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.
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.
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.
Подшипниковая сталь
Это высококачественная износостойкая сталь, способная сопротивляться большим контактным нагрузкам. Повышенная концентрация углерода обеспечивает подшипниковым сталям высокую твердость и износостойкость, а наличие хрома увеличивает глубину прокаливания. В системе маркировки конструкционных легированных сталей подшипниковые стали составляют исключение: маркировка начинается с буквы «Ш», а цифра, стоящая после «Х», указывает на концентрацию хрома в десятых долях процента. Например, ШХ6, ШХ15СГ. Чем выше концентрация хрома, тем крупнее можно изготавливать подшипники. К недостаткам подшипниковых сталей следует отнести пониженную обрабатываемость резанием.
Это стали, идущие для изготовления любых подшипников качения: шариковых, роликовых и игольчатых. Они, прежде всего, должны обладать высокой сопротивляемостью контактной усталости, высокой износостойкостью и твёрдостью. Кроме этого, подшипниковые стали должны легко закаливаться (обладать низкой критической скоростью закалки). Исходя из этих требований, к сталям этой группы следует отнести заэвтектоидные стали, легированные хромом.
К этим сталям предъявляют и ряд требований, связанных с их металлургическим производством, касающихся в первую очередь количества неметаллических включений.
Для получения высоких прочностных и эксплуатационных характеристик подшипниковые стали подвергают закалке в масле и отпуску при температуре 150-200 °С. Назначая режимы закалки, следует помнить, что эвтектоидная точка у сталей типа «ШХ» смещена несколько влево. Например, для стали марки ШХ15 она соответствует концентрации углерода, равной 0,7 %. Типовые режимы термообработки сталей типа «ШХ» представлены в таблице
Типовые режимы термообработки
Микроструктура стали ШХ15
Стали марок ШХ6 и ШХ9 идут для изготовления шариков и роликов подшипников. Для изготовления колец шарико- и роликоподшипников со стенками толщиной до 15-20 мм рекомендуется сталь ШХ15, т.к. она обладает большей твердостью, большей износостойкостью. При изготовлении колец с толщиной стенки более 20-30 мм рекомендуется использовать сталь марки ШХ15СГ. Из всех подшипниковых сталей она обладает наибольшей прокаливаемостью. В случае изготовления очень крупных подшипников (диаметром от 0,5 до 2 м) следует использовать низкоуглеродистые цементуемые стали, например, 20Х2Н4А. Это объясняется тем, что высокоуглеродистые стали типа «ШХ» обладают пониженной обрабатываемостью резанием и требуют высоких угловых скоростей при резании. В этом случае появляется опасность того, что опоры шпинделя металлорежущего станка могут не выдержать действующих нагрузок. Низкоуглеродистые стали обладают лучшей обрабатываемостью резанием и позволяют проводить обработку при меньших угловых скоростях. Однако низкоуглеродистые стали являются сравнительно мягкими сталями, а закалка их оказывается невозможной из-за очень высокой критической скорости закалки. Поэтому после изготовления колец из таких сталей они подвергаются цементации на глубину до 8 мм с последующей закалкой и последующим низким отпуском. После такой термообработки кольца структура его поверхности состоит из отпущенного мартенсита и карбидов, а структура сердцевины — из малоуглеродистого мартенсита. Для подшипников, работающих в агрессивных средах (например, в пресной или морской воде, в растворах азотной кислоты и органических кислотах), рекомендуют использовать коррозионно-стойкую хромистую сталь марки 95Х18.
В случае, когда подшипники в процессе своей работы нагреваются до 400-500 °С, для их изготовления рекомендуют использовать быстрорежущие стали, например, Р9, но с пониженным содержанием углерода и ванадия. Это вызвано необходимостью уменьшения склонности к карбидной ликвации. Термообработку таких сталей проводят по обычным режимам, предусмотренным для быстрорежущих сталей.
Какая сталь используется в подшипниках?
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.
Конструкционные подшипниковые стали
Свойства подшипниковой стали
Подшипниковую сталь применяют главным образом для изготовления шариков, роликов и колец подшипников.
В процессе работы эти элементы находятся под воздействием высоких знакопеременных напряжений. Каждый участок рабочей поверхности ролика или шарика и дорожки колец испытывает многократное нагружение, которое распределяется в пределах очень небольшой опорной поверхности. В результате в каждом участке поверхности возникают местные контактные знакопеременные напряжения порядка 3—5 Мн/м 2 (300—500 кгс/см 2 ) — сжимающие на поверхности контакта и растягивающие у ее контура. Напряжения вызывают упругую и незначительную остаточную деформации элементов подшипника. Многократное повторение деформации приводит к появлению усталостных трещин, выкрашиванию поверхности подшипника, в результате чего при качении возникают удары, под действием которых разрушения усиливаются и подшипник выходит из строя.
Помимо усталостного разрушения, дорожки колец подшипника и сами тела качения (шарики и ролики) подвергаются истиранию. Причиной механического разрушения — истирания являются тангенциальные напряжения, вызываемые силами трения при скольжении контактирующих поверхностей. В результате истирания от поверхности металла отделяются тонкие чешуйки, что вызывает увеличение зазора между кольцами и телами качения и усиление абразивного износа.
