SUJ2 là thép ổ lăn crôm cacbon cao, có độ cứng cao và khả năng chống mài mòn vượt trội. Vật liệu này được sử dụng rộng rãi cho ổ bi, ổ lăn và là một trong những loại thép không thể thiếu để kéo dài tuổi thọ của các chi tiết máy.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày một cách dễ hiểu từ thành phần cơ bản, đặc tính, ví dụ ứng dụng cho đến những điểm cần lưu ý khi gia công của SUJ2. Ngoài ra, bài viết cũng đề cập đến so sánh với các loại thép khác và các yêu cầu về quy định môi trường như RoHS, vì vậy các kỹ sư thiết kế và phát triển hãy theo dõi đến cuối.

Mục lục

1. SUJ2 (thép ổ lăn crôm cacbon cao) là gì
2. Đặc tính của SUJ2 (độ cứng, độ bền, khả năng chống mài mòn)
3. Ứng dụng và ví dụ sử dụng của SUJ2
4. Tính gia công của SUJ2 và các điểm cần lưu ý khi gia công
5. So sánh với vật liệu không chì - ứng phó với các quy định môi trường
6. So sánh SUJ2 với các vật liệu khác (sự khác biệt so với các loại thép ổ lăn và các mác thép khác)

1. SUJ2 (thép ổ lăn crôm cacbon cao) là gì

SUJ2 là thép ổ lăn crôm cacbon cao được quy định trong Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản (JIS G 4805).

Bảng 1: Thành phần hóa học của SUJ2 (đơn vị: %)

Nhờ thành phần cacbon cao và crôm cao, SUJ2 có khả năng chống mài mòn cao cùng với độ bền và đặc tính chịu mỏi ưu việt, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe đối với bi ổ lăn và vòng ổ (vòng rãnh) của ổ bi.

SUJ2 khi xuất xưởng được cung cấp ở trạng thái ủ cầu hóa (spheroidizing annealing). Ủ cầu hóa là quá trình xử lý nhiệt nhằm biến các cacbit trong thép thành dạng cầu, tạo tổ chức mềm và dễ gia công hơn. Đây là quá trình bắt buộc đối với SUJ2 – một loại thép cacbon cao.

Trong tiêu chuẩn JIS, có 5 loại thép ổ lăn từ SUJ1 đến SUJ5 được quy định, trong đó SUJ2 là mác thép tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến nhất cho vật liệu ổ lăn thông dụng.

2. Đặc tính của SUJ2 (độ cứng, độ bền, khả năng chống mài mòn)

Bảng 2: Các tính chất vật lý chính của SUJ2

Độ cứng cao – khả năng chống mài mòn cao

Đặc điểm nổi bật nhất của SUJ2 là khả năng đạt được độ cứng rất cao và khả năng chống mài mòn vượt trội thông qua xử lý nhiệt. Ở trạng thái ủ cầu hóa, độ cứng của SUJ2 là HBW 201 trở xuống, nhưng khi được tôi và ram thích hợp, vật liệu có thể đạt độ cứng rất cao.

Ví dụ, sau khi tôi dầu vật liệu SUJ2 và ram ở nhiệt độ thấp, độ cứng đạt được tương đương với thép dụng cụ cacbon thông thường (thép SK), đồng thời mang lại khả năng chống mài mòn và độ bền sử dụng xuất sắc.

Độ bền cao – khả năng chịu mỏi cao

Về độ bền kéo của SUJ2, giá trị danh nghĩa không được quy định rõ trong tiêu chuẩn JIS, tuy nhiên đây là vật liệu có độ bền rất cao khi sử dụng cho chi tiết máy. Độ bền mỏi, yếu tố quyết định tuổi thọ mỏi lăn, cũng được đặc biệt chú trọng; các đặc tính mỏi được cải thiện thông qua giảm tạp chất phi kim và kiểm soát tổ chức kim loại.

Nhờ độ bền cao và khả năng chịu mỏi ưu việt, các chi tiết ổ lăn làm từ SUJ2 có thể chịu được tải trọng lặp lại trong thời gian dài, đồng thời ít xảy ra mài mòn và hiện tượng flaking (bong tróc bề mặt).

Tính tôi cứng (hardenability)

SUJ2 có chứa crôm như một nguyên tố hợp kim, nhưng không chứa molypden, niken,… nên tính tôi cứng ở mức trung bình. Đối với các chi tiết thành dày hoặc đường kính lớn, dễ xuất hiện sự chênh lệch độ cứng từ bề mặt đến lõi, và việc làm cứng đồng đều đến tận lõi là khó khăn.

