TCVN11107:2015

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11107:2015 (ISO 14628:2012) về Gốm mịn (gốm cao cấp, gốm kỹ thuật cao cấp) - Xác định độ mỏi tiếp xúc lăn của gốm silic nitrua tại nhiệt độ phòng bằng phương pháp lăn bi trên mặt phẳng TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 11107:2015 ISO 14628:2012 GỐM MỊN (GỐM CAO CẤP, GỐM KỸ THUẬT CAO CẤP) - XÁC ĐỊNH ĐỘ MỎI TIẾP XÚC LĂN CỦA GỐM SILIC NITRUA TẠI NHIỆT ĐỘ PHÒNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LĂN BI TRÊN MẶT PHẲNG Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) - Test method for rolling contact f atigue of s ilicon nitride ceramics at room temperature by balls-on-flat metho d Lời nói đ ầ u TCVN 11107:2015 hoàn toàn tương đương với ISO 14628:2012. TCVN 11106:2015 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC206 Gốm cao cấp biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố. Lời giới thiệu Tính năng độ m ỏ i tiếp xúc khi lăn (RCF) là cần thiết đ ể dự đoán tuổi thọ của chi tiết lăn. Nói chung, tính năng RCF được đánh giá từ tuổi thọ tại xác suất phá hủy cụ thể nhận được bằng phép phân tích các dữ liệu thử nghiệm W eibull trong điều kiện gia tải không đổi. Tiêu chu ẩ n n à y quy định phương pháp nhanh và tin cậy để so sánh tính n ă ng RCF khi gia t ả i từng bước như một cách để định lượng chính xác bằng các phép thử RCF dưới tải trọng không đổi. C á c vật liệu thử nghiệm xếp hạng, trong s ố những ph é p so sánh t í nh năng khác, sẽ l à gi á trị để lựa chọn vật liệu có tính năng yêu cầu cho ổ đỡ. Ngoài ra, nhà cung cấp vật liệu nhận ph ả n hồi từ các kết quả thử nghiệm, cho phép họ đạt được mức độ tính năng RCF cao hơn. GỐM MỊ N (GỐM CAO C Ấ P, GỐM KỸ THUẬT CAO C Ấ P) - XÁC ĐỊNH Đ Ộ M Ỏ I TIẾP XÚC L Ă N CỦA GỐM SILIC NITRUA TẠI NHIỆT Đ Ộ PHÒNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP L Ă N BI TRÊN M Ặ T PH Ẳ NG Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) - Test method for rolling contact f atigue of s ilicon nitride ceramics at room temperature by balls-on-flat metho d 1 Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn này quy định phương pháp xác định độ mỏi tiếp xúc lăn của gốm silic nitrua khi gia t ả i theo bước được thực hiện tại nhiệt độ phòng. Thử nghiệm này có thể được sử d ụ ng như sau: so sánh tương đối tính năng mỏi tiếp xúc khi lăn, thử nghiệm đạt/không đạt đối với chất lượng vật liệu của chi tiết lăn hoặc chọn mức tải trọng phù hợp đ ố i v ớ i thử nghiệm RCF dưới tải trọng không đổi. 2 Tài liệu viện dẫn Các tài liệu viện dẫn sau đây rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn n à y. Đối với các tà i liệu viện dẫn ghi năm công bố th ì áp dụng bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố th ì áp d ụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có). TCVN ISO/IEC 