یکی از مشکلات عمده در برخورد با ماشین های دینامیک این است اصطکاک. افزایش اصطکاک منجر به روند کندتر و عملکرد ناکارآمد می شود. همچنین ممکن است در نتیجه تماس مکرر فلز به فلز بین سطوح باعث آسیب به دستگاه شود.

اصطکاک را می توان با استفاده از روان کننده ها، اما حتی روان کننده ها نیز راه حل چندان کارآمدی نیستند. یک روان کننده مناسب باید برای یک کاربرد خاص استفاده شود، در غیر این صورت به سادگی موثر نخواهد بود. علاوه بر آن، روان کننده ها نیاز به تعویض مکرر دارند و دفع باید به درستی انجام شود تا از هرگونه آلودگی محیطی جلوگیری شود. این جنبه های منفی با یک جایگزین دیگر غلبه می کنند – بلبرینگ.

بلبرینگ مجموعه‌های مکانیکی هستند که به ماشین‌آلات اجازه می‌دهند تا بارهای سنگین را با کارایی و سهولت حمل کنند و با سرعت بسیار بالا در حرکت خطی یا چرخشی حرکت کنند و در عین حال اصطکاک را کاهش دهند. عملاً تمام برنامه‌های کاربردی مربوط به قطعات متحرک از یک یا چند یاتاقان استفاده می‌کنند. آنها تقریباً در همه سیستم ها، از پنکه های سقفی گرفته تا اتومبیل و ماشین آلات صنعتی، نقش کلیدی دارند [1].

مواد مختلفی توسط صنعت بلبرینگ برای ساخت قطعات مختلف یاتاقان استفاده شده است. این مواد یاتاقان برای دستیابی به خواص مطلوب برای به حداکثر رساندن عمر و عملکرد یاتاقان تحت عملیات حرارتی و فرآیندهای مختلفی قرار می گیرند.

در اینجا، با این موارد آشنا خواهید شد:

• انواع مختلف بلبرینگ
• رایج ترین مواد مورد استفاده در یاتاقان ها و اجزای بلبرینگ
• مناطق کاربرد معمولی مواد بلبرینگ و عواملی که در انتخاب ماده مناسب در نظر گرفته می شوند

انواع بلبرینگ

در زیر تعدادی از متداول ترین یاتاقان های مورد استفاده ذکر شده است که هر نوع برای کاربرد خاص خود استفاده می شود [2].

نوع بلبرینگ	کاربرد	مثال
بلبرینگ	رانش سبک و بار شعاعی	طرفداران کامپیوتر
بلبرینگ غلتکی	بار شعاعی سنگین	غلطک تسمه نقاله
بلبرینگ های رانش توپ	بار شعاعی سبک و کاربردهای کم سرعت	بارانداز
بلبرینگ های رانش غلتکی	بار رانش بزرگ	مجموعه دنده
رولبرینگ مخروطی	رانش بزرگ و بار شعاعی بزرگ	مرکز خودرو

مواد فلزی مورد استفاده در یاتاقان ها

فولاد کروم SAE 52100

غلتک، ساچمه و غلتک مخروطی معمولاً از فولاد کروم SAE 52100 ساخته می شوند. این ماده دارد ظرفیت عالی مقاوم در برابر سایش و سختی راکول حدود 64 HRC. بلبرینگ های ساخته شده از فولاد کروم می توانند تا دمای 120 درجه کار کننددرجهC و با عملیات حرارتی، حتی می توانند تا 220 هم برونددرجهج. با این حال، یکی از معایب یاتاقان های فولادی کروم این است محتوای کروم کم که آنها را مستعد خوردگی می کند [3].

فولاد ضد زنگ AISI 440C

یاتاقان های فولادی ضد زنگ دارای محتوای کروم بالاتری هستند (تا 18٪) که باعث می شود از نظر مقاومت در برابر خوردگی نسبت به SAE 52100 برتری داشته باشند. آنها می توانند در دمای بالای 250 کار کننددرجهC اما از نظر سختی و ظرفیت حمل بار کلی پایین هستند و علاوه بر آن هزینه تولید بالاتری نیز دارند [3].

