Общее описание
Само по себе название «подшипниковая сталь» говорит о том, что соответствующий сплав применяется преимущественно в составе подшипников (для их основных частей). При эксплуатации элементы подшипников подвергаются серьезным знакопеременным напряжениям. Потому приходится создавать конструкцию с расчетом на многократные нагрузки даже в течение короткого цикла эксплуатации.
Вывод прост: настоящая подшипниковая сталь должна быть минимально восприимчива к образованию усталостных трещин и к крошению поверхности.
Интенсивность истирания во многом определяется точностью изготовления и качеством сборки подшипников. Обязательно нужно учитывать условия, в которых он подвергается нагрузке, использование смазки. В присутствии абразивных частиц и активных веществ изменение будет идти быстрее. Приходится учитывать и вероятность ударных нагрузок, и иные факторы. Все вместе это резко поднимает планку требований к конструкционным материалам.
Качественная подшипниковая сталь обязательно должна быть максимально однородна по своей структуре. Не допускается значительного вхождения неметаллических частиц и иных посторонних фрагментов. Еще с начала ХХ века активно применяют в подшипниках высокоуглеродистый хромистый сплав. В некоторых случаях куда лучшим выбором оказывается сталь с повышенным содержанием марганца. Состав и практические свойства позволяют сближать такой металл с инструментальными продуктами, но используют его как конструкционный сплав специального назначения.
Сталь подшипниковая нужна для изготовления колец, шариков и роликов подшипников качения. Для подшипников качения требуется сталь, имеющая высокую твердость, износостойкость и сопротивляемость контактной усталости. К таким требованиям подходит высокоуглеродистая хромистая сталь высокого качества, чистая по неметаллическим включениям и карбидной неоднородности.
Сталь подшипниковую изготовляют из марок ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ.
Хром увеличивает твердость и износостойкость стали и обеспечивает необходимую прокаливаемость. Легирование кремнием и марганцем проводят для повышения прокаливаемости и применяют для сталей, которые используются для изготовления крупногабаритных подшипников (с толщиной стенки более 10 мм).
Сопротивление контактной усталости напрямую зависит от наличия различных металлургических дефектов (сульфидных и оксидных включений, пористости и др.), которые, попадая 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.
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 таблице.
Перспективным является применение индукционного нагрева для закалки деталей подшипников качения, что дает возможность получить твердый поверхностный слой с сохранением вязкой сердцевины. Так разработан и внедрен в массовое производство процесс объемно-поверхностной закалки колец тяжело нагруженных подшипников для букс железнодорожных вагонов из стали марки ШХ4 с ограниченной прокаливаемостью. И хотя в этом случае закаливаемые кольца подшипника нагреваются индукционным способом насквозь (толщина колец 12–20 мм), из-за ограниченной прокаливаемости стали марки ШХ4 образуется закаленный слой со структурой мартенсита толщиной всего 2,5–3,5 мм (61-64 НRС). Сердцевина кольца остается более мягкой (36– 42 НRС) и вязкой, имея при этом структуру троостита и сорбита. Кольца подшипников после такой ТО характеризуются высокими показателями конструктивной прочности.
Подшипники качения – важные детали многих машин и механизмов, поэтому стали для их производства являются конструкционными, по составу и свойствам они близки к инструментальным из-за работы при высоких локальных нагрузках.
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% Сr (типа ШХ15), обработанные закалкой и низким отпуском для максимальной твердости. В марке стали ШХ15 (ГОСТ 801-78) буква Ш означает «шарикоподшипниковая», а 15 – содержание Сr в десятых долях процента. Сталь содержит 0,95– 1,05% С и 1,30–1,65% Сr.
2. Высокое сопротивление контактной усталости. Оно зависит от количества сульфидных и оксидных включений, а также от содержания водорода, которые понижают долговечность и способствуют ускорению разрушения из-за контактной усталости. Отсюда требования по чистоте в отношении неметаллических включений к карбидной неоднородности. Способ борьбы с неметаллическими включениями – рафинирующие переплавы. Если принять за 100% содержание включений в ШХ15 открытой выплавки, то 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 от пылевидных частиц грунта, поэтому присутствие в стали Сr благотворно тем, что он увеличивает количество карбидной фазы и позволяет получить твердые специальные карбиды.
4. Размерная стабильность – довольно сильно важный параметров подшипника качения, поскольку изменения размеров приводят к заклиниванию подшипника и его разрушению. Допустимые изменения размеров менее 10~5 мм, они зависят от содержания остаточного аустенита. Чем меньше доля остаточного аустенита, тем лучше, так как при высоких нагрузках может произойти переход его в мартенсит с изменением объема.
Для подшипников специального назначения, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионностойкие (нержавеющие) подшипниковые стали. Они содержат 18% Сr и 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, НRС 58–60.
Для подшипников, работающих при повышенных температурах применяются 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.
