Загрузка...Из какой стали делают подшипники?
Подшипниковая сталь: виды, особенности и характеристики
Подшипники порой несут чрезвычайно высокие нагрузки, поэтому к их надежности, прочности и долговечности предъявляются высокие требования. Стали для изготовления подшипников – это составы высочайшего качества, отличающиеся максимальной износоустойчивостью и прекрасно справляющиеся с большими контактными нагрузками.
Виды стали
Все смеси принято классифицировать по двум параметрам:
— для деталей, используемых при высоких температурных режимах и подверженных воздействию агрессивных химических агентов. В категорию включаются жаропрочные и коррозиестойкие металлы;
— для деталей, функционирующих в стандартных условиях. К ним причисляются составы с содержанием хрома и марганца, хромистые смеси с добавлением молибдена и кремния.
Среди составов первой группы популярностью обладают марки 95Х18-Ш, 11Х18М-ШД и др.Такие марки применяются в изготовлении приборных подшипников качения, работающих в агрессивной среде.
— обозначение «Ш» означает, что детали относятся к особо высокому классу и произведена по методу стандартной электрошлаковой переплавки,
— обозначение «ШД» – с помощью вакуумно-дуговой переплавки.Такая сталь используется в прецизионных подшипниках с классом точности выше P4, то есть P2, P3, P4. Класс точности P2 считается сверхвысоким встречается очень редко.
Во второй категории признанными лидерами называют модели ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ.
Качества подшипниковых составов
Специфика их применения такова, что составляющие деталей качения (роликовые, шариковые, кольцевые элементы) постоянно пребывают под влиянием высокого знакопеременного напряжения. Из-за этого их поверхность подвергается растяжению по краям и сжатию в центре. Величина нагрузок способна достигать 500 кГ/см2, что существенно деформирует деталь, приводя со временем к образованию усталостных трещин.
Шариковые подшипниковые изделия подвержены механическому разрушению металла (истиранию). Силы трения приводят к тому, что от конструкций начинают откалываться мелкие элементы, а их абразивный износ значительно ускоряется.
Перечисленные факторы свидетельствуют о том, что композиционные составы для подшипников обязаны отвечать:
— максимально высоким качествам прочности;
— устойчивости к механическому изнашиванию;
— минимальной хрупкости, сочетающейся с высокой сопротивляемостью усталости металла.
Подшипниковые составы не должны иметь неметаллические включения. Требование обусловлено их функциональной спецификой, поскольку компоненты деталей контактируют между собой рабочими поверхностями. Если технология не соблюдается, они быстро приходят в непригодность.
Компоненты смесей
Все элементы указаны в процентном отношении:
— ШХ20СГ. Содержание: кремний – 0,55-0,85; углерод – 0,9-1; марганец, хром – 1,4-1,7, сера – 0,02, никель – 0,03, фосфор – 0,25.
— ШХ15. Кремний – 0,17-0,37; углерод – 0,95-1,05; хром – 1,3-1,65; марганец – 0,2-0,4; прочие элементы – аналогично предыдущим пунктам.
— 11Х18М-ШД. Кремний – 0,53-0,93; углерод – 1,1-1,2; хром – 16,5-18; марганец – 0,5-1; сера – 0,15; медь и никель – 0,3; фосфор – 0,025.
Составы для подшипниковых конструкций имеют углеродные примеси. Благодаря углероду удается обеспечить устойчивость к истиранию, повысить показатели прочности после термической обработки самого изделия.
Марганец и хром, добавляемые в состав композиции(композиционный материал), увеличивают сопротивляемость к истиранию и одновременно с этим придают изделию твердость. Однако оба этих компонента являются раскислителями и способны понизить вязкость металлического состава, поэтому их количество должно оставаться строго в определенных рамках.
Ключевым элементом в составе подшипникового сплава является хром. Карбиды этого вещества усиливают устойчивость металла к изнашиванию и его твердость, обеспечивают нужную мелкозернистую структуру, не позволяет ему чрезмерно накаляться, повышает стойкость мартенсита против отпуска.