17025:2007 (ISO/IEC 17025:2005 ), Yêu cầu chung về năng lực của phòng thử nghiệm và hiệu chuẩn. ISO 3290-1:2008, Rolling bear i ngs - Bal l s - Part 1: Steel balls ( Ổ lăn - Bi - Ph ầ n 1: Bi thép). ISO 3290-2:2008, Rolling bearings - Balls - Part 2: Ceramic balls ( Ổ lăn - Bi - Phần 2: Bi gốm). ISO 3611:2010, Geometrical product speci f ications (GPS) - Dimensional measur i ng equipment: Micrometers for exte rn al measurements - Design and metrological characteristics [Đặc tính hình học của sản phẩm (GPS) - Thiết bị đo kích thước: Micrometer d ùng cho phép đo bên ngoài - Thiết kế và đặc t í nh đo lường]. ISO 4287:1997, Geometrical Products speci f ications (GPS) - Sur f ace texture: Pro fil e method - Term, de f initions and su rf ace texture parameters (Đặc tính kỹ thuật của sản phẩm hình học (GPS) - Nứt g ã y bề mặt: phương pháp mặt cắt (pro f ile) - thuật ngữ, định nghĩa và thông số kết cấu bề mặt). 3 Thuật ngữ và định nghĩa Tiêu chuẩn này áp dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau. 3.1 Tiếp xúc lăn (rolling contact) Tiếp xúc giữa các chi tiết lăn. CHÚ THÍCH: Dưới các điều kiện tiếp xúc l ă n thu ầ n túy, vận tốc tương đối tại điểm tiếp xúc là bằng không. Tuy nhiên, vận tốc tương đối giữa chi tiết l ă n thực tế kh ô ng b ằ ng không trong hầu hết các trường hợp. 3.2 Ph á hủy bề mặt (surface failure) Tróc bề mặt mẫu thử. 3.3 Độ mỏi tiếp xúc khi lăn (rolling contact fatigue) Sự phá hủy bề mặt hình th à nh do ứ ng suất tiếp xúc khi lăn tuần hoàn dưới ứng suất khi phá hủy bề mặt xảy ra dưới tải trọng đều. 3.4 Thử nghiệm độ mỏi tiếp xúc khi lăn (rolling contact fatigue test) Thử nghiệm mà ứng suất tiếp xúc khi lăn lặp lại được áp dụng đ ố i với mẫu thử v à số chu kỳ phá hủy bề mặt được đo. 3.5 Tải trọng theo bước (step w ise loading) Phương pháp gia tải mà theo đ ó tải trọng được gia tăng theo bước tại khoảng thời gian đều nhau cho đ ế n lần phá h ủ y cu ố i cùng của mẫu thử. 3.6 Dấu tiếp xúc (contact track) Vệt tròn được hình thành trên mẫu thử bằng cách tiếp xúc lăn lặp lại của các viên bi. 3.7 Tải trọng hiệu dụng trung b ì nh (mean effective l oad) Tải trọng không đổi tương ứng với tải trọng theo bước. 3.8 Ứ ng suất Hertzian tối đa ( maximum Hertzian stress) Ứ ng suất tiếp xúc tối đa giữa hai thân sử dụng ứng suất đàn hồi phân tích lý thuyết theo Hertz. 3.9 Silic nitrua c ấ p độ ổ đỡ (bearing grade s ilicon nitride) Gốm sil i c nitrua được thiết kế đặc biệt cho các chi tiết lăn. 4 Nguyên tắc Độ bền của tấm phẳng dưới ứng suất tiếp xúc khi lăn tuần hoàn, được áp dụng bởi các viên bi lăn đơn hướng trên đó, được xác định bằng cách đo số vòng ứng suất đến lần phá hủy bề mặt cuối cùng của tấm. 5 Máy thử nghiệm 5.1 Cấu trúc của máy thử nghiệm Máy thử nghiệm phải được cấu tạo sao cho ứng suất tiếp xúc lăn c ó thể được áp vào bề mặt mẫu thử tấm