Из дисперсионно-твердеющей стали 8Х4В9Ф2Ш делают теплостойкие подшипники. При повышении температуры отпуска у данной стали наблюдается провал твердости НRС при 250–400 °С, что соответствует распаду мартенсита. При нагреве выше 400 °С твердость вновь повышается, начинается вторичное твердение, максимум твердости достигается при температуре 500-550 °С. Термообработка теплостойкой стали 8Х4В9Ф2Ш включает в себя ступенчатый нагрев под закалку – вначале 800 °С для снятия напряжений, вызванных запаздыванием нагрева 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 НRС 59.
Рассмотрев подшипниковые стали, можно сделать вывод что существует очень множество нюансов при выборе стали для подшипников, а также многое зависит от назначения подшипников.
Свойства
В сталь для подшипников обязательно вводят значительное количество углерода. Этот компонент гарантирует превосходную прочность и предотвращает истирание. Именно по насыщенности мартенсита углеродом можно судить о твердости готовой поверхности. В норме этот показатель идентичен для всех подшипниковых сплавов – как обычных, так и применяемых в особых условиях. Твердость расположенных глубоко слоев определяется уровнем прокаливаемости, а на него, в свою очередь, влияет прежде всего концентрация хрома.
Чем больше этого легирующего элемента добавляют, тем медленнее аустенит будет преобразовываться в перлит. Особенно много его должно быть при изготовлении крупных частей. Карбиды хрома тверды и обеспечивают отличную износостойкость. Они же гарантируют, что мартенсит сможет перенести отпуск очень хорошо и уменьшит восприимчивость металла к перегреву.
Последний момент позволяет проводить термическую обработку практически безбоязненно.
Однако и это свойство, и мелкозернистость не позволяют игнорировать тот факт, что при избытке хрома однородность стали нарушается. Практически всегда поэтому его вводят не более 1,65%. Исключения связаны с совершенно особыми случаями, когда негативным эффектом вполне можно пренебречь. Роль марганца — наращивание твердости и стойкости к истиранию. Правда, этот компонент активизирует рост прогреваемых зерен, что повышает опасность перегрева.
Кремний плох тем, что из-за него неоправданно снижается вязкость. Все же надо понимать, что кремний и марганец — раскислители. Увеличивая их содержание до определенного уровня, добиваются максимального раскисления стали. Однозначно вредны медь, фосфор и никель — от них стараются избавляться всеми средствами. Под влиянием фосфора повышается опасность возникновения крупных зерен, хрупкость металла растет, а сопротивляемость изгибающей нагрузке падает.
А вот роль серы не может быть оценена однозначно, как в случае с иными сталями. При ее отсутствии или очень низком содержании обработка поверхности усложняется. В некоторых случаях вовсе не удается получить высококачественные изделия. Мнения части специалистов о сокращении срока эксплуатации подшипников из сернистой стали и их высоком усталостном разрушении все чаще критикуются. И все же концентрацию серы стремятся ограничить.
Медь, несмотря на повышение твердости сплава и улучшение его прокаливаемости, признана нежелательным компонентом. Не меняет дела и рост предела прочности. Это связано с высоким риском возникновения трещин и надрывов на поверхности при горячей механообработке. Никеля также не должно быть много, потому что он не позволяет добиться твердости металла. Интенсивность крошения зависит от присутствия свинца, олова и мышьяка.
Негативный эффект еще бывает связан с:
Планка требований к подшипниковой стали высока и по другим критериям. Очень важна строго выдержанная макроструктура. Недопустимы любые включения шлаков и газов. Под запрет попадают все карбидные ликвации, а также полосчатость. При значительном количестве углерода велика опасность возникновения усадочных дефектов, таких как раковины и пористость.
Особенно критичны осевая и суммарная виды пористости. Борьба с этими проблемами ведется за счет отливки некрупных (не более 3000 кг слитков). Их конусность увеличивают как минимум на 5%. Иногда прибегают к утеплению верхушек слитков. Из-за обширного кристаллизационного интервала ликвация примесей развивается очень интенсивно — особенно это характерно для хрома и углерода.
Такие элементы превращаются в карбиды. В ходе прокатки проблемные участки тянутся в том же направлении. Как результат — появляются неоднородные полосы. Разница между ними касается и подверженности травлению.
Избежать подобной ситуации помогает долгая выдержка заготовок при сильном нагреве, она же гомогенизация.
Значительная карбидная ликвация считается абсолютно недопустимым нарушением из-за твердости и хрупкости образующих ее веществ. В итоге сложный участок склонен крошиться. Предотвращение карбидной ликвации достигается при долгой выдержке металла на 1150-1160 градусах. Такой режим гарантирует исчезновение эвтектических карбидов. Без этой процедуры нельзя нагревать металл перед дальнейшей прокаткой.
