Подшипниковые стали
Подшипниковые стали
Подшипники – один из основных и ответственных элементов большинства машин и механизмов. К особенностям характера работы подшипников относятся высокие локальные нагрузки. Основные напряжения в деталях подшипников при эксплуатации возникают вследствие многократно повторяющегося контактного нагружения колец и тел качения. Кроме того, детали подшипников могут подвергаться изнашиванию (из-за проскальзывания катящихся тел), динамическим нагрузкам, воздействию коррозионных сред и повышенных температур. По составу и свойствам подшипниковые стали близки к инструментальным.
Основные требования к подшипниковым сталям
1. Высокая статическая грузоподъемность – предельная нагрузка, при которой остаточные деформации в зоне контакта не превышают 0,01 % от диаметра шарика или ролика. Давление в зоне контакта при работе подшипника достигает 2000 – 4000 МПа, поэтому требуется высокое сопротивление пластической деформации. Это осуществляется применением в качестве материала для подшипников заэвтектоидных легированных хромом сталей, обработанных на высокую твердость (> HRC 60).
2. Износостойкость, в том числе абразивная. Определяется не только твердостью матрицы, но и дисперсными включениями твердых специальных карбидов. Для их образования вводится хром до 2,0 % при ~ 1,0 % углерода.
3. Высокое сопротивление контактной усталости. Эта характеристика чрезвычайно сильно зависит от чистоты металла по неметаллическим включениям (особенно сульфидным и оксидным), от карбидной неоднородности (сетка карбидов, строчечные включения), а также от содержания водорода, поскольку подшипниковые стали флокеночувствительные. Поскольку сопротивление контактной усталости сильно зависит от наличия металлургических дефекторв различного рода, то при производстве подшипниковых сталей особое внимание уделяется рафинирующим переплавам. Применяют электрошлаковый (ЭШП), вакуумнодуговой (ВД), плазменный, электронно-лучевой переплавы. Рафинирующие переплавы позволяют значительно снизить загрязненность стали неметаллическими включениями, что, естественно, удорожает сталь. Если принять за 100 % содержание включений в стали ШХ15 открытой выплавки, то для стали, обработанной синтетическим шлаком (ШХ15Ш), оно составляет 45 %, для той же стали вакуумно-дуговой выплавки (ШХ15ВД) 35 %, а для стали, обработанной шлаком и дополнительно переплавленной вакуумно-дуговым способом (ШХ15ШД), 25 %. При этом оставшиеся включения более равномерно распределяются в объеме слитка, уменьшается и средний размер включений. Снижается также закрязненность газами и вредными примесями.
Не менее вредным фактором, с точки зрения контактной усталости, является карбидная неоднородность (карбидная сетка, строчечные включения карбидов и т.п.). Способ устранения этого дефекта заключается в проведении оптимальной пластической и термической обработки.
4. Высокое сопротивление малым пластическим деформациям. Это требование наиболее актуально для подшипников точных приборов.
Рекомендуемые материалы
5. Размерная стабильность. В зависимости от размеров и класса точности подшипников изменения размеров при эксплуатации не должны превышать 10–4 – 10–5 мм. Размерная стабильность зависит от содержания остаточного аустенита в стали. При увеличении количества остаточного аустенита размерная стабильность ухудшается, так как остаточный аустенит является нестабильной структурной составляющей и при высоких нагрузках может превращаться в мартенсит, что сопровождается объемными изменениями.
6. Хорошая прокаливаемость в больших сечениях.
7. Достаточная вязкость.
8. Экономичность легирования.
Классификация подшипниковых сталей
Подшипниковые стали обычно классифицируются по условиям работы: различают стали общего назначения, используемые для изготовления деталей подшипников (колец, шариков, роликов), работающих при температурах –60÷300 °С в неагрессивных средах, и стали специального назначения, предназначенные для изготовления теплостойких и коррозионностойких подшипников. Составы сталей для подшипников общего назначения регламентируются ГОСТ 801-78, а подшипников специального назначения – соответствующими ТУ.