Вредные примеси
Прочие примеси негативно сказываются на качествах композиции(композиционный материал), поэтому их содержание строго ограничивается:
— никель. Большое количество вещества значительно снижает твердость сплава;
— медь. Избыток в составе смеси увеличивает риск деформации и опасных повреждений;
— фосфор. Провоцирует хрупкость металла и растрескивание при закалке;
— свинец, олово, мышьяк, азот. Количество этого материала в десятитысячной части процента вызывает окрашивание металла.
За рубежом становится популярной точка зрения, что сера производит положительный эффект на подшипниковую смесь, облегчая обработку и способствуя длительному сроку эксплуатации. Однако отечественные металлурги с этим не согласны, поскольку металлы с примесью серы свыше 0,15% подвержены усталости и быстрому истиранию.
Подшипниковая сталь – долговечность подшипников качения гарантирована!
Подшипниковые стали (шарико-подшипниковые) представляют собой износостойкие высококачественные сплавы, которые хорошо противодействуют серьезным контактным нагрузкам. В таких сплавах всегда имеется хром и не менее 0,95 процентов углерода (до 1,15 процентов).
1 Подшипниковая сталь – область применения и общая характеристика
Не нужно быть большим специалистом в металлургическом деле, чтобы понять, что шарико-подшипниковые стальные композиции предназначаются для выпуска колец, роликов и шариков подшипников качения. Несмотря на такое узкое назначение интересующих нас сплавов, их номенклатура не столь уж и мала.
Подобное положение вещей обусловлено большим количеством разнообразных требований, которые выдвигаются к характеристикам современных подшипников качения, используемых во всех отраслях народного хозяйства и промышленности.
Все шарико-подшипниковые сплавы с высоким содержанием углерода обычно делят на две группы:
- Для изделий качения, которые функционируют при повышенных температурах и в агрессивных по своим характеристикам средах. К ним относят тепло- и нержавеющие стали (коррозионностойкие).
- Для изделий, которые используются в стандартных условиях. В данной группе находятся хромомарганцевые и хромистые составы, легированные молибденом и кремнием.
Популярные стали первой группы –11Х18М-ШД, 95Х18-Ш, 8Х4М4ВФ1-Ш и другие. В их маркировке литеры «ШД» означают, что сплав изготовлен по технологии вакуумно-дуговой переработки, а «Ш» – по технологии обычной электрошлаковой. Самыми же известными и востребованными сталями для шарико-подшипниковых изделий второй категории являются композиции ШХ15, ШХ20СГ и ШХ15СГ.
По ключевым свойствам и химическому составу (о нем будет подробнее рассказано ниже) любая подшипниковая сталь похожа на сплавы инструментальной группы. При этом сфера ее использования позволяет причислить шарико-подшипниковые материалы к специальным конструкционным.
2 Какими свойствами должны обладать стали для подшипников?
При эксплуатации подшипники качения и их элементы (кольца, ролики, шарики) постоянно воспринимают знакопеременные повышенные напряжения. Многократное давление на любую зону этих компонентов распространяется по опорной поверхности, имеющей малую площадь. Из-за этого и появляются локальные напряжения с переменным знаком, которые растягивают поверхность у контура и сжимают ее в центре.
Величина упомянутых напряжений может достигать 500 кгс/см2, за счет чего возникает несущественная остаточная и упругая деформация изделия качения. Казалось бы, ничего страшного. Но ведь данное напряжение, как было сказано, воздействует на подшипник множество раз, что и становится причиной возникновения через некоторое время усталостных трещин, которые приводят к разрушению изделия.
Кроме того, шарико-подшипниковые детали склонны к истиранию, то есть к одному из видов разрушений металла механического характера. Оно обуславливается наличием напряжений, которые образуются при движении контактирующих поверхностей силами трения. Из-за истирания от изделий начинают отпадать небольшие металлические частички, это приводит к повышению величины зазора между телами качения и кольцами подшипников, а также к активизации процесса их абразивного износа.
На конкретный показатель истирания конструкции качения влияют следующие факторы:
- активность (с химической точки зрения) среды, в которой работает подшипник;
- тип и марка используемого смазочного состава;
- точность сборки и производства изделия;
- наличие частиц с абразивными свойствами и их общее количество.