AISI 440C یک فولاد ضد زنگ با کربن بالا است که در یاتاقان‌های تماسی غلتشی (بالبرینگ یا رولبرینگ) استفاده می‌شود. این به طور گسترده در محیط های خورنده و در کاربردهایی که مقاومت در برابر خوردگی مهمتر از ظرفیت بار است استفاده می شود، مانند بلبرینگ های ابزار. [4].

ترکیب شیمیایی فولاد بلبرینگ [3]

عنصر	٪ وزن
	SAE 52100 (ایالات متحده آمریکا)	AISI 440C (ایالات متحده آمریکا)
کربن	0.95 – 1.1٪	0.95 – 1.2٪
کروم	1.3 – 1.6٪	16 – 18٪
سیلیکون	0.15 – 0.35٪	حداکثر 1%
منگنز	حداکثر 0.5٪	حداکثر 1%
مولیبدن	حداکثر 0.08٪	حداکثر 0.75٪
فسفر	حداکثر 0.012٪	حداکثر 0.04٪
نیکل	حداکثر 0.25٪	حداکثر 0.25٪
گوگرد	حداکثر 0.25٪	حداکثر 0.30٪

AISI 440C را می توان تا 60 HRC تحت عملیات حرارتی و سخت شدن قرار داد. عیب اصلی آن است عمر خستگی کوتاه تر در مقایسه با SAE 52100. با این حال، برخی از برنامه ها خواص خستگی بالا و مقاومت در برابر خوردگی را با استفاده از یکپارچه می کنند. بلبرینگ های روکش کروم ساخته شده از فولاد استاندارد SAE 52100 [4].

سایر مواد فلزی مورد استفاده در یاتاقان ها عبارتند از [1]، [4]:

مواد غیر فلزی مورد استفاده در یاتاقان ها

یاتاقان های غیر فلزی خواص مختلفی را ارائه می دهند که برای تعداد زیادی کاربرد مناسب است. آنها معمولاً در کاربردهای PV کم (فشار-سرعت) با ارزش به دلیل نسبتاً آنها استفاده می شوند هدایت حرارتی کمتر در مقایسه با فلزات، علاوه بر تامین نیازهای خود روانکاری، هزینه کم، مقاومت شیمیایی و پایداری دمای بالا. مواد باربر غیرفلزی را می توان به پلاستیک، سرامیک، لاستیک، گرافیت کربن و سایر مواد طبقه بندی کرد. در اینجا برخی از مواد رایج مورد استفاده آورده شده است.

نایلون

نایلون یک پلی آمید است، یک ماده کریستالی که به طور گسترده در مواد یاتاقان به عنوان یک لایه متخلخل در داخل یک آستین فلزی یا یک آستین قالب‌گیری تزریقی استفاده می‌شود. چقرمگی، ویژگی های سایش، و خستگی و مقاومت شیمیایی عالی دارد. یاتاقان‌های نایلونی معمولاً در کاربردهای کم بار مانند لوازم خانگی استفاده می‌شوند [4]. نایلون پر شده با MoS₂ به ویژه با خواص روانکاری افزایش یافته و برای یاتاقان ها مناسب هستند.

مواد فنلی

مواد فنولیک معمولاً برای قفس بلبرینگ های با سرعت بالا مانند دوک های ماشین ابزار استفاده می شود. آنها مقاومت خوبی در برابر آب، محلول های اسیدی و قلیایی هستند. با این حال، رسانایی حرارتی پایینی دارند و تمایل به انبساط دارند، که باعث می شود در کاربردهای با سرعت بار بالا کمتر مطلوب باشند. [4]. آنها به عنوان جایگزینی برای یاتاقان های فلزی در چرخ دنده های سوئیچ الکتریکی، یاتاقان های توربین آب و یاتاقان های محور پروانه کشتی استفاده می شوند. اگرچه قفس های فنلی استحکام بالایی دارند و سبک وزن هستند، اما تولید آنها گران است، بنابراین، اغلب در جای خود از پلاستیک استفاده می شود. [5].