Легирование подшипниковых сталей
Подшипниковые стали в основном заэвтектоидные (около 1,0 % С) в отожженном состоянии. В нормализованном состоянии они относятся к перлитному классу. Основной легирующий элемент – хром, который определяет состав карбидной фазы и обеспечивает требуемую прокаливаемость. При необходимости увеличить прокаливаемость (для крупногабаритных подшипников, у которых толщина стенок колец более 10 мм, а ролики диаметром более 20 мм) стали дополнительно легируют кремнием (0,40–0,85 %) и марганцем (0,90–1,70 %). Кроме того, кремний при отпуске замедляет распад мартенсита в интервале температур 150–350 ºС и вследствие этого дает более высокие значения твердости.
Наиболее часто для изготовления деталей подшипников применяют стали: ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, ШХ4.
Для деталей крупногабаритных подшипников, работающих при повышенных контактных напряжениях и ударных нагрузках (например, подшипники прокатных станов, буровых установок и т.п.), применяют цементуемые низкоуглеродистые легированные стали: 18ХГТ, 20ХН3А, 20ХНМ, 20Х2Н4А и др. Детали из таких сталей подвергаются цементации с последующей термообработкой (закалка и отпуск). Эти стали обеспечивают высокую прокаливаемость, вязкость сердцевины, контактную прочность. Однако твердость сердцевины должна быть не менее HRC 35–45 во избежании продавливания цементованного слоя при эксплуатации.
Теплостойкие подшипники качения должны обладать высокой твердостью, в том числе при рабочих температурах (горячая твердость), которая определяет несущую способность подшипника, достаточной контактной выносливостью в рабочем интервале температур, высоким сопротивлением ползучести и релаксации напряжений при воздействии динамических нагрузок и температуры, определенными заданными значениями некоторых физических свойств, например, термического коэффициента расширения (во избежании потери натяга в паре с сопряженным металлом), высоким сопротивлением контактной ползучести (длительная горячая твердость). Для работы при повышенных температурах (более 300 ºС) применяют теплостойкие стали типа 8Х4М4В2Ф1Ш и 8Х4В9Ф2Ш. Высокая теплостойкость этих сталей достигается при совместном легировании вольфрамом и молибденом. Их суммарное содержание должно удовлетворять соотношению W + 2Мо = (7–10) %. Меньшее содержание не позволяет получить достаточную теплостойкость и структурную стабильность.
Содержание хрома в теплостойких подшипниковых сталях обычно составляет 4,0–5,0 %. Содержание ванадия ограничивается 1,0–1,7 %, поскольку ванадий ухудшает шлифуемость стали. Из-за необходимости уменьшения карбидной неоднородности содержание углерода ограничивается 0,8 %. Эти стали относятся к дисперсионнотвердеющим. Они подвергаются закалке с температуры 1220–1240 ºС для стали 8Х4В9Ф2Ш и 1130–1160 ºС для стали 8Х4М4В2Ф1Ш в горячем масле (80–130 ºС) и последующему трехкратному отпуску при 565–580 ºС в течение 2 ч при каждом отпуске с охлаждением на воздухе. Твердость после термической обработки составляет HRC 60–64. Микроструктура – скрыто- и мелкоигольчатый мартенсит и избыточные карбиды.
Для деталей подшипников, работающих в агрессивных средах, применяются коррозионностойкие стали, содержание около 18 % хрома, поскольку необходимо обеспечить одновременно достаточную теплостойкость и коррозионную стойкость. В основном применяют сталь 95Х18Ш (0,9–1,1 % С). Термическая обработка включает закалку, обработку холодом и низкотемпературный отпуск при 150–160 ºС в течение 3 ч. Твердость после термообработки составляет HRC 58–62; микроструктура – скрыто- и мелкокристаллический мартенсит и избыточные карбиды.
Подшипники из коррозионностойких сталей, предназначенные для работы при повышенных температурах, отпускают при 400–420 ºС в течение 5 ч, при этом твердость понижается до HRC 55.
Для деталей подшипников, работающих при повышенных температурах, наряду с высокохромистыми сталями применяют стали типа быстрорежущих, в которых обеспечивается горячая твердость HRC 56–58. Необходимо только еще раз отметить, что применение любых сталей, в том числе быстрорежущих, требует применения шлакового или другого рафинирующего переплава.
Производство деталей подшипников является весьма дорогостоящим, поскольку велики расходы металла при обработке резанием. В настоящее время внедряется производство деталей подшипников методами порошковой металлургии. Это позволяет резко снизить металлоемкость производства в некоторых случаях без заметного снижения качества подшипников.