Если подшипник эксплуатируется очень активно, его верхние слои способны износиться до критической величины еще до того, как в металле образуются усталостные трещины. Ранний выход деталей качения из строя может наблюдаться и в тех случаях, когда на них интенсивно воздействуют комбинированные динамические, изгибающие и раздавливающие нагрузки.
Исходя из всего вышесказанного, становится понятным, что шарико-подшипниковые сплавы обязаны обладать:
- повышенной прочностью и стойкостью против механического износа;
- большой упругостью;
- незначительной хрупкостью в сочетании с повышенным показателем сопротивления физической усталости металла.
А в связи с тем, что компоненты подшипников соприкасаются друг с другом отдельными рабочими точками, в сталях для их изготовления не должно быть неметаллических примесей. При этом большую роль играет однородность (физико-химическая) состава таких сплавов. Если данное условие не соблюдается (имеются неметаллические добавки, трещины, твердые карбиды, волосовины и иные дефекты, способствующие увеличению напряжений), подшипники качения очень быстро выходят из строя.
3 Основные требования к химическому составу шарико-подшипниковых сплавов
В состав сталей для подшипников легирующие элементы входят в далее указанных интервалах (величины даны в процентах):
- ШХ20СГ: кремний – от 0,55 до 0,85, углерод – от 0,9 до 1, хром и марганец – от 1,4 до 1,7, медь – 0,25, сера – 0,02, никель – 0,3, фосфор – 0,027;
- ШХ15СГ: кремний – от 0,4 до 0,65, углерод – от 0,95 до 1,05, хром – от 1,3 до 1,65, марганец – от 0,9 до 1,2, медь, сера, никель, фосфор – аналогично стали ШХ20СГ;
- ШХ15: кремний – от 0,17 до 0,37, углерод – от 0,95 до 1,05, хром – от 1,3 до 1,65, марганец – от 0,2 до 0,4, остальные элементы – аналогично предыдущим маркам;
- 11Х18М-ШД: кремний – от 0,53 до 0,93, углерод – от 1,1 до 1,2, хром – от 16,5 до 18, марганец – от 0,5 до 1, сера – 0,15, медь и никель – 0,3, фосфор – 0,025;
- 95Х18-Ш: кремний – 0,8, углерод – от 0,9 до 1, хром – от 17 до 19, марганец – не более 0,7, сера – 0,025, медь – 0,25, никель – 0,3, фосфор – 0,03.
Как можно заметить, в подшипниковых сплавах содержится немало углерода. Именно он отвечает за достаточную стойкость против истирания изделий из них, а также за повышенные прочностные показатели подшипников качения после проведения их термообработки. Последняя требуется для того, чтобы изготовленные детали имели стабильные геометрические параметры при температуре эксплуатации выше 100 градусов. При этом термическая обработка, к сожалению, уменьшает сопротивление металла явлению контактной его усталости, а также твердость стали.
Хром и марганец, вводимые в состав сталей для подшипников, дают возможность повысить сопротивляемость изделий истиранию и одновременно их твердость. Кремний и марганец, будучи по своим свойствам раскислителями, могут уменьшать вязкость металла, поэтому их содержание в подшипниковых составах должно выдерживаться в четко заданных пределах.
Основное же влияние на характеристики рассматриваемых сталей оказывает хром. Он (а также его карбиды в разумных количествах) увеличивают стойкость подшипников качения к износу, их твердость. Хром, кроме того, придает стали требуемую структуру (мелкое зерно), снижает склонность металла к чрезмерному перегреву, делает мартенсит устойчивым против отпуска и приостанавливает процесс образования перлита из аустенита.
Молибден вводится с целью увеличения долговечности изделий из шарико-подшипниковых композиций. Остальные же добавки, имеющиеся в описываемых сталях, оказывают негативное воздействие на их свойства, поэтому их содержание строго регламентируется. К вредным примесям относят:
- Медь. Нежелательный элемент, несмотря на то, что она повышает уровень прокаливаемости и прочности, а также твердость металла. Следует тщательно подбирать ее количество, иначе сталь будет подвержена формированию надрывов и опасных трещин на металлической поверхности.
