Trong hành trình này, vòng bi lai (hybrid bearings) – sự kết hợp giữa vật liệu ceramic tiên tiến và thép truyền thống – mang lại hiệu năng vượt trội cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Tiến sĩ Charlotte Vieillard, nhà khoa học vật liệu tại SKF, đã đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển vòng bi lai, tận dụng chuyên môn về vật liệu phi kim loại để khai thác tối đa tiềm năng của ceramic.

Vòng bi lai mang lại nhiều ưu điểm so với thiết kế toàn thép truyền thống, đặc biệt trong các ứng dụng hiệu suất cao. Ban đầu, công nghệ này được ứng dụng trong các trục chính máy tiện, trung tâm gia công tốc độ rất cao và xe đua Công thức 1. Dần dần, vòng bi lai xuất hiện ở nhiều lĩnh vực hơn: xe siêu thanh Thrust SSC, tàu con thoi NASA, quạt gió bệnh viện, hệ thống điều hòa tòa nhà, máy phát điện gió, máy bơm và máy nén công nghiệp, và hiện nay là động cơ điện – lĩnh vực tăng trưởng mạnh mẽ khi xe điện ngày càng phổ biến.

Một lợi thế vượt trội của ceramic là khả năng cách điện tuyệt vời, giúp bảo vệ vòng bi khỏi hư hỏng do dòng điện rò trong các máy điện tần số cao.

Vật liệu siêu cứng – Quy trình sản xuất không dễ dàng

Mặc dù ceramic mang lại hiệu năng vượt trội, việc sản xuất các chi tiết lăn bằng ceramic lại vô cùng khó khăn và tốn kém. Theo Vieillard, “thách thức lớn nhất là sản xuất ổn định và đồng đều bi lăn silicon nitride chất lượng cao, chịu được tải trọng tiếp xúc điểm rất lớn”. Ceramic giòn hơn thép, đòi hỏi phải phát triển cấu trúc vi mô đặc biệt nhằm tăng độ dai và độ bền.

Các chi tiết ceramic được sản xuất bằng phương pháp thiêu kết: bột mịn silicon nitride và các phụ gia được nghiền trộn, nén tạo hình, sau đó nung ở áp suất cao để tạo thành khối đặc chắc. Khối này tiếp tục được mài và siêu hoàn thiện thành bi hoặc con lăn chính xác. Quá trình này đòi hỏi kiểm soát nghiêm ngặt nhiều thông số ở mỗi công đoạn để đảm bảo chất lượng và cấu trúc cuối cùng.

Trước đây, chi phí chế tạo cao chỉ phù hợp cho các ứng dụng đặc biệt như hàng không vũ trụ, với sản lượng nhỏ và khách hàng chấp nhận chi phí đổi lại hiệu suất vượt trội.

Đối với Vieillard, mục tiêu luôn là đảm bảo khách hàng nhận được trọn vẹn lợi ích của vòng bi lai trong từng sản phẩm SKF. Để đạt được điều này, ngoài hiểu rõ vật liệu và đặc tính chi tiết thành phẩm, còn cần kiểm soát nghiêm ngặt quy trình kiểm tra chất lượng ở mọi lô hàng sản xuất.

Từ ứng dụng đặc biệt đến đại trà

Khi vòng bi lai dần được sử dụng phổ biến trong các hệ truyền động ô tô, đội ngũ của Vieillard đối diện với thử thách lớn hơn: mở rộng sản xuất mà vẫn đảm bảo chất lượng. SKF đã đầu tư chuỗi giá trị khép kín từ bột đến sản phẩm hoàn thiện, song song với việc hợp tác các nhà cung ứng chiến lược và phát triển hệ thống sản xuất quy mô lớn cho thế hệ vòng bi mới.

Công việc nghiên cứu tiếp tục nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất, kiểm soát chất lượng, tự động hóa và phát triển các phương pháp tạo hình, thiêu kết tiên tiến để giảm giá thành mà vẫn giữ hiệu năng vượt trội.

Theo Vieillard, còn rất nhiều cơ hội cần khám phá để tiếp tục nâng cao hiệu suất cũng như hạ giá thành sản phẩm vòng bi lai trong tương lai.