Шарикоподшипниковые стали делят на 2 основательные группы. Одна из них выпускается для задействования при сильном разогреве и в разъедающей среде. Такие сплавы дополнительно подразделяют на теплостойкую и нержавеющую (вернее, коррозионностойкую) подгруппы. Иной разряд специализирован для применения в типовых условиях. Обычно подразумевается легирование кремнием и молибденом.
Обзор марок подшипниковых сталей и их применение
Ознакомиться с обзором марок подшипниковых сталей и их применением будет очень полезно для практиков. Стоит изучить маркировку шарикоподшипниковых сталей и узнать, из какой конкретно стали обычно делают обойму подшипников. Необходимо также изучить твердость сталей и их состав, особенности применения и конкретные свойства.
Выплавка
В РФ и других странах постсоветского пространства подшипниковые стали плавят в электродуговых печах. На долю кислых мартеновских печей приходится лишь 10% вырабатываемого сплава. Во втором случае речь может идти как об активной плавке, так и о восстановлении кремния. Обе эти металлургические технологии оказываются весьма хороши. Активный метод означает введение известняка, руды и других необходимых веществ напрямую во время работы.
В описываемой практике потенциал кремния при окислении весьма высок. Восстановительная способность его уменьшается. Понижается мобильность жидкого шлака. Восстановительная методика позволяет исключить добавление посторонних веществ в процессе плавки.
Кремнезем имеет важную роль — благодаря ему шлаковый расплав при повышении температуры насыщается очень эффективно.
Электродуговые печи могут вести обработку руды синтетическим шлаком, в котором содержится много глинозема. Сам шлак перед подачей в ковш обрабатывают по особой технологии в другом аппарате. Металл может быть обработан также и за счет шлака, появившегося в самой печи. Оба эти варианта допускают как переплав, так и введение свежей шихты.
Раскисление производится за счет присадки кускового алюминия. Дорабатывать подшипниковые стали после плавки можно за счет:
Из-за суровых ограничений по концентрации вредных примесей наиболее практично производство со свежей шихтой. Отходы применяют при плавке сталей с большим количеством легирующих компонентов. При большом объеме отходов выбирают переплавную методику. Емкость используемых печей преимущественно колеблется от 10 до 200 тонн. Сами печи требуется основательно футеровать. После плавки стали с вредными для подшипников компонентами понадобится несколько промывных плавок.
Качественная шихта должна быть сделана из отходов углеродистой стали. В ней не допускается наличие чугуна. Добавить углерод можно в виде кокса либо боя электродов. Его концентрация в шихте может достигать 1,2-1,3%. Окислительный шлак позволяет еще в момент плавления быстро окислять фосфор.
Примеси окисляют как железной рудой, так и кислородом (в газообразной форме). Так как подшипниковые стали флокеночувствительны, надо минимизировать присутствие водорода. Когда окислительный шлак скачан, а металл науглеродили, ванну раскисляют. Для этой цели применяют металлические раскислители.
Практикуется еще и вакуумная обработка, которую на передовых предприятиях сочетают со шлаковой методикой.
Маркировка и марки
Обычно шарикоподшипниковые стальные сплавы подразделяют на:
В последнем случае может практиковаться дополнительная цементация. Ее глубина составляет 0,08-0,35 см. В некоторых случаях дополнительно наклепывают поверхность. Это позволяет повысить стойкость к усталостным воздействиям. Стали 20Х18Н4А и 18ХГТ, а также 95Х18 маркируются так же, как и все конструкционные сплавы, вообще.
Стали категории «ШХ» обозначаются иначе. Литера «Ш» говорит о шарикоподшипниковой категории. Символ «Х» свидетельствует о наличии хрома. Цифры после нее показывают концентрацию хрома (в десятых долях процента). В любом случае концентрация углерода составляет примерно 1%.
В ряде случаев маркировка включает указания на концентрацию кремния и марганца. Ее расписывают в точном соответствии с государственными стандартами.
При использовании специализированных вариантов выплавки маркировка включает дополнительные символы после дефиса. Буква «Ш» там значит получение путем электрошлакового переплава (если есть буква «Д» — то она говорит о двойном переплаве). Символ «В» пишут для металла, который вакуумировали вне печи, а «ПВ» показывает использование методики прямого восстановления.
В основном подшипниковые стали используются для изготовления подшипников качения и других подшипниковых изделий — шариковых, радиально-упорных, самоустанавливающихся и прочих типов. Помимо основных частей подшипников, из них делают еще и обоймы. Такие обоймы довольно надежны, весьма стойко переносят износ и имеют вполне приличное качество. Но на этом сферы применения подшипниковых сталей не заканчиваются.
Из них изготавливают и многие другие изделия. В основном речь идет про выработку ножей и прочих бытовых товаров. Чаще всего для ножевого производства отпускают хромистую сталь ШХ15, отличающуюся низким уровнем легирования. Подобный сплав хорошо переносит коррозионные воздействия и мало подвержен износу, к тому же он довольно твердый.
Грамотная термическая обработка позволит нарастить твердость материала без потери его пластичности и вязкости.