Vì vậy, đối với ổ lăn kích thước lớn hoặc các chi tiết yêu cầu độ cứng cao đến tận lõi, thường sử dụng các mác thép có tính tôi cứng cao hơn như SUJ3 hoặc SUJ4.

Khả năng chống ăn mòn

Cần lưu ý rằng khả năng chống ăn mòn của SUJ2 thấp. Tương tự như các loại thép cacbon thông thường khác, SUJ2 dễ bị gỉ trong môi trường có độ ẩm hoặc nước, do đó không phù hợp để sử dụng trong môi trường ăn mòn.

Trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chống ăn mòn nhưng vẫn cần vật liệu ổ lăn có độ cứng cao, nên cân nhắc thay thế bằng SUS440C — một loại thép ổ lăn không gỉ hệ mactenxit. SUS440C có thể đạt độ cứng tương đương SUJ2 sau khi tôi, đồng thời có khả năng chống ăn mòn.

Ứng dụng và ví dụ sử dụng của SUJ2

Nhờ độ cứng và độ bền cao, SUJ2 được sử dụng rộng rãi chủ yếu cho các phần tử ổ lăn của các bộ phận chuyển động quay.

Bảng 3: Các ứng dụng tiêu biểu của SUJ2

3. Tính gia công của SUJ2 và các điểm cần lưu ý khi gia công

Tính gia công của SUJ2

Mặc dù SUJ2 là thép cacbon cao, nhưng nếu được ủ thích hợp thì tính gia công (khả năng cắt gọt) không quá kém. Khả năng cắt gọt của SUJ2 đã được ủ cầu hóa được đánh giá là gần tương đương với thép cacbon kết cấu S45C.

Cần lưu ý rằng việc “dễ gia công” này chỉ áp dụng ở trạng thái đã được ủ mềm. SUJ2 là loại thép có khả năng tôi cứng rất cao, và sau khi tôi, độ cứng đạt mức mà ngay cả dao hợp kim cứng thông dụng cũng khó gia công được. Vì vậy, nguyên tắc cơ bản là phải gia công ở trạng thái mềm trước khi tôi, sau khi hoàn thiện hình dạng mới tiến hành tôi và ram.

Các điểm cần lưu ý khi gia công SUJ2

Để chế tạo các chi tiết có độ chính xác cao, cần chú ý những điểm sau:

• Lập kế hoạch công đoạn

Do quá trình tôi gây ra biến đổi kích thước và biến dạng, nên đối với các vị trí yêu cầu độ chính xác cao, thông thường sẽ mài tinh sau xử lý nhiệt. Ngay từ giai đoạn thiết kế, cần tính đến quy trình “gia công → xử lý nhiệt → mài hoàn thiện” và chừa lượng dư gia công (lượng dư mài) trong kích thước bản vẽ.

• Xử lý phoi

Thép cacbon cao khi cắt gọt dễ sinh ra phoi cứng và dài; nếu không xử lý tốt sẽ gây xước bề mặt gia công hoặc lỗi gia công. Các biện pháp hiệu quả gồm: tối ưu điều kiện cắt, chọn insert có rãnh bẻ phoi, và sử dụng dung dịch làm mát áp suất cao để bẻ nhỏ và thải phoi hiệu quả.

• Lựa chọn dụng cụ cắt

Để nâng cao khả năng gia công, nên sử dụng dao hợp kim phủ, dao gốm hoặc các dụng cụ có khả năng chống mài mòn cao, cho phép cắt ổn định trong thời gian dài. Khi gia công SUJ2, tuổi thọ dao thường ngắn, do đó cần quản lý thời điểm thay dao dựa trên cân đối giữa chi phí và độ chính xác.

• Biện pháp hạn chế biến dạng do xử lý nhiệt

Khi tiến hành tôi sau khi gia công xong, nên lựa chọn các phương pháp giảm biến dạng như tôi chân không hoặc tôi bể muối, đồng thời thực hiện ram thích hợp. Khi cần thiết, có thể áp dụng tôi cao tần (tôi bề mặt) để chỉ làm cứng lớp bề mặt thay vì toàn bộ chi tiết, qua đó giảm biến dạng.

7. So sánh với vật liệu không chứa chì - Ứng phó với các quy định môi trường

Chì là kim loại đã được sử dụng rộng rãi nhằm cải thiện tính gia công (khả năng cắt gọt) của thép. Tuy nhiên, do là kim loại nặng độc hại, trong những năm gần đây việc sử dụng chì bị hạn chế nghiêm ngặt bởi các quy định môi trường như chỉ thị RoHS. Mặc dù trong lĩnh vực gia công cơ khí, một số kim loại vẫn được phép chứa chì theo dạng ngoại lệ, nhưng đây chỉ là biện pháp chuyển tiếp, và khả năng cao trong tương lai sẽ trở thành đối tượng bị kiểm soát.