Рисунок 1 — Подшипник
Величина истирания зависит от точности изготовления и сборки подшипника, условий его нагружения, смазки, наличия абразивных частиц, химически активной среды и от ряда других причин. При интенсивном истирании поверхностные слои шарикоподшипниковой стали могут изнашиваться настолько быстро, что в них не успевают появиться усталостные трещины. В этом случае подшипник выходит из строя еще до усталостного разрушения.
В некоторых случаях детали подшипников подвергаются совмещенным раздавливающим и изгибающим нагрузкам, нагрузкам динамического характера (ударным).
В соответствии с этим, cвойства шарикоподшипниковой стали должны характеризироваться высокой упругостью и высоким сопротивлением усталости при малой хрупкости, отличаться высокой износостойкостью и прочностью. Так как детали подшипников работают, соприкасаясь отдельными точками рабочих поверхностей, особое значение для подшипниковой стали приобретает ее физико-химическая однородность и чистота по неметаллическим включениям. Присутствие в стали скоплений твердых карбидов, неметаллических включений, волосовин, трещин и других концентраторов напряжений вызывает быстрый износ отдельных участков поверхности и преждевременный выход из строя подшипника.
В качестве материала для изготовления деталей подшипников наиболее широко используется разработанная еще в 1901 г. высокоуглеродистая (0,95—1,15% С) хромистая (0,40—1,65% Сr) сталь (например, шарикоподшипниковая сталь ШХ15, содержащая 0,95—1,10% С; 1,30—1,65% Сr; 0,20—0,40% Мn; 0,15—0,35% Si; не более 0,027% Р; 0,02% S; 0,25% Сu и 0,30 Ni, или сталь ШХ15СГ, в которой больше Мn — 0,90—1,20% и Si — 0,40—0,65%). По своему составу и свойствам подшипниковая сталь примыкает к группе инструментальных сталей, но по применению она является конструкционной специального назначения.
Высокое содержание в подшипниковых сталях углерода сообщает им после термической обработки высокую прочность и стойкость против истирания. Высокая поверхностная твердость рассматриваемой стали определяется концентрацией углерода в мартенсите, и поэтому она одинакова для всех подшипниковых сталей. Твердость внутренних слоев зависит от глубины прокаливаемости, зависящей в свою очередь от содержания хрома.
Хром замедляет превращение аустенита в перлит и тем самым увеличивает прокаливаемость стали. Поэтому чем крупнее детали подшипников, тем с большим содержанием хрома применяют шарикоподшипниковую сталь для их изготовления.
В системе железо—хром—углерод образуется сложный карбид (Fe, Сr)3С и твердый раствор хрома в железе. Высокая твердость карбидов хрома повышает износостойкость шарикоподшипниковой стали. Кроме того, хром увеличивает стойкость мартенсита против отпуска, уменьшает склонность стали к перегреву, придает ей мелкозернистую структуру. Но при высоком содержании хрома (более 1,65%) трудно получить однородную структуру, поэтому в шарикоподшипниковых сталях обычно содержится не более 1,65% Сr.
Марганец, как и хром, увеличивает твердость и сопротивляемость стали истиранию и одновременно способствует росту зерна при нагреве, в результате чего при термической обработке может образоваться крупнозернистая структура перегретой стали. Отрицательное влияние на вязкость шарикоподшипниковой стали оказывает кремний.
Но марганец и кремний являются раскислителями, и чем выше их содержание, тем полнее бывает раскислена сталь. Поэтому присутствие этих элементов во всех марках шарикоподшипниковой стали желательно, но не более 0,35% Si и 0,40% Mn. Исключение составляет сталь марки ШХ15СГ, применяемая для изготовления крупных деталей. Повышенное содержание марганца и кремния в этой стали объясняется тем, что эти элементы уменьшают критическую скорость закалки, снижая тем самым склонность стали к короблению и трещинообразованию при закалке.
Вредными примесями для шарикоподшипниковой стали являются фосфор, медь и никель.
Фосфор увеличивает склонность стали к образованию крупнозернистой структуры при нагреве, повышает хрупкость стали и уменьшает ее прочность на изгиб. Это в свою очередь увеличивает чувствительность подшипников к динамическим нагрузкам и склонность изделий к образованию закалочных трещин. В связи с этим содержание фосфора в металле строго ограничивают.
Вопрос о влиянии серы на свойства подшипниковой стали нельзя считать решенным. Мнение о том, что сера оказывает отрицательное влияние, снижая устойчивость стали против истирания и способствуя ее усталостному разрушению при выходе на рабочую поверхность сульфидов, вызывает сомнения. Результаты некоторых исследований показывают, что с повышением содержания серы в шарикоподшипниковой стали до 0,05—0,10% и при соответствующем увеличении количества сульфидов продолжительность службы подшипников повышается.
Вместе с тем известно, что сера улучшает обрабатываемость стали. При очень низком содержании серы получить высококачественную поверхность рабочих тел затруднительно. По-этому не исключена целесообразность повышенного содержания серы в стали с тем, чтобы получить более совершенную рабочую поверхность и увеличить тем самым срок службы подшипника. Однако в настоящее время содержание серы в подшипниковой стали строго ограничено ГОСТ.