phẳng bởi những viên bi ở trên có kho ả ng cách bằng nhau bằng kẹp (xem H ì nh 1). Những viên bi lăn theo hình tròn bằng chuyển động quay vòng đệm trục có ổ bi chặn góc tiếp xúc 90° c ó đường kính lỗ khoan xác định. Vòng đệm trục phải quay đơn hướng. Máy thử nghiệm được thể hiện dạng biểu đồ trong Hình 2. Tải trọng được áp dụng bởi trọng tải không đổi t ạ i phần cu ố i tay đòn. Máy thử nghiệm phải được trang bị bằng cầu đóng tự động có thiết bị phát hiện phá hủy bề mặt, thiết bị có khả năng đạt được số v ò ng quay cho đến khi ngừng thử nghiệm, và c ó cơ c ấ u ngăn ngừa tái kích hoạt tự động khi máy thử nghiệm b ị dừng do lý do mất điện hoặc các lý do khác. CHÚ THÍCH 1: Vòng đệm trục phải được chọn trên cơ sở đường k í nh của viên bi v à trục ch í nh của máy thử nghiệm. CHÚ THÍCH 2: Kích thước của bộ phận kẹp phụ thuộc vào kích thước của v ò ng đệm trục, đường kính bi và số lượng bi. 5.2 Độ chụm tải trọng Dao động tải trọng thử nghiệm phải nằm trong ± 1% giá trị đã chọn. CHÚ THÍCH: Tải trọng thử nghiệm có thể được á p dụng bằng trọng tải không đổi c ó độ ch í nh xác. Thông thư ờ ng tải trọng theo trọng tải không đổi được gia tăng bằng cán theo hệ số xác định. 6 Mẫu thử 6.1 Dạng hình học của mẫu thử M ẫ u thử phải l à tấm phẳng. Dung sai tương đương trên bề mặt đ ố i diện của tấm l à 0,015 mm. Không được sử dụng mẫu thử xoắn hoặc cong do những m ẫ u này có thể dẫn đến sự rung động của thiết bị thử nghiệm. M ẫ u thử phải có đ ủ mép ngoài vết tiếp xúc cố định cũng như đ ể ngăn tác động của cạnh mẫu thử đối với sự phân b ổ ứ ng suất quanh điểm tiếp xúc mà có thể gây ra sứt mẻ vật liệu. Mặt cắt A-O-A CHÚ DẪN: 1. bi có đư ờ ng kính D 2. mẫu thử 3. trục ch í nh của máy thử nghiệm 4. v ò ng đệm trục ổ bi chặn g ó c tiếp xúc 90° 5. kẹp H ì nh 1 - H ì nh viên bi trên mặt phẳng CHÚ DẪN: 1. B ồ n dầu (hình bi trên mặt ph ẳ ng ở bên trong) 2. Bi đ ố i với điểm chốt xoay để đ ỡ bồn d ầ u 3. Tay đ ò n 4. Trọng tải không đổi 5. Động cơ H ì nh 2 - Sơ đồ máy thử nghiệm 6.2 C ố định mẫu thử M ẫ u thử phải được cố định trên đáy của bồn dầu c ố định và tránh rung lắc. Cần đặc biệt chú ý đến việc hoàn thiện bề mặt và độ ph ẳ ng của đáy bồn d ầu để cố định mẫu thử chắc chắn trên đó. 6.3 Độ dày mẫu thử Mẫu thử phải có đủ độ dày để ngăn không cho tấm phẳng rung lắc. Độ dày phải được đo bằng micrometer như được mô tả trong ISO 3611 hoặc dụng cụ đo kích c ỡ khác có độ phân giải 0,002 mm hoặc tốt hơn. Nếu mẫu thử được đo trước khi thử nghiệm, đo độ dày tại phần gần trung tâm đ ể tránh tiếp xúc không cần thiết với v ế t tiếp xúc v ề sau. 6.4 Hoàn thiện bề mặt M ẫ u thử phải có bề mặt mài bóng. Độ nhám là 0,1 μm Ra hoặc nhỏ hơn như được quy định trong ISO 4187. Hư hại dưới bề mặt trong quá trình mài phải được loại bỏ bằng cách đánh bóng tiếp để loại bỏ ả nh hưởng đến kết quả thử