Theo xu hướng đó, trong ngành thép cũng đang đẩy mạnh phát triển các loại thép dễ cắt gọt không chì. Để cải thiện tính gia công mà không sử dụng chì, người ta bổ sung các nguyên tố như lưu huỳnh (S), canxi (Ca), tellur (Te), bismuth (Bi) vào thép, và việc phát triển các loại thép dễ gia công không chì đang được tiến hành mạnh mẽ.

Về mặt thành phần theo JIS, SUJ2 vốn không chứa chì, do đó có lợi trong việc đáp ứng RoHS. Vì SUJ2 là thép ổ lăn cacbon cao, ưu tiên độ bền và tuổi thọ hơn là tính gia công, nên việc bổ sung chì không phổ biến. Tuy nhiên, trong một số đơn hàng thép đặc biệt, vẫn có trường hợp bổ sung chì hoặc lưu huỳnh.

Đối với các sản phẩm phải tuân thủ quy định môi trường, khi lựa chọn vật liệu cần xác nhận hàm lượng chì trong thép. Khi xem xét sử dụng thép dễ gia công, nên kiểm tra rõ là loại không chì, và đối chiếu hàm lượng chì trong datasheet của nhà cung cấp.

8. So sánh SUJ2 với các vật liệu khác (sự khác biệt so với các loại thép ổ lăn và mác thép khác)

Hãy cùng xem xét những khác biệt chính giữa SUJ2 và các vật liệu tương tự hoặc vật liệu thay thế.

Sự khác biệt giữa SUJ2 và các vật liệu tương tự

Theo Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản (JIS G 4805), thành phần hóa học của các loại thép ổ lăn crôm cacbon cao được quy định như sau:

Bảng 4: thành phần hóa học của các loại thép ổ lăn crôm cacbon cao (đơn vị: %)

SUJ3 là vật liệu được bổ sung silic và mangan nhằm nâng cao tính tôi cứng, chủ yếu được sử dụng cho ổ lăn có đường kính lớn.

SUJ4, với việc bổ sung molypden, có tính tôi cứng cao hơn nữa, là vật liệu dùng cho các ứng dụng đặc biệt như ổ lăn kích thước lớn hoặc ổ lăn tốc độ cao.

SUJ5 là mác thép bổ sung molypden trên nền SUJ3.

Sự khác nhau giữa SUJ2 và các loại thép khác

Bảng 5: Tóm tắt những điểm khác biệt chính giữa SUJ2 và các loại thép khác

Ở giai đoạn thiết kế, trước hết nên xem SUJ2 là vật liệu tiêu chuẩn để đánh giá, sau đó tùy theo yêu cầu cụ thể mà so sánh các phương án thay thế, chẳng hạn như “chuyển sang vật liệu thép không gỉ vì lo ngại bị gỉ” hoặc “dùng S45C vì không cần độ cứng quá cao”.

Tóm lại

SUJ2 (thép ổ lăn cacbon cao – crom) là một loại thép đặc biệt tiêu chuẩn, thường xuyên được sử dụng trong lựa chọn vật liệu cho các chi tiết máy, đặc biệt là trong ứng dụng ổ lăn. Nhờ quá trình tôi và ram, vật liệu này đạt được độ cứng cao cùng khả năng chống mài mòn và chống mỏi vượt trội, cho phép tạo ra các chi tiết có tuổi thọ dài và chịu được tải trọng lớn.

Tuy nhiên, SUJ2 có khả năng chống gỉ kém và yêu cầu phải thực hiện xử lý nhiệt cũng như các công đoạn hoàn thiện phù hợp sau gia công, do đó cần lưu ý trong quá trình sử dụng. Việc hiểu đúng các đặc tính này và lựa chọn vật liệu phù hợp với mục đích sử dụng cũng như môi trường làm việc là rất quan trọng.

Hy vọng nội dung trong bài viết sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về đặc tính của SUJ2 và hỗ trợ hiệu quả cho công tác lựa chọn vật liệu cũng như quá trình thiết kế.

XTMechanical Blog xin cảm ơn mọi người vì đã luôn dành thời gian, tình cảm cho chúng mình! Thông qua bài viết, chúng mình hy vọng có thể lan toả niềm đam mê và tiếp thêm động lực, kiến thức cho mọi người. Cuối cùng, dù bao nhiêu khó khăn, xin chúc các bạn luôn vững bước và thành công trên chính con đường mình đã chọn!

 

Tác giả: Nguyễn Văn Hoà

             Chu Văn Minh

Tham khảo:

SUJ2（高炭素クロム軸受鋼）とは？特性・用途・加工ポイントを徹底解説 | meviy | ミスミ