| Хромистая сталь ШХ15 | Высокоуглеродистая хромистая, T≤120°C | Подавляющее большинство колец и тел качения, кольца толщиной менее 10 мм, ролики до 22 мм |
| Хромистая сталь ШХ15СТ | Повышенная прокаливаемость, содержит больше кремния и марганца | Кольца толщиной менее 30 мм и ролики диаметром более 22 мм |
| Хромистая сталь ШХ20СТ | Содержит еще больше кремния и марганца, чем ШХ15СТ | Кольца толщиной более 30 мм |
| Хромистая сталь ШХ4 | Индукционная закалка | Железнодорожные подшипники |
| Хромистые стали ШХ15-Ш, ШХ15ШД | Уменьшенное содержание неметаллических включений | Подшипники повышенной долговечности и надежности |
| Цементуемая сталь 18ХГТ | Поверхностный сплав повышенной твердости и мягкая сердцевина после термической обработки | Кольца роликовых подшипников |
| Цементуемая сталь 20Х2Н4А | Поверхностный сплав повышенной твердости и мягкая сердцевина после термической обработки | Кольца и ролики крупногабаритных подшипников |
| Цементуемые стали 15Г1, 15Х, 08, 10 | Позволяют проводить химико-термическую обработку деталей | Штампованные кольца роликовых игольчатых подшипников |
| Низколегированная сталь 55ХФА | Содержание углерода 0.45 — 0.55%, закалка рабочих поверхностей токами сверхвысокой частоты | Кольца поворотных опор, кранов и экскаваторов |
| Сталь 95Х18-Ш | Ко |
pellete.ru
Стали для подшипников
К подшипниковым сталям предъявляются высокие требования в основном по твердости, износостойкости и пределу усталости. Эти требования обеспечиваются сочетанием оптимального химического состава и термической обработки на необходимую твердость. Для шарикоподшипниковых сталей общего назначения (типа ШХ15) твердость после термообработки обычно составляет 60-64 HRC (закалка + низкий отпуск 150 — 190°C, 1,5-2 часа).
Кроме этого, часто к подшипниковым сталям предъявляются требования по минимальному содержанию неметаллических включений и карбидной ликвации, которые могут вызывать преждевременную поломку изделия.
Кроме закалки и отпуска, для сталей, от которых требуется размерная стабильность, применяют обработку холодом при -80°C.
Большинство шарикоподшипниковых сталей содержат в структуре хром, который способствует образованию карбидов. Благодаря этому повышается твердость и износостойкость шариков и роликов. Хромистая сталь, например ШХ15, после закалки и низкого отпуска будет иметь в структуре низкоотпущенный мартенсит и небольшое количество карбидов.
Марки подшипниковых сталей
Стали для подшипников подразделяются на стали общего назначения (ШХ15, ШХ20СГ), стали работающие в условиях агрессивных сред (95Х18) и стали для подшипников, работающих при динамических нагрузках (20Х18Н4А, 20Х18Н4ВА, 18ХГТ). Последняя группа сталей упрочняется цементацией на слой 0,8 — 3,5 мм. и иногда дополнительно подвергается наклепу поверхности, который позволяет повысить усталостные характеристики стали.
Маркировка сталей для подшипников
Стали 20Х18Н4А, 20Х18Н4ВА, 18ХГТ, 95Х18 маркируются, как все конструкционные стали.
В сталях группы ШХ, буква Ш показывает, что это шарикоподшипниковая сталь, а буква Х с последующими цифрами обозначают содержание хрома. Так, например, в стали ШХ15 содержится около 1,5%Cr (1.3 — 1.65%Cr по ГОСТ 801-78). Все стали этой группы содержат примерно 1% углерода. По тому же ГОСТ 801-78, химический состав этих сталей выглядит следующим образом
Кроме хрома в маркировке могут указываться кремний и марганец — ШХ15СГ, ШХ20СГ (см. химсостав по ГОСТу).