nghiệm. Hệ số lệch Rsk , như được xác định trong ISO 4287, của mẫu thử cũng phải được đo. CHÚ THÍCH: Khi Rsk th ể hiện giá trị dương l ớ n, nó cho biết b ề mặt được đo có nhi ề u khu vực lồi hơn khu vực lõm. Rsk c ó giá trị dương l ớ n không được khuyến nghị cho thử nghiệm RCF do k ế t quả thử nghiệm có thể b ị tác động bởi t í nh toàn bộ b ề mặt của mẫu thử. 6.5 Số mẫu thử Số mẫu thử ph ả i được trên cơ sở thỏa thuận giữa người thử nghiệm và người yêu cầu. N ế u gi á tr ị ngưỡng đ ố i với thử nghiệm đạt/không đạt được thiết l ậ p, í t nh ấ t phải chuẩn bị năm mẫu thử. 7 Phương pháp thử 7.1 Bi Bi được làm từ silic nitrua c ấ p ổ đỡ được sử dụng cho thử nghiệm các vật liệu cho ứng dụng ổ đỡ. Cấp của b i phải l à G5 hoặc G3 như được quy định trong ISO 3290-2. N ế u mục đích thử nghiệm là thử nghiệm đạt/không đạt đối với chất lượng vật liệu của chi tiết l ăn, viên bi ổ đỡ được chế tạo từ thép như được quy định trong ISO 3290-1 cũng có thể được sử dụng. Bi phải được kẹp để giữ khoảng cách cố định. Đường kính bi và số lượng bi phải theo th ỏ a thuận người thử nghiệm và người yêu cầu. CHÚ THÍCH: Thông thư ờ ng ba hoặc sáu bi được sử dụng t rong kết cấu bi trên mặt phẳng. 7.2 Phương pháp gia tải Tải trọng thử nghiệm phải được áp dụng trong điều kiện gia tải theo bước mà tải trọng được tăng theo bước t ạ i khoảng thời gian đều nhau cho đến khi phá hủy cuối cùng như được thể hiện trong Hình 3. Tải trọng bắt đầu của nấc tải trọng v à kho ả ng tải trọng phải theo thỏa thuận của người thử nghiệm và người yêu cầu. CHÚ THÍCH 1: Một số loại gốm silic nitrua có thể th ể hiện tính nhạy đ ố i với quá trình tải trọng. Tải trọng bắt đầu quá thấp có thể d ẫ n đến việc đánh giá quá cao tính năng mỏi tiếp xúc khi lăn. CHÚ THÍCH 2: N ế u mục tiêu của thử nghiệm là so sánh tương đối với số liệu hiện có của thử nghiệm theo tải trọng kh ô ng đ ổ i, thử nghiệm có thể được tiến hành theo tải trọng kh ô ng đổi như một cách thay thế. CHÚ DẪN: X v ò ng quay Y tải trọng (kN) 1 tải trọng bắt đầu 2 tải tr ọ ng tại các khoảng thời gian đều nhau 3 phá hủy cuối cùng của mẫu thử H ì nh 3 - Tải trọng theo bước 7.3 Sự bôi t rơ n Mẫu thử v à các viên bi phải được ngâm trong dầu bôi trơn trong quá trình thử nghiệm. Độ nhớt động học của dầu phải được chọn để duy tr ì tiếp xúc khi bôi trơn đ à n hồi thủy động lực một phần hoặc toàn bộ. CHÚ THÍCH: Đ ể duy t rì tiếp xúc khi bôi trơn đàn hồi thủy động lực một phần hoặc toàn bộ, dầ u parafin có độ nhớt động lực cao hơn, như 68 m m 2 /s, được chọn. 7.4 Phát hiện phá hủy b ề mặt Phá hủy bề mặt của mẫu thử có thể được phát hiện bằng sự gia tăng gia tốc rung của các viên bi. Máy đo gia tốc ph ả i được gắn trên bộ phận mà độ rung được khuếch đại ca học, như phía cấp tải của cán tải trọng (xem Hình 2). Nếu gia tốc vượt quá ngưỡng cài đặt, máy thử nghiệm phải tự động ngừng. CHÚ THÍCH: Đ ể tránh tự động ngắt dừng máy theo tiếng ồn, ngưỡng cài đặt có thể trong phạm vi từ 2 đến 3 lần mức tín hiệu đối với gia tốc rung ngay sau bắt đầu thử nghiệm tại m ỗ i cấp tải trọng. 