- Фосфор. Данная добавка вызывает снижение прочности на изгиб, делает материал хрупким и склонным при нагреве к формированию структуры с крупным зерном, обуславливает появление трещин при закалке стали, повышает ее восприимчивость к нагрузкам динамического характера.
- Азот, свинец, олово, мышьяк. Эти примеси, содержащиеся в подшипниковых стальных композициях в тысячных долях процента, провоцируют металл на активное раскрашивание.
- Никель. При большом содержании данного элемента в стали ее показатели твердости существенно уменьшаются.
Сейчас многие зарубежные исследователи доказывают, что сера способна положительно воздействовать на некоторые важные характеристики шарико-подшипниковых сплавов (например, на их хорошую обрабатываемость и эксплуатационную долговечность). Но в отечественной практике стали с высоким содержанием (порядка 0,15 процентов) серы не выплавляются, так как они делают их склонными к разрушению (усталостному) и уменьшают стойкость изделий к истиранию.
4 Способы и особенности выплавки сталей подшипниковой группы
В странах СНГ и России на данный момент описываемая нами сталь выплавляется в мартеновских кислых (около 10 процентов от общего объема) и в электродуговых печах (порядка 90 процентов). В мартене сплавы для подшипников качения производят с помощью активной плавки либо восстановления кремния.
Активная плавка предполагает добавление необходимых для металлургической операции материалов (известняк, руда и пр.) непосредственно во время процесса. Такая схема делает окислительный потенциал кремния достаточно высоким, ограничивает его восстановление и увеличивает при этом подвижность жидкого шлака.
Восстановительная же технология не требует введения добавок при плавке. В этом случае кремнезем начинает насыщать шлаковый расплав при увеличении температуры процесса сталеплавления. Шлак становится более вязким, а кислород проходит через него на очень маленькой скорости. В определенный момент операции фиксируется начало процесса, в ходе которого кремний восстанавливается.
Плавка в электродуговых агрегатах ведется по следующим технологиям:
- сталь обрабатывается синтетическим шлаком, содержащим большой объем глинозема, в ковше (необходимый для процедуры шлак подготавливается в другом агрегате);
- металл обрабатывается шлаком, получаемым в самой электродуговой печи.
И первая, и вторая схема может осуществляться с использованием свежей шихты либо способом переплава. Если применяется свежая шихта, для плавки требуется порядка 4,5% отходов стали (подшипниковой), около 20 % чугуна и примерно 75 % лома с высоким содержанием углерода. Готовый металл раскисляют алюминием (первичным). Если же используется способ переплава, требуется 70–100 % отходов сплавов, использовавшихся для изготовления шарико-подшипниковых изделий. Раскисление при таком методе выполняют присадкой алюминия в кусках.
Дополнительная обработка сталей после плавки производится электроннолучевым, электрошлаковым, дуговым (вакуумным) или плазменным переплавом (его называют рафинирующим). Подобные виды обработки удаляют неметаллические добавки из стали, уменьшают содержание в ней ненужных примесей и газов.
Подшипниковые стали
Сталь подшипниковая предназначена для изготовления колец, шариков и роликов подшипников качения. Кроме того, ее применяют для изготовления изделий, от которых требуется высокая износостойкость при сосредоточенных переменных нагрузках (копиры, кулачки, детали насосов высокого давления и др.).
Сталь для подшипников качения должна иметь высокую твердость, износостойкость и сопротивляемость контактной усталости. Этим требованиям удовлетворяет высокоуглеродистая хромистая сталь высокого качества, чистая по неметаллическим включениям и карбидной неоднородности.
ГОСТ 801-78 распространяется на сталь горячекатаную диаметром (толщиной) до 250 мм включительно, калиброванную и сталь со специальной отделкой поверхности. В части норм химического состава стандарт распространяется также на слитки, слябы, листы, трубы, поковки, прокат и проволоку.
Горячекатаная и калиброванная сталь по требованию к качеству поверхности с учетом дальнейшей обработки подразделяется на группы: ОХ — для холодной механической обработки (обточки, фрезеровании, выточки и др.); ОГ — для горячей обработки давлением; ХВ — для холодной высадки; ХШ — для холодной штамповки.
По состоянию материала сталь поставляют без термической обработки и термически обработанной (отожженной) — О.