Подшипниковые стали, полученные специальными методами выплавки, дополнительно обозначают через дефис в конце наименования марки следующими буквами:
Ш — электрошлаковый переплав (ШХ15СГ-Ш). Встречается обозначение ДШ — двойной переплав
В — внепечная обработка с вакуумированием
ПВ — прямое восстановление
Материалы подшипников
Материалы
Подшипники качения применяют в разнообразных условиях: при отрицательных и положительных температурах; в нейтральных и агрессивных средах (морская вода, кислоты). В связи с этим детали подшипников изготавливают из различных материалов. Ниже приведены сведения только о наиболее распространенных
Подавляющее большинство колец и тел качения подшипников, предназначенных для работы в неагрессивных средах при температуре менее +120°С (иногда более высоких), изготавливают из высокоуглеродных хромистых сталей, химический состав которых приведен в табл.1. Наиболее распространенной из них является сталь ШХ15. Из этой стали изготавливают шарики всех размеров, кольца толщиной менее 10 мм и ролики диаметром до 22 мм. Ее аналогами являются: 100Cr6 — в Германии, SKF-3 — в Швеции, 52100 — в США, SUJ2 — в Японии. Для колец подшипников толщиной менее 30 мм и роликов диаметром более 22 мм применяют сталь ШХ15СГ. По сравнению со сталью ШХ15 она (для повышения прокаливаемости) содержит несколько больше кремния и марганца. Для колец толщиной более 30 мм применяют сталь ШХ20СГ, которая содержит еще большее количество этих элементов, а для колец железнодорожных подшипников, подвергающихся индукционной закалке, — сталь ШХ4.
В процессе выплавки в сталь со шлаками и из футеровки попадают неметаллические включения. Вблизи крупных включений, особенно глобулярных оксидов, а также нитридов, в процессе работы подшипников зарождаются усталостные микротрещины, которые, сливаясь, проводят к выкрашиванию частиц металла. При различной степени металлургической загрязненности стали в допустимых стандартом пределах средняя долговечность партии подшипников может колебаться ориентировочно до 5 раз.
Для подшипников к которым предъявляются повышенные требования по долговечности и надежности, применяют стали подвергнутые специальным переплавам, уменьшающим содержание неметаллических включений (ШХ15-Ш), а также двойной переплав: электрошлаковый и вакуумно-дуговой (ШХ15-ШД).
Табл.1. Химический состав хромистых подшипниковых сталей типа ШХ (ГОСТ 801), %
| Марка | C | Si | Mn | Cr | S | P | Ni | Cu | Ni+Cu |
| Не более | |||||||||
| ШХ15 | 0,95÷1,05 | 0,17÷0,37 | 0,20÷0,40 | 1,30÷1,65 | 0,02 | 0,027 | 0,30 | 0,25 | 0,50 |
| ШХ15СГ | 0,95÷1,05 | 0,40÷0,65 | 0,90÷1,20 | 1,30÷1,65 | 0,02 | 0,027 | 0,30 | 0,25 | 0,50 |
| ШХ20СГ | 0,90÷1,00 | 0,55÷0,85 | 1,40÷1,70 | 1,40÷1,70 | 0,02 | 0,027 | 0,30 | 0,25 | 0,50 |
| ШХ4 | 0,95÷1,05 | 0,15÷0,30 | 0,15÷0,30 | 0,35÷0,50 | 0,02 | 0,027 | 0,30 | 0,25 | 0,50 |
Кроме сталей типа ШХ для колец и тел качения используют также цементуемые стали, которые после химико-термической обработки имеют твердый поверхностный слой (59 … 66 HRCэ) и более мягкую сердцевину (около 36 HRCэ). Кольца роликовых подшипников — из стали 20Х2Н4А, а штампованные кольца роликовых игольчатых подшипников из сталей 15Г1, 15Х, 08, 10. Химический состав некоторых из перечисленных цементуемых сталей приведен в табл.2. Твердость поверхности деталей подшипников из наиболее часто применяемых сталей приведена в табл.3.