Медь, хотя и увеличивает твердость, предел прочности и прокаливаемость подшипниковой стали, в целом является нежелательной примесью, так как при горячей механической обработке с повышением ее содержания увеличивается образование поверхностных трещин и надрывов.
Содержание никеля ограничивается в связи с тем, что его присутствие отрицательно влияет на твердость стали.
Сопротивляемость подшипниковой стали выкрашиванию уменьшают примеси таких цветных металлов, как олово, свинец, мышьяк. Отрицательное влияние на свойства подшипниковой стали оказывают также газы: кислород, водород, азот. Влияние кислорода проявляется главным образом через образуемые им окислы — неметаллические включения. Наличие водорода увеличивает поражение подшипниковой стали флокенами, а наличие азота снижает сопротивляемость стали выкрашиванию.
К подшипниковой стали предъявляют очень жесткие требования в отношении макроструктуры, отсутствия шлаковых и газовых включений, а также карбидной ликвации и полосчатости.
Высокое содержание углерода обусловливает значительное развитие в слитках подшипниковой стали дефектов усадочного характера — усадочных раковин, общей и осевой пористости. Установлена следующая зависимость усадки при затвердевании от содержания в стали углерода:
Содержание углерода, % 0,10 0,35 0,45 0,70
Усадка при затвердевании, % 2,0 3,0 4,3 5,3
Жесткие требования, предъявляемые к однородности металла, ограничивают допустимую величину общей и осевой пористости. Для уменьшения этого дефекта подшипниковую сталь целесообразно разливать на сравнительно мелкие (до 3 т) слитки с увеличенной (до 5% и более) конусностью или с утеплением верхней части слитков.
Широкий интервал кристаллизации шарикоподшипниковой стали способствует значительному развитию ликвации примесей, в первую очередь углерода и хрома. В результате ликвации междендритные участки обогащаются углеродом и хромом, образующими карбиды. При прокатке обогащенные углеродом и хромом участки металла вытягиваются вдоль направления прокатки, образуя полосчатую неоднородность. На травленых микрошлифах этот дефект подшипниковой стали выявляется в виде полос повышенной и пониженной травимости.
Полосчатость является причиной структурной неоднородности стали после закалки, обусловливающей неоднородность свойств готовых изделий. Устранение этого дефекта достигается длительной выдержкой металла при высоких температурах (гомогенизацией).
Наряду со скоплениями мелких карбидов (полосчатостью) встречаются выделения карбидов больших размеров, также ориентированных вдоль направления прокатки. Этот дефект носит название карбидной ликвации.
Скопления грубых карбидов возникают в результате сильно выраженной дендритной ликвации в слитке углерода и хрома. На отдельных участках концентрация ликвирующих элементов может достигнуть значений, достаточных для выделения ледебуритной эвтектики. В процессе деформации ледебуритные участки принимают вид грубых строчек карбидов.
Подшипниковая сталь с выраженной карбидной ликвацией является дефектной, так как карбиды обладают высокой твердостью и хрупкостью и при выходе на рабочую поверхность деталей подшипника легко выкрашиваются. Влияние карбидов в этом отношении более вредно, чем влияние окисных и сульфидных неметаллических включений. Устранить карбидную ликвацию можно длительной выдержкой металла при температуре 1150—1160 °С, когда происходит интенсивное рассасывание хромистых эвтектических карбидов. Такую выдержку можно осуществлять, например, при нагреве под прокатку.
Карбидная неоднородность может проявиться также в виде карбидной сетки, выпадающей по границам зерен при охлаждении прокатанного металла. Карбидная сетка получает максимальное развитие в местах скопления мелких карбидов и в прокате, полученном после прокатки от верхней части слитка. Ее образование связано с дендритной ликвацией и величиной скорости охлаждения металла после прокатки.
Подавить процесс выделения заэвтектоидных карбидов, образующих карбидную сетку, можно ускоренным охлаждением металла после прокатки. Однако при этом ухудшаются условия выделения водорода, и подшипниковая сталь может быть сильно поражена флокенами. Поэтому прокат быстро охлаждают в интервале температур выделения карбидов (до 700 °С) и медленно — при более низких температурах.
Долговечность работы подшипника в значительной мере определяется количеством и типом присутствующих в металле окисных включений, так как эти включения уменьшают стойкость металла против усталостного разрушения. В закаленной шарикоподшипниковой стали неметаллические включения являются концентраторами напряжения, поэтому даже при сравнительно небольшой внешней нагрузке величина напряжений в отдельных точках может превысить предел прочности металла и вызвать его разрушение.
Особенно нежелательными среди включений являются частицы глинозема и алюмосиликатов, которые в катаном металле образуют строчки включений неправильной, часто остроугольной формы. Такие включения играют роль концентраторов напряжения и резко снижают стойкость подшипников. Поэтому одна из важных задач металлургии заключается в том, чтобы получать подшипниковую сталь с минимальным содержанием неметаллических включений.
Загрузка...