Сталь подшипниковую изготовляют марок ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ. Химический состав стали должен соответствовать нормам, указанным в табл. 6.12.
Хром повышает твердость и износостойкость стали и обеспечивает необходимую прока- ливаемость. Легирование кремнием и марганцем проводят для повышения прокаливаемо- сти и применяют для сталей, используемых при изготовлении крупногабаритных подшипников (с толщиной стенки более 10 мм).
Таблица 6.12. Химический состав подшипниковых сталей
Массовая доля элемента, %
Сопротивление контактной усталости зависит от наличия различных металлургических дефектов (сульфидных и оксидных включений, пористости и др.), которые, выходя на рабочую поверхность, служат концентраторами напряжений, вызывая преждевременное разрушение стали от усталости. Не менее вредными факторами, способствующими преждевременному разрушению стали, являются карбидная ликвация и структурная полосчатость. Поэтому по ГОСТ 801-78 каждая плавка контролируется на наличие пористости, неметаллических включений (оксидных и сульфидных), на карбидную ликвацию, структурную полосчатость, карбидную сетку. Электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплавы, уменьшая количество неметаллических включений и других металлургических дефектов, повышают сопротивление контактной усталости стали, т.е. повышают долговечность подшипников.
Сталь отожженная горячекатаная, калиброванная и сталь со специальной отделкой поверхности в состоянии поставки должны иметь твердость: 179—207 НВ — для марки ШХ15; 179-217 НВ — для марок ШХ15СГ и ШХ20СГ.
Сталь подшипниковую изготовляют в виде прутков, груб, проволоки. После смягчающего сфероидизирующего отжига она получает структуру мелкозернистого перлита, что обеспечивает удовлетворительную обрабатываемость резанием и хорошую пластичность при холодной штамповке шариков или роликов.
Термообработка деталей подшипника состоит из закалки и низкого отпуска. Механические свойства сталей марок ШХ15 и ШХ15СГ для шарико- и роликоподшипников после закалки и низкого отпуска приведены в табл. 6.13.
Таблица 6.13. Механические свойства марок ШХ15 и ШХ15СГ после закалки и низкого отпуска
Для стали марки ШХ15
Для стали марки ШХ15СГ
прочности при изгибе, МПа
Предел выносливости при изгибе, МПа
прочности при изгибе, МПа
Предел выносливости при изгибе, МПа
Температура нагрева под закалку составляет 840—920 °С. В настоящее время применяется как закалка в одном охладителе (масле), так и ступенчатая, или изотермическая закалка, с выдержкой в области образования нижнего бейнита при температуре 210—240 °С.
Перспективным является применение для закалки деталей подшипников качения индукционного нагрева, что позволяет получить твердый поверхностный слой с сохранением вязкой сердцевины. Так, например, разработан и внедрен в массовое производство процесс объемно-поверхностной закалки колец тяжело нагруженных подшипников для букс железнодорожных вагонов из стали марки ШХ4 с регламентируемой (ограниченной) про- каливаемостыо. И хотя в данном случае закаливаемые кольца подшипника нагреваются индукционным способом насквозь (толщина колец 12—20 мм), из-за ограниченной прокаливаемое™ стали марки ШХ4 образуется закаленный слой со структурой мартенсита толщиной всего 2,5—3,5 мм (61-64 НЯС). Сердцевина кольца остается более мягкой (36— 42 НЯС) и вязкой, имея структуру троостита и сорбита. Кольца подшипников после такой термической обработки характеризуются высокими показателями конструктивной прочности.
Твердость поверхности при любом способе закалки деталей подшипника должна быть в пределах 61—66 НЛС. Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при температуре 150—170 °С с выдержкой в течение 2—5 ч. Цель отпуска — уменьшение закалочных напряжений в деталях подшипника. Перед отпуском для уменьшения количества остаточного аустенита прецизионные (особо точного изготовления) подшипники подвергают обработке холодом с охлаждением до температуры —10. -20 °С для повышения стабильности их размеров. Типовые режимы термической обработки наиболее распространенных сталей подшипниковых марок ШХ15 и ШХ15СГ приведены в табл. 6.14.