Табл.2. Химический состав сталей для деталей подшипников, подвергающихся химико-термической обработке, %
| Марка | C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo |
| 15Г1 | 0.12÷0.19 | 0.17÷0.37 | 0.70÷1.00 | — | — | — |
| 18ХГТ | 0.15÷1.21 | 0.17÷0.37 | 0.90÷1.20 | 0.90÷1.20 | — | — |
| 20Х2Н4А | 0.16÷1.22 | 0.17÷0.37 | 0.30÷0.60 | 1.25÷1.65 | 3.25÷3.65 | — |
Табл.3. Твердость колец и роликов HRCэ , из сталей наиболее часто применяемых марок (ГОСТ 520), работающих при температуре до 100°С
| Марка | Кольца с толщиной стенки до 35 мм и ролики диаметром до 55 мм. | Кольца с толщиной свыше 35 мм и ролики диаметром свыше 55 мм. |
| ШХ4 | 61 ÷ 64 | |
| ШХ15, ШХ15-Ш, ШХ15-В | 62 ÷ 66 | 59 ÷ 63 |
ШХ15СГ, ШХ15СГ-В, ШХ15СГ-Ш, ШХ20СГ | 61 ÷ 65 | |
| 15Г1 | 58 ÷ 62 | |
| 18ХГТ | 62 ÷ 66 | 59 ÷ 63 |
| 20Х2Н4А | 59 ÷ 66 | |
Кольца подшипников, предназначенных для поворотных опор кранов, экскаваторов и некоторых других механизмов, получают обычно из низколегированных сталей с содержанием углерода 0,45 — 0,55%, например из стали 55ХФА. Рабочую поверхность закаливают после нагрева ТВЧ (иногда пламенной горелкой). Детали подшипников, предназначенных для работы в агрессивных средах, изготавливают из коррозийно-стойких сталей (табл.4.) В России кольца и тела качения средних и крупных размеров производят из стали 95Х18-Ш, приборные подшипники — из стали 11ОХ18М-ШД. Твердость колец и тел качения из коррозийнно-стойких сталей обычно близка к 55 ÷ 61 HRCэ. Подшипники из этих сталей могут использоваться при температурах до 350°С. Для колец и тел качения теплопрочных подшипников используется сталь 8Х4В9Ф2-Ш или 8Х4М4В2Ф1-Ш, которая содержит меньшее количество дефицитного вольфрама, но обладает лучшими механическими свойствами, чем сталь 8Х4В9Ф2-Ш и более технологична в термообработке. Подшипники из сталей могут использоваться при температуре до 500°С. Химический состав некоторых теплопрочных подшипниковых сталей дан в табл.5. Твердость колец и тел качения теплопрочных подшипников обычно составляет 60 ÷ 65 HRCэ.
Табл.4. Химический состав коррозийно-стойких подшипниковых сталей, %
| Страна | Марка | C | Cr | Mo | V | Si | Mn | Ni |
| Россия | 95Х18-Ш | 0,90÷1,00 | 17,0÷19,0 | — | — | Менее 0,80 | Менее 0,70 | — |
| 110Х18М-ШД | 1,10÷1,20 | 16,5÷18,0 | 0,50÷0,80 | — | 0,53÷0,93 | 0,50÷1,00 | — | |
| США | 440С | 0,95÷1,20 | 16,0÷18,0 | Менее 0,75 | — | Менее 1,00 | Менее 1,00 | — |
| 440СМ | 0,95÷1,20 | 13,0÷14,5 | 3,80÷4,50 | — | — | — | — | |
| Германия | Х45Cr 13 | 0,42÷0,50 | 12,5÷14,5 | — | — | — | Не более 1,0 | — |
| X102CrMo 17 | 0,95÷1,10 | 16,0÷18,0 | 0,35÷0,75 | — | Не более 1,00 | Не более 1,00 | Не более 0,50 | |
| X90CrMoV 18 | 0,85÷0,95 | 17,0÷19,0 | 0,90÷1,30 | 0,07 ..0,12 | — | — | — |
Табл.5. Химический состав теплопрочных подшипниковых сталей, %
| Страна | Марка | C | Cr | Mo | W | V |
| Россия | 8Х4В9Ф2-Ш | 0,70÷0,80 | 4,00÷4,60 | Менее 0,30 | 8,5÷9,5 | 1,40÷1,70 |
| 8Х4М4В2Ф1-Ш | 0,75÷0,85 | 3,90÷4,40 | 3,90÷4,40 | 1,5÷2,0 | 0,90÷1,20 | |
| США | М50 | 0,77÷0,85 | 3,75÷4,25 | 4,00÷4,50 | — | 0,90÷1,10 |
| Германия | 80MoCrV 42 16 | 0.77÷0.85 | 3.75÷4.25 | 4.00÷4.50 | — | 0.90÷1.10 |
| 82WMoCrV 6 5 4 | 0.78÷0.86 | 3.80÷4.50 | 4.70÷5.20 | 6.0÷6.7 | 1.70÷2.00 | |
| X75 WCrV 18 4 1 | 0.70÷0.78 | 3.80÷4.50 | Менее 0,60 | 17,5÷18,5 | 1,00÷1,20 |
Все большее распространение получают подшипники с шариками из нитрида кремния Si3N4. Этот материал обладает значительно более высокой, чем применяемые стали, теплопрочностью и контактной долговечностью. Плотность нитрида кремния составляет около 3,2/см3 (закаленной стали ШХ15 7,8 г/см3. Благодаря этому при высокой частоте вращения развиваются меньшие центробежные силы. Коэффициенттрения пары нитрид кремния-сталь меньше, чем пары сталь- сталь. Поэтому тепловыделение при работе таких подшипников меньше, чем стальных. Подшипники с шариками из нитрида кремния находят применение в высокоскоростных узлах.