Термическая обработка деталей подшипников из сталей
типа ШХ (ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ)
Предварительная термическая обработка поковок – смягчающий сфероидизирующий отжиг, при котором обеспечивается растворение определенной части карбидной фазы в аустените и образование зернистого перлита. Сталь со структурой зернистого перлита обеспечивает хорошую производительность резания и качество обрабатываемой поверхности при обработке заготовок на станках–автоматах. Однородный мелкозернистый перлит является оптимальной исходной структурой для последующей закалки, т.к. глобулярная форма и равномерное распределение карбидов наилучшим образом соответствует оптимальному по прочности и вязкости структурному состоянию стали после закалки (мелкие карбидные глобули равномерно распределенные в мартенсите). Твердость после отжига сталей ШХ15, ШХ4 находится в пределах НВ179-207, а сталей ШХ15СГ и ШХ20СГ НВ 179-217.
Готовые детали подшипников подвергают ступенчатой или изотермической закалке от 850–900 °С. Выбор такой температуры нагрева обусловлен, с одной стороны, необходимостью растворить карбиды хрома в аустените, а с другой – не допустить чрезмерного роста зерна аустенита. Кроме того, повышение температуры закалки приводит к существенному снижению мартенситной точки Мн и, как следствие этого, к образованию остаточного аустенита, что для подшипниковых сталей нежелательно.
В настоящее время применяется как закалка в одном охладителе, так и ступенчатая или изотермическая закалка с выдержкой в области образования нижнего бейнита при 210–240 °C. Для марганецсодержащих сталей изотермическую закалку не применяют из-за чрезмерно высокой устойчивости переохлажденного аустенита в бейнитной области. Весьма перспективно применение для закалки деталей подшипников индукционного нагрева. Это увеличивает производительность и экономичность термических агрегатов, а также позволяет получить полностью закаленный поверхностный слой с сохранением высокой вязкости сердцевины. Твердость поверхности при любом способе закалки должна быть на уровне HRC 60–66.
Окончательной операцией термической обработки подшипниковых сталей является низкотемпературный отпуск, цель которого уменьшение закалочных напряжений. Благодаря ему достигается повышение вязкости (за счет уменьшения тетрагональности мартенсита и внутренних напряжений), размерная и структурная стабильность деталей. Отпуск деталей подшипников из стали ШХ15 осуществляют при 150–165 ºС, а из сталей ШХ15СГ и ШХ20СГ – при 165–175 ºС. После окончательной термообработки твердость колец и роликов из стали ШХ15 должна быть в пределах HRC 61–65, а из стали ШХ15СГ – в пределах HRC 60–64. Микроструктура представляет собой скрытокристаллический мартенсит отпуска и равномерно распределенные глобулярные избыточные карбиды хрома. Содержание остаточного аустенита должно быть минимальным.
Вопросы для самоконтроля
1. Каковы условия работы деталей подшипников?
2. Какие требования предъявляются к подшипниковым сталям?
3. С какой целью проводят рафинирующие переплавы при производстве подшипниковых сталей?
4. Как классифицируются подшипниковые стали?
5. Каковы принципы легирования, роль легирующих элементов и области применения подшипниковых сталей общего назначения?
6. Какие стали применяются в качестве материала для изготовления теплостойких и коррозионностойких подшипников? Каковы принципы их легирования и термообработка?
Рекомендуем посмотреть лекцию "81 Яйца и яичные продукты".
7. Какой предварительной и окончательной термообработке подвергаются детали подшипников из сталей типа ШХ?
Литература
1. Гольдштейн М.И. Специальные стали /М.И. Гольдштейн, С.В.Грачев, Ю.Т. Векслер. –М.: МИСИС. – 1999. – 408 с.
2. Башнин Ю.А. Технология термической обработки стали / Ю.А. Башнин, Б.К. Ушаков, А.Г. Сеней. – М.: Металлургия, 1986. – 424 с.
3. Раузин Я.Р. Термическая обработка хромистой стали / Я.Р. Раузин. – М.: Металлургия, 1978. – 277 с.
4. Спектор А.Г. Структура и свойства подшипниковых сталей / А.Г. Спектор, Б.М. Зельбет, С.А. Киселева. – М.: Металлургия, 1980. – 264 с.