Подшипники качения — ответственные детали многих машин и механизмов, поэтому стали для их производства по назначению являются конструкционными, по по составу и свойствам они близки к инструментальным из-за работы при высоких локальных нагрузках.
Размер детали подшипника, мм
Продолжительность отпуска при 150-160 °С,ч
10%-й раствор КаС1
20-30 35-50 Свыше 50
Масло То же 3-5%-й
раствор Ыа,СО, или 10%-й раствор !ЧаС1
Основные требования к подшипниковым сталям следующие.
- 1. Высокая статическая грузоподъемность. Предельной является нагрузка, при которой допустимые остаточные деформации в зоне контакта между шариком (роликом) и кольцами менее 0,01% диаметра шарика (ролика). Давления в данном случае достигают 4000 МПа. Поэтому выбраны заэвтектоидные, легированные стали с содержанием 1% С и 1,5% Сг (типа ШХ15), обработанные закалкой и низким отпуском на максимальную твердость. В марке стали ШХ15 (ГОСТ 801-78) буква Ш означает «шарикоподшипниковая», а 15 — содержание Сг в десятых долях процента. Сталь содержит 0,95— 1,05% С и 1,30—1,65% Сг.
- 2. Высокое сопротивление контактной усталости. Оно сильно зависит от количества сульфидных и оксидных включений, а также от содержания водорода, которые снижают долговечность и ускоряют разрушение из-за контактной усталости. Отсюда требования по чистоте в отношении неметаллических включений и к карбидной неоднородности. Способ борьбы с неметаллическими включениями — рафинирующие переплавы. Если принять за 100% содержание включений в ШХ15 открытой выплавки, го после обработки синтетическим шлаком в ШХ15-Ш содержание включений уменьшается до 45%, после вакуумнодуговой плавки ШХ15-ВД — до 35%. Использование шлака и вакуумно-дугового переплава ШХ15-ШД обеспечивает уже 25% включений.
- 3. Подшипники качения испытывают износ, в том числе абразивный, от пылевидных частиц грунта, поэтому присутствие в стали Сг благотворно тем, что он увеличивает количество карбидной фазы и позволяет получить твердые специальные карбиды.
- 4. Размерная стабильность — один из важных параметров подшипника качения, поскольку изменения размеров приводят к заклиниванию подшипника и его разрушению. Допустимые изменения размеров менее КН—10
5 мм, они зависят от содержания остаточного аустенита. Чем меньше доля остаточного аустенита, тем лучше, так как при высоких нагрузках может происходить переход его в мартенсит с изменением объема.
Подшипниковые стали классифицируют на стали общего применения для работы при температуре от —60 до +300 °С в неагрессивных средах и стали специального назначения для коррозионностойких и теплостойких подшипников.
Сталь ШХ15 используется для подшипников, у которых кольца со стенкой до 30 мм, шарики диаметром 22—50 мм, ролики диаметром 15—35 мм. Для мелких подшипников приборов используют стали ШХ6 и ШХ9. Для крупногабаритных деталей применяют ШХ15СГ с 1% Мп и 0,5% Б1 для улучшения прокаливаемости. Прутки для изготовления шариков, роликов и труб для колец поступают с металлургического завода после горячей деформации и охлаждения на воздухе фактически в нормализованном состоянии. На шарикоподшипниковом заводе их подвергают отжигу на зернистый перлит — убирают возможную карбидную сетку после деформации. Затем прутки поступают на шаропрокатные станы, а из труб токарной обработкой производят кольца. Готовые детали поступают на закалку с температурой 850-900 °С, т.е. уровень температуры такой, чтобы растворить карбиды Сг и не допустить рост зерна. Более высокая температура закалки снижает Л/н и увеличивает количество остаточного аустенита, что плохо для размерной стабильности. Закалку проводят в масло (критический диаметр 25—35 мм) или используют ступенчатую закалку со ступенькой 210-240 °С, что позволяет исправлять под прессом тонкие кольца от коробления. Структура — мартенсит и равномерно распределенные округлые карбиды (Ре,Сг),С. Твердость после закалки должна быть не ниже НЯС 60—65, тогда можно получить ов= 2300-2600 МПа, но б и ф = 0%. Отпуск при 170—230 °С дает уменьшение закалочных напряжений и повышение вязкости при сохранении НЯС 60—61. Для стабилизации размеров охлаждение рядовых подшипников из ШХ15 проводят до +5. 10 °С, а прецизионных подшипников — до —30 °С. Затем следует шлифовка деталей и еще раз стабилизация при температуре 130 °С — 25 ч.
