Thép SUJ2: Tính chất và ứng dụng chính trong vòng bi

Thép SUJ2, còn được gọi là Thép ổ trục JIS, là thép hợp kim crom cacbon cao chủ yếu được sử dụng trong sản xuất ổ trục lăn. Được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình, SUJ2 có đặc điểm là độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ bền mỏi tuyệt vời, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao dưới ứng suất cơ học.

Tổng quan toàn diện

Thép SUJ2 chủ yếu bao gồm cacbon (C), crom (Cr) và các nguyên tố hợp kim khác giúp tăng cường các tính chất cơ học của thép. Thành phần hóa học điển hình bao gồm khoảng 1,0% cacbon và 1,5% crom, góp phần đáng kể vào độ cứng và khả năng chống mài mòn của thép. Sự hiện diện của crom không chỉ cải thiện khả năng chống ăn mòn mà còn tăng cường khả năng chịu nhiệt độ cao của thép.

Các đặc điểm quan trọng nhất của thép SUJ2 bao gồm:

• Độ cứng cao : Độ cứng có thể đạt tới 64 HRC sau khi xử lý nhiệt thích hợp.
• Khả năng chống mài mòn tuyệt vời : Sự kết hợp giữa hàm lượng carbon và crom cao mang lại khả năng chống mài mòn vượt trội, phù hợp cho các ứng dụng chịu tải trọng cao.
• Độ bền chịu mỏi tốt : SUJ2 có độ bền chịu mỏi cao, điều này rất quan trọng đối với các bộ phận chịu tải trọng tuần hoàn.

Thuận lợi :
- Khả năng chống mài mòn và độ cứng vượt trội.
- Độ ổn định kích thước tốt trong quá trình xử lý nhiệt.
- Độ bền mỏi cao, thích hợp cho các ứng dụng năng động.

Hạn chế :
- Khả năng chống ăn mòn hạn chế hơn so với thép không gỉ.
- Khó gia công do độ cứng cao.
- Cần xử lý nhiệt cẩn thận để đạt được tính chất mong muốn.

Trong lịch sử, SUJ2 đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ cho các thành phần như vòng bi, bánh răng và trục. Vị thế thị trường của nó vẫn vững chắc do độ tin cậy và hiệu suất trong các ứng dụng quan trọng.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	G52100	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với SUJ2
AISI/SAE	52100	Hoa Kỳ	Sự khác biệt nhỏ về thành phần
Tiêu chuẩn ASTM	A295	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn cho thép chịu lực
VI	100Cr6	Châu Âu	Các tính chất tương tự, thường được sử dụng thay thế cho nhau
ĐẠI HỌC	100Cr6	Đức	Tương đương với SUJ2 với một số thay đổi nhỏ
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SUJ2	Nhật Bản	Tiêu chuẩn chỉ định cho thép chịu lực
Anh	GCr15	Trung Quốc	Cấp độ tương đương với các ứng dụng tương tự
Tiêu chuẩn ISO	100Cr6	Quốc tế	Tiêu chuẩn toàn cầu tương đương

Sự khác biệt giữa các cấp độ này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, trong khi G52100 và SUJ2 thường được coi là tương đương, sự thay đổi trong quy trình xử lý nhiệt có thể dẫn đến sự khác biệt về độ cứng và khả năng chống mài mòn.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,95 - 1,05
Cr (Crom)	1,30 - 1,65
Mn (Mangan)	0,30 - 0,50
Si (Silic)	0,15 - 0,40
P (Phốt pho)	≤ 0,025
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,025

Vai trò chính của các nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép SUJ2 bao gồm:

• Cacbon (C) : Tăng độ cứng và độ bền thông qua quá trình hình thành cacbua trong quá trình xử lý nhiệt.
• Crom (Cr) : Tăng khả năng chống mài mòn và cải thiện khả năng làm cứng, cho phép làm cứng sâu hơn trong quá trình xử lý nhiệt.
• Mangan (Mn) : Cải thiện độ dẻo dai và giúp khử oxy cho thép trong quá trình sản xuất.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị mét - SI)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Làm nguội & tôi luyện	1.700 - 2.100MPa	247 - 304 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	1.500 - 1.800MPa	218 - 261 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	10-12%	10-12%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (HRC)	Làm nguội & tôi luyện	58 - 64HRC	58 - 64HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Nhiệt độ phòng	20 - 30 tháng	15 - 22 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các tính chất cơ học này làm cho thép SUJ2 phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao và khả năng chống mài mòn, chẳng hạn như ổ trục và bánh răng, nơi mà độ mỏi và mài mòn là những yếu tố quan trọng cần cân nhắc.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị mét - SI)	Giá trị (Đơn vị Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,85g/cm³	0,284 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1.450 - 1.500 °C	2.642 - 2.732 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	25 W/m·K	14,5 BTU·in/(h·ft²·°F)
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,46 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Hệ số giãn nở nhiệt	Nhiệt độ phòng	11,5 x 10⁻⁶ /°C	6,36 x 10⁻⁶ /°F

Ý nghĩa thực tiễn của các tính chất vật lý của SUJ2 bao gồm:

• Mật độ : Ảnh hưởng đến trọng lượng và sự cân bằng của các thành phần, rất quan trọng trong các ứng dụng như ô tô và hàng không vũ trụ.
• Độ dẫn nhiệt : Quan trọng đối với khả năng tản nhiệt trong vòng bi tốc độ cao.
• Hệ số giãn nở nhiệt : Ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước trong điều kiện nhiệt độ khác nhau, rất quan trọng đối với các ứng dụng chính xác.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Nước	-	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Dễ bị rỉ sét
Axit	Thấp	Môi trường xung quanh	Nghèo	Nguy cơ rỗ
Clorua	Cao	Môi trường xung quanh	Nghèo	Nguy cơ ăn mòn ứng suất
Dung dịch kiềm	Thấp	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Sức đề kháng vừa phải