لاستیک نیتریل

لاستیک بونا یا نیتریل یکی از رایج ترین مواد آب بند یاتاقان است. در برابر بسیاری از مواد شیمیایی مقاوم است و می تواند در محدوده دمایی وسیعی استفاده شود. همچنین خواص مکانیکی خوبی دارد و تولید آن ارزان است. مهر و موم بلبرینگ همچنین می تواند از سیلیکون و ویتون ساخته شود. با این حال، آنها تنها زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که یک برنامه خاص به دلیل هزینه بالای آنها به ویژگی های منحصر به فرد آنها نیاز داشته باشد [5].

تفلون

پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) که معمولاً به عنوان تفلون شناخته می شود، یک ماده پلیمری ترموپلاستیک است که بی اثری شیمیایی بالا، خاصیت خود روانکاری و ضریب اصطکاک پایین آن را به ماده ای مناسب برای قفس های یاتاقان غلتشی، ژورنال و یاتاقان های کشویی تبدیل می کند. تفلون ماده‌ای نرم با مقاومت کم در برابر سایش و خزش است، اما می‌توان آن را هزاران بار از طریق ترکیب مواد افزودنی مانند الیاف یا ذرات مواد سخت‌تر بهبود بخشید. [4].

خواص طراحی بلبرینگ مواد غیر فلزی [4]

مواد	حداکثر فشار(MPa)	حداکثر سرعت (ام‌اس)	حداکثر دما (درجهج)	PV (Pa.m/s)
PTFE (تفلون)	3.4	0.51	260	35000
فنولیک ها	41.4	12.7	93	525000
استال	6.9	5.1	82	105000
پلی کربنات (لکسان)	6.9	5.1	104	105000
نایلون	6.9	5.1	93	105000

انتخاب مواد بلبرینگ

هیچ ماده یاتاقان ایده آلی وجود ندارد – بسته به نوع یاتاقان، کاربرد، سرعت، بار و شرایط عملیاتی، می توان آنها را از پلاستیک، فلز یا مواد کامپوزیت ساخت. روش روانکاری نیز یک عامل کلیدی است. مهم است که در نظر بگیریم که مواد یاتاقان صرفاً یکی از جزئیات در فرآیند انتخاب بلبرینگ است و حتی گران‌ترین بلبرینگ‌ها نیز نمی‌توانند عملکرد موفقیت‌آمیز را در صورت نادیده گرفتن سایر اصول طراحی تضمین کنند. [4].

از نظر الزامات کاربرد، مواد یاتاقان باید تعادل بین دو الزام متضاد را برآورده کند. یکی آن است فلز مورد استفاده باید به اندازه کافی سخت و محکم باشد برای جلوگیری از مسائلی مانند خزش، و باید سطح مناسبی از خستگی و مقاومت در برابر ضربه داشته باشد. از سوی دیگر، ماتریس باید نرم و پلاستیکی باشد به اندازه کافی برای مطابقت با ماشین کاری از جمله ویژگی هایی که در انتخاب مواد باید در نظر گرفته شود عبارتند از [4]:

[1] NK Jha، “Bearings and Green Engineering” طراحی و ساخت سبز برای پایداری، بوکا راتون: CRC Press، 2015.

[2] K. Nice، “چگونه بلبرینگ ها کار می کنند”، دوم، موجود است [Online]: https://science.howstuffworks.com/transport/engines-equipment/bearing3.htm [Accessed on 14.11.2019]

[3] RK Upadhyay و LA Kumaraswamidhas، “مسائل خرابی بلبرینگ و اقدامات اصلاحی از طریق مهندسی سطح”، در ASH مخلوف و M. Aliofkhazraei (Ed.s)، کتابچه راهنمای تجزیه و تحلیل شکست مواد با مطالعات موردی از صنایع ساختمانی، آکسفورد: باترورث-هاینمن، 2018.

[4] A. Harnoy، “انتخاب و طراحی رول بلبرینگ”، طراحی بلبرینگ در ماشین آلات: تریبولوژی مهندسی و روانکاری، نیویورک: مارسل دکر، 2002.

[5] “مواد یاتاقان – سرامیک، فولادهای کروم، فولادهای ضد زنگ و پلاستیک”، nd، موجود [Online]: https://www.astbearings.com/bearing-materials.html [Accessed on 14.11.2019]