Для подшипников специального назначения, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионпостойкие (нержавеющие) подшипниковые стали. Они содержат 18% Сг, характеризуются хорошей износостойкостью и коррозионной стойкостью. Одна из таких сталей — 95X18, ее термообработка — ступенчатый из-за низкой теплопроводности нагрев под закалку 850 °С, затем 1080 °С, охлаждение в масле или струе газа, затем обработка холодом, отпуск 160 °С — 3 ч, НЯС 58—60.
Другая группа сталей применяется для подшипников, работающих при повышенных температурах, это дисперсионно-твердеющие стали — высокопрочные стали, как и все подшипниковые, но с высокой устойчивостью к повышенным температурам эксплуатации. Наилучшие механические свойства таких сталей достигаются в результате вторичного твердения.
Вторичное твердение — упрочнение при отпуске закаленных на мартенсит сталей за счет выделения специальных карбидов при температуре 500-650 °С. При этом растут оц и о(),, а б и ср падают. Наибольшая твердость получается при определенной объемной доле специальных карбидов. Обычно повышение твердости наблюдается при более 5% Сг, 1-2% Мо и более 0,5% V, например у стали 4Х5М2СФ. Упрочнителями являются фазы Сг7С3, Сг,3С6, Мо,С, УС, последние два карбида — лучшие упрочнители. Эти же элементы (Сг, Мо, V) улучшают прокаливаемость. Такие стали — модификация штамповых сталей для горячей деформации. Для перевода карбидных фаз в раствор производят закалку с температурой 1000—1050 °С. Зерно аустенита мелкое, так как половина частиц УС не растворяется, а МЬС совсем не растворяется и сдерживает рост зерна. Отпуск проводят чуть выше температуры максимума упрочнения — 600-650 °С. Такой перегрев («перестаривание») необходим для повышения пластичности и вязкости.
Дисперсионно-твердеющие стали используются при температурах па 100-150 °С ниже температуры отпуска, т.е. при 500—550 °С. Сталь 4Х5М2СФ имеет ои = 1720 МПа, б = 12%, Ф = 40%. Из сталей такого типа производят ответственные детали штампового и прессового инструмента, учитывая их высокую прокаливаемость (200—300 мм), а также иглы, пресс- штемпели, прессовые вставки для горячего деформирования конструкционных сталей, пресс-формы для литья под давлением цинковых, магниевых и алюминиевых сплавов.
Теплостойкие подшипники делают из дисперсионно-твердеющей стали 8Х4В9Ф2Ш (ЭИ347). При повышении температуры отпуска у нее наблюдается провал твердости НЯС при 250—400 °С, что соответствует распаду мартенсита с выделением частиц Ме>С. При нагреве выше 400 °С твердость вновь повышается, начинается вторичное твердение, карбиды Ме,С превращаются в Л/е23С6, максимум твердости достигается при температуре 500-550 °С. Последующее разупрочнение с повышением температуры — результат огрубления карбидов и превращения Л/е,3С6 в МеьС (выше 650 °С). Термообработка теплостойкой стали 8Х4В9Ф2Ш включает ступенчатый нагрев под закалку — вначале 800 °С для снятия напряжений, вызванных запаздыванием прогрева сердцевины детали, затем 1230 °С; закалка в масло; отпуск при температуре 570 °С по 2 ч 3 раза для снижения количества остаточного аустенита. Детали подшипников из такой стали имеют твердость НЯС 59.
Из какой стали делают подшипники?