Thép SUJ2 có khả năng chống ăn mòn hạn chế, đặc biệt là trong môi trường có tính axit và giàu clorua. Thép này dễ bị rỉ sét khi tiếp xúc với độ ẩm, khiến lớp phủ bảo vệ hoặc xử lý bề mặt trở nên cần thiết cho các ứng dụng ngoài trời. So với thép không gỉ như AISI 440C, có khả năng chống ăn mòn vượt trội, SUJ2 ít phù hợp hơn với các môi trường mà ăn mòn là mối quan tâm đáng kể.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	200	392	Thích hợp cho các ứng dụng tốc độ cao
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	250	482	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	300	572	Nguy cơ oxy hóa vượt quá nhiệt độ này
Cân nhắc về sức bền biến dạng	400	752	Bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ cao

Ở nhiệt độ cao, thép SUJ2 duy trì độ cứng và độ bền ở một giới hạn nhất định, vượt quá giới hạn này, thép có thể bị oxy hóa và mất các đặc tính cơ học. Điều này làm cho thép SUJ2 phù hợp với các ứng dụng mà các thành phần có thể chịu nhiệt độ cao không liên tục nhưng không ngắt quãng.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
MIG	ER70S-6	Argon + CO2	Nên làm nóng trước
TIG	ER80S-D2	Khí Argon	Yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn
SÚNG BẮN TỪ	E7018	-	Không khuyến khích cho các phần dày

Thép SUJ2 thường không được khuyến khích để hàn do hàm lượng cacbon cao, có thể dẫn đến nứt. Việc nung nóng trước và xử lý nhiệt sau khi hàn là điều cần thiết để giảm thiểu những rủi ro này. Việc lựa chọn kim loại phụ là rất quan trọng để đảm bảo khả năng tương thích và duy trì các đặc tính cơ học.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép SUJ2	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	SUJ2 khó gia công hơn
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	60 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất

Gia công thép SUJ2 có thể là một thách thức do độ cứng của nó. Các điều kiện tối ưu bao gồm sử dụng thép tốc độ cao hoặc dụng cụ cacbua và đảm bảo làm mát thích hợp để tránh mài mòn dụng cụ.

Khả năng định hình

Thép SUJ2 có khả năng định hình hạn chế do độ cứng và độ bền cao. Có thể định hình nguội nhưng có thể dẫn đến quá trình tôi cứng khi làm việc, đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận bán kính uốn và quy trình định hình. Định hình nóng khả thi hơn nhưng đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ chính xác để tránh làm giảm tính chất.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	700 - 800 / 1.292 - 1.472	1 - 2 giờ	Không khí hoặc lò sưởi	Giảm độ cứng, cải thiện khả năng gia công
Làm nguội	800 - 850 / 1.472 - 1.562	30 phút	Dầu hoặc Nước	Đạt được độ cứng cao
Làm nguội	150 - 200 / 302 - 392	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Trong quá trình xử lý nhiệt, SUJ2 trải qua những biến đổi luyện kim đáng kể. Làm nguội biến đổi cấu trúc vi mô thành martensite, tạo ra độ cứng cao, trong khi tôi luyện làm giảm độ giòn và tăng độ dẻo dai, giúp thép phù hợp với các ứng dụng động.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn
Ô tô	Vòng bi bánh xe	Độ cứng cao, chống mài mòn	Cần thiết cho độ bền khi chịu tải
Hàng không vũ trụ	Linh kiện động cơ	Độ bền mỏi, độ ổn định kích thước	Quan trọng đối với sự an toàn và hiệu suất
Công nghiệp	Trục bánh răng	Độ bền kéo cao, khả năng chống va đập	Cần thiết cho độ tin cậy của máy móc

Các ứng dụng khác bao gồm:

• Dụng cụ chính xác
• Trục quay tốc độ cao
• Vòng bi lăn

SUJ2 được chọn cho các ứng dụng này vì có độ cứng và khả năng chống mài mòn vượt trội, những yếu tố quan trọng đối với các bộ phận chịu ứng suất và mỏi cao.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	Thép SUJ2	AISI440C	Thép công cụ D2	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ cứng cao	Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời	Khả năng chống mài mòn cao	SUJ2 có khả năng chống ăn mòn kém hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Xuất sắc	Hội chợ	SUJ2 cần lớp phủ bảo vệ
Khả năng hàn	Nghèo	Hội chợ	Nghèo	Tất cả các lớp đều cần được xử lý cẩn thận
Khả năng gia công	Thách thức	Vừa phải	Vừa phải	SUJ2 khó gia công hơn
Khả năng định hình	Giới hạn	Tốt	Giới hạn	SUJ2 ít có khả năng định hình hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Cao hơn	Vừa phải	Chi phí thay đổi theo nhu cầu thị trường
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Ít phổ biến hơn	SUJ2 có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn thép SUJ2, cần cân nhắc đến các đặc tính cơ học, hiệu quả về chi phí và tính khả dụng của nó. Mặc dù thép này có độ cứng và khả năng chống mài mòn vượt trội, nhưng những hạn chế về khả năng chống ăn mòn và khả năng gia công phải được cân nhắc so với các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Ngoài ra, cân nhắc về an toàn trong môi trường chịu ứng suất cao đòi hỏi phải đánh giá cẩn thận các đặc tính hiệu suất của thép.