8 Xử lý kết quả thử nghiệm 8.1 Tải trọng hiệu dụng trung bình T í nh tải trọng hiệu dụng trung b ì nh P m theo công thức sau từ các điều kiện gia tải và số vòng quay tại mỗi bước gia tải cho đến khi ngừng thử nghiệm. (1) trong đó P k là tải trọng trên bi tại bước gia tải lần thứ k (N); N k l à số v ò ng quay tại bước gia t ả i lần thứ k ; p là số mũ trong phương trình lý thuyết Lundberg và Palmgren được thể hiện dưới đây: (2) trong đó L là độ bền t ỷ lệ cơ bản; C là tỷ lệ tải trọng động lực cơ b ả n (N); P là tải trọng tương ứ ng động lực (N). CHÚ THÍCH 1: Số mũ p cần phải được xác định qua thực nghiệm đối với các ổ đỡ được ch ế tạo từ từng vật liệu thử nghiệm. Xem xét phạm vi của tiêu chuẩn này chọn giá tr ị xác định đối với p l à một giải pháp thực tế, ngh ĩ a là so sánh tương đ ố i t í nh n ă ng mỏi tiếp xúc khi l ă n. CHÚ THÍCH 2: Giá trị p c ó th ể được l ấ y là 3. Giá trị này được ch ấ p nh ậ n rộng rãi làm giá trị đối với viên bi ổ đỡ bằng thép được sử dụng trong bạc đạn hybri d c ó sẵn tr ê n thị trường. 8.2 Công suất cơ học hiệu dụng trung bình Tinh ứng suất Hertzian tối đa giữa b i v à mẫu thử tại tải trọng Q = P m theo công thức sa u (3) trong đó Q l à tải trọng trên bi (N); a l à bán kính của vòng tiếp xúc (m). Đối với tiếp xúc giữa bi và tấm phẳng, a được biểu thị theo công thức sau. trong đ ó D là đường kính của bi (m); E 1 là mô đun đàn hồi của bi (Pa); E 2 là mô đun đàn hồi của tấm phẳng (Pa); e 1 là tỷ lệ Poisson của bi; e 2 là tỷ lệ Poisson của t ấ m phẳng. Nhân ứng suất Hertzian tối đa với số v ò ng ứng suất N c thu được c ô ng suất cơ học hiệu dụng trung bình Trong đó N c là nửa tích của tổng số vòng quay cho đến khi ph á hỏng và s ố lượng bi. CHÚ THÍCH: Phương trình công suất cơ học hiệu dụng trung bình bi ể u thị vật liệu c ó giá trị cao hơn (M in ) m chịu được tải trọng cao đối với vòng dài hơn với giả định r ằ ng toàn bộ (M in ) m được sử dụng trong độ m ỏ i ti ế p xúc khi lăn. 8.3 Tróc bề mặt b i Tróc bề mặt bi có thể gây nên việc ng ừ ng tự động máy thử nghiệm. Nếu tổn hại bề mặt nh ư b ị xước quan sát được trên vết tiếp xúc, thử nghiệm phải được kết th ú c. Nếu không kết thúc, phải thay bi tróc và dầu bôi trơn và tiếp tục thử nghiệm. 