Конструкционная подшипниковая сталь содержит около 1 % С и 1,5 % Cr. Подшипники качения работают преимущественно на сжатие и растяжение с многократным нагружением каждого участка рабочей поверхности. Так как это нагружение происходит на небольшой поверхности – точечно, на этой поверхности в момент нагружения возникают большие контактные напряжения. После большого количества циклов нагружения они приводят к усталостному разрушению подшипника. Для подшипниковой стали большое значение имеет её чистота по неметаллическим включениям. Присутствие в стали крупных (более 10 – 15 мкм) оксидных включений и их строчек уменьшает стойкость стали против усталостного разрушения и понижает долговечность подшипников. Поэтому, одним из критериев оценки качества подшипниковой стали, а также возможности ее использования или отбраковки, является балл, характеризующий размеры оксидных включений. Достижение низкого балла по включениям, то есть отсутствия включений, величина которых превышает допустимые значения, является одной из главных задач при производстве подшипниковой стали.
Рисунок – Зависимость долговечности подшипников (В10) от метода производства и содержания в ней кислорода: 1 – дуговая сталеплавильная печь; 2 – дуговая сталеплавильная печь с эркерным выпуском (ЭВ); 3 – вакуумно-дуговой переплав.
В течение десятков лет подшипниковую сталь выплавляли в дуговых сталеплавильных печах, при этом не удавалось добиться достаточной долговечности подшипников. Значительно увеличить срок эксплуатации подшипников позволило освоение внепечной вакуумной обработки подшипниковой стали, которая в результате вакуумно-углеродного раскисления обеспечивает высокую чистоту металла по оксидным включениям. К настоящему времени использование вакуумной обработки и непрерывной разливки стали с защитой струи металла от вторичного окисления позволило увеличить количество циклов работы подшипников в 10 раз (рисунок). При этом долговечность подшипников из стали, полученной с использованием такой технологии, не уступает долговечности подшипников из стали, подвергнутой вакуумно-дуговому переплаву. Применение внепечной обработки позволило производить подшипниковую сталь не только в дуговых сталеплавильных печах, но и в кислородных конвертерах с получением металла одинакового качества. Ввиду трудностей, связанных с необходимостью легирования металла хромом в ковше, в настоящее время подшипниковую сталь выплавляют преимущественно в дуговых сталеплавильных печах. Плавку в дуговой печи ведут по обычной технологии с коротким окислительным периодом после расплавления. Ранние присадки извести и железной руды в периоде плавления, а также скачивание шлака и наводка нового в конце периода плавления и в начале окислительного периода должны обеспечить достаточно низкое содержание фосфора в металле при высоком содержании углерода. Легирование хромом производят присадками феррохрома в печь перед выпуском плавки. Для уменьшения угара хрома перед присадкой феррохрома производят предварительное раскисление ванны присадкой ферросилиция из расчета получения в металле не более 0,1 % кремния. Низкое содержание кремния и легирование хромом не понижают эффективность вакуумно-углеродного раскисления стали при последующей вакуумной обработке, которая в настоящее время является обязательной операцией при производстве подшипниковой стали. При высоком содержании серы в стали после выплавки ее в дуговой сталеплавильной печи в ковше кроме вакуумирования, проводят также десульфурацию металла высокоосновным восстановительным шлаком. Однако, к подшипниковой стали не всегда предъявляют высокие требования по содержанию серы. Согласно данным ряда исследований наличие в металле до 0,025 % серы даже несколько повышает долговечность подшипников, так как образование на поверхности оксидных включений сульфидной оболочки уменьшает вероятность образования трещин. Следует также отметить, что для изготовления колец и тел качения подшипников, иногда используют коррозионностойкую сталь. Для деталей коррозионностойких жаростойких подшипников, работающих в интервале температур до 350—400 °С, обеспечивающих необходимую стабильность размеров, оптимальные механические свойства и удовлетворительную коррозионную стойкость, обычно применяется следующий режим термической обработки: предварительный нагрев до 850° С, окончательный нагрев до 1070-1090 °С, охлаждение в масле, а затем замедленное охлаждение до -70…80 °С и двухкратный отпуск при 400° (с выдержкой 3 часа и 2 часа соответственно). Для изготовления колец и тел качения шарикоподшипников и роликоподшипников в специальных случаях применяются коррозионностойкие стали, относящиеся к разряду упрочняющихся при помощи холодной пластической деформации и дисперсионного твердения.
Источник: На основе обзора литературных данных по подшипниковым сталям.
