌شوند.
۹.۱. مواد فلزی قفسه بیرینگ
جنس ماده | گریدهای معرفی‌شده | کاربرد |
فولاد ساختمانی کربنی | 08، 08F، 10F | قفسه‌های پرس‌کاری‌شده |
فولاد ساختمانی کربنی | 20، 30، 40، 45 | قفسه‌های ماشین‌کاری‌شده |
فولاد ابزار کربنی | T8A، T10A | قفسه‌های تاجی |
فولاد گرافیتی | S16SiCuCr | شرایط روانکاری ضعیف و محیط‌های دارای ترکیبات فلوئور |
فولاد زنگ‌نزن | 0Cr18Ni9، 1Cr18Ni9، 1Cr18Ni9Ti، Cr17Ni2 | بیرینگ‌های مقاوم به خوردگی، ابزار دقیق و دمای بالا |
برنج | H62، H68، H96 | قفسه‌های پرس‌کاری‌شده |
برنج سرب‌دار | HPb59-1 | قفسه‌های یکپارچه بزرگ و مستحکم |
برنز آلومینیومی | QAl10-3-1.5، QAl10-4-4 | قفسه‌های یکپارچه با استحکام بالا و مقاوم به حرارت |
برنز سیلیسیمی | QSi1-3 | قفسه‌های یکپارچه با سرعت بالا و دمای بالا |
دورآلومین | LY11، LY12 | قفسه‌های سبک با کاربرد در سرعت و دمای بالا |
۹.۲. مواد غیرفلزی قفسه بیرینگ
در کنار مواد فلزی، از پلیمرها و مواد کامپوزیتی نیز برای ساخت قفسه بیرینگ استفاده می‌شود.
مهم‌ترین مواد معرفی‌شده عبارت‌اند از:
- فنولیک (Phenolic Resin)
- پلی‌آمید ۶ (PA6)
- پلی‌آمید ۶۶ (PA66)
- پلی‌ایمید (Polyimide)
- پلی‌تترافلوئورواتیلن (PTFE)
- پلی‌اکسی‌متیلن (POM)
این مواد به دلیل وزن کم، مقاومت سایشی مناسب، استحکام مطلوب و قابلیت خودروانکاری در برخی کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند.
برای مثال، مواد فنولیک تقویت‌شده با الیاف پارچه یا شیشه در ساخت قفسه‌های ماشین‌کاری‌شده و بیرینگ‌های پرسرعت اسپیندل ماشین‌ابزار کاربرد دارند.
همچنین، کامپوزیت PTFE تقویت‌شده با ۱۵ تا ۲۰ درصد الیاف شیشه، به دلیل خواص خودروانکاری، برای قفسه بیرینگ‌های دمای پایین تا حدود منفی ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد و محیط‌های خلأ بالا معرفی شده است.
قفسه‌های ساخته‌شده از پلی‌ایمید نیز مطابق سند، برای بیرینگ‌هایی با دمای کاری کمتر از ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد قابل استفاده هستند.
- تأثیر انتخاب مواد اولیه بر عملکرد و طول عمر بیرینگ
انتخاب مواد اولیه مناسب تنها یک موضوع مربوط به فرآیند تولید نیست؛ بلکه یکی از عوامل اساسی در عملکرد نهایی بیرینگ محسوب می‌شود.
هر نوع ماده با توجه به ترکیب شیمیایی، ساختار متالورژیکی و روش عملیات حرارتی، رفتار متفاوتی در برابر بار، دما، اصطکاک و شرایط محیطی دارد.
برای مثال:
- در بیرینگ‌های تحت بار سنگین، استحکام و مقاومت خستگی تماسی اهمیت زیادی دارد.
- در کاربردهای ضربه‌ای، فولادهای سمانته به دلیل ترکیب سختی سطح و چقرمگی هسته مورد توجه قرار می‌گیرند.
- در دماهای بالا، پایداری حرارتی و حفظ سختی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.
- در محیط‌های خورنده، فولادهای ضدزنگ می‌توانند گزینه مناسب‌تری باشند.
- در بیرینگ‌های پرسرعت، وزن و خواص اصطکاکی قفسه اهمیت ویژه‌ای دارند.
بنابراین، انتخاب ماده باید بر اساس شرایط واقعی عملکرد بیرینگ، نوع بارگذاری، سرعت، دمای کاری، روانکاری و محیط نصب انجام شود.
جمع‌بندی
مواد اولیه، پایه و اساس کیفیت و عملکرد بیرینگ هستند. فولادهای کروم‌دار، فولادهای سمانته، فولادهای مقاوم به حرارت، فولادهای ضدزنگ و مواد ویژه مورد استفاده در قفسه، هر یک برای پاسخ‌گویی به شرایط کاری مشخصی توسعه یافته‌اند.
در تولید بیرینگ‌های صنعتی، تنها انتخاب یک فولاد با سختی بالا کافی نیست؛ بلکه خلوص متالورژیکی، ریزساختار، عملیات حرارتی، مقاومت خستگی و کیفیت فرآیند تولید نیز نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد محصول دارند.
شرکت ZWZ به‌عنوان یکی از تولیدکنندگان مطرح بیرینگ در جهان، در حوزه تولید بیرینگ‌های صنعتی برای کاربردهای متنوع فعالیت دارد. شناخت مواد اولیه و فناوری‌های مرتبط با تولید بیرینگ، به درک بهتر عوامل مؤثر بر کیفیت و قابلیت اطمینان این محصولات کمک می‌کند.
شرکت بارمان فیدار کیسان، نماینده رسمی ZWZ چین در ایران، آماده ارائه مشاوره فنی و تأمین بیرینگ‌های صنعتی این برند متناسب با نیاز صنایع مختلف کشور است.