9 Báo cáo thử nghiệm B á o cáo thử nghiệm phải phù hợp với TCVN ISO/IEC 17025, trừ khi có lý do ch í nh đáng không tuân theo. Báo cáo kết quả của thử nghiệm độ mỏi tiếp xúc khi lăn phải bao gồm các th ô ng tin sau: a) T ê n v à địa chỉ của phòng thử nghiệm; b) Ngày thử nghiệm, xác nhận nhận dạng báo cáo và của từng trang, tên khách hàng và địa ch ỉ , chữ k ý trong báo cáo; c) Viện dẫn tiêu chuẩn này, nghĩa là được xác định phù hợp với TCVN 11107 (ISO 14628); d) Mô tả vật liệu thử nghiệm, mô đun đàn hồi, mã mẻ, ngày sản xuất, nếu thích hợp; e) Dạng hình học và kích cỡ của mẫu thử; f) Độ nhám bề mặt của mẫu thử; g) Mô t ả các viên bi, đường k í nh, loại bi, tên vật liệu, mô đun đàn h ồ i, v.v..; h) Các điều kiện tải trọng (tải trọng và khoảng thời gian của từng bước tải trọng); i) Mô tả dầu bôi trơn (tên nhà sản xuất, mã sản ph ẩ m, độ nhớt động lực, v.v...); j) Danh mục kết quả thử nghiệm (số vòng ứng suất, công suất cơ học hiệu quả trung bình, v.v...) Báo cáo kết quả thử nghiệm độ mỏi tiếp xúc khi lăn bao gồm các thông tin sau: k) Tên của máy thử nghiệm và chủng loại máy; I) Loại phụ gia và phương pháp thiêu kết của vật liệu thử nghiệm; m) Điều kiện lấy mẫu của mẫu thử từ vật liệu và điều kiện gia công cơ khí (khi mẫu thử được xử l ý nhiệt, ph ả i bao gồm điều kiện); n) Các đặc tính cơ học của mẫu thử, như độ bền uốn, giá trị độ cứng rạn nứt, v.v... Phụ lục A (Tham khảo) Thông tin chung A.1 Giá trị p của silic nitrua đ ể tính toán tải trọng hiệu dụng trung bình S ố mũ p được xác định trong lý thuyết nổi tiếng Lundberg and Palmgren được xác định qua thực nghiệm. Giá trị p là số nghịch đảo của hệ số góc trong thực nghiệm trong mối quan hệ giữa tải trọng với vòng ứng suất ( xem H ì nh A.1). Đối với silic nitrua, không c ó giá trị được chấp thuận chung đối với p , trong khi đó giá trị bằng 3 được công nhận là giá trị p đối với viên bi ổ đ ỡ bằng thép. Tuy nhiên, một s ố thí nghiệm đã được thực hiện để xác định tham biến n à y v à giá trị trung bình của p đối với silic nitrua đã được b á o cáo n ằ m trong dãy t ừ 5,0 đến 5,5; Tài liệu tham kh ả o [1,2]. CHÚ DẪN: X độ bền (vòng ứng suất) Y tải trọng (kN) A vật liệu A B vật liệu B Hình A.1 - Ví dụ v ề biểu đồ tải trọng so với vòng ứng suất để xác định p A.2 Chất bôi trơn Trong kết cấu bi trên mặt phẳng, sự chuyển động của bi bao gồm chuyển động trượt. Hoạt động ăn mòn giữa bi và mẫu thử bị ảnh hư ở ng mạnh bởi các điều kiện bôi trơn. Trong tiêu chuẩn này, bôi trơn b ồ n dầu được chấp thuận. Mẫu thử và bi được ngâm trong cùng loại dầu bôi trơn trong suốt quá trình thử nghiệm. Đ ể tránh ăn mòn bởi phần thứ ba, bi và vòng đệm trục phải được thay thế mới và bộ kẹp thử nghiệm phải được làm sạch bằng siêu âm trong axeton trước mỗi lần thử nghiệm. A.3 Xử lý mẫu thử và bi M ẫ u thử và bi phải được xử lý c ẩ n thận cho đến khi chúng được đưa vào thiết lập thử nghiệm để giảm nguy cơ t ổ n hại b ề mặt do sự tiếp xúc giữa các vật cứng gây ra. Sử dụng bi, giống như bi được sử dụng trong ổ đ ỡ hybrid hiện có sẵn trên thị trường, được khuyến nghị do chúng được chế tạo t ỉ m ỉ nhằm giảm tối thiểu khuyết tật gia công mà những khuyết tật này có thể gây ra phá hủy bi trong quá trình thử nghiệm độ m ỏ i tiếp xúc lăn.