Штампованные сепараторы подшипников общего применения изготовляют главным образом из низкоуглеродистых сталей 08кп, 08пс, 10кп, 10пс, реже из латуней ЛС 63 и ЛС 59-1, а коррозийно-стойких и теплопрочных подшипников — из сталей 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т. Массивные сепараторы получают из труб, прутков и штампованных заготовок. Наиболее употребимыми материалами являются: латуни ЛС 59-1, ЛС 59-1Л, сталь 30, бронзы БрАЖМц 10-3-1-5 и БрАЖН 10-4-4, алюминиевые сплавы Д 1, Д 6, АК 4, текстолит. Значительное количество высокотехнологичных с хорошими звукопоглощающими свойствами сепараторов получают литьем из термопластов. Заклепки и распорки сепараторов. изготавливают главным образом из сталей 15 и 20.
К подшипниковым материалам для колец и тел качения предъявляют жесткие требования по металлургической загрязненности, наличию дефектов, структурной неоднородности и др. Детали машин, несущие одновременно функции наружного или внутреннего колец подшипников, рекомендуется изготавливать из подшипниковых сталей.
www.upk1.ru
| Наименование, марка | Основное свойства | Применение |
|---|---|---|
| Хромистая сталь ШХ15 | Высокоуглеродистая хромистая, T≤120°C | Подавляющее большинство колец и тел качения, кольца толщиной менее 10 мм, ролики до 22 мм |
| Хромистая сталь ШХ15СТ | Повышенная прокаливаемость, содержит больше кремния и марганца | Кольца толщиной менее 30 мм и ролики диаметром более 22 мм |
| Хромистая сталь ШХ20СТ | Содержит еще больше кремния и марганца, чем ШХ15СТ | Кольца толщиной более 30 мм |
| Хромистая сталь ШХ4 | Индукционная закалка | Железнодорожные подшипники |
| Хромистые стали ШХ15-Ш, ШХ15ШД | Уменьшенное содержание неметаллических включений | Подшипники повышенной долговечности и надежности |
| Цементуемая сталь 18ХГТ | Поверхностный сплав повышенной твердости и мягкая сердцевина после термической обработки | Кольца роликовых подшипников |
| Цементуемая сталь 20Х2Н4А | Поверхностный сплав повышенной твердости и мягкая сердцевина после термической обработки | Кольца и ролики крупногабаритных подшипников |
| Цементуемые стали 15Г1, 15Х, 08, 10 | Позволяют проводить химико-термическую обработку деталей | Штампованные кольца роликовых игольчатых подшипников |
| Низколегированная сталь 55ХФА | Содержание углерода 0.45 — 0.55%, закалка рабочих поверхностей токами сверхвысокой частоты | Кольца поворотных опор, кранов и экскаваторов |
| Сталь 95Х18-Ш | Коррозионно-стойкая, T≤350°C | Тела качения средних и крупных размеров |
| Сталь 110Х18М-ШД | Коррозионно-стойкая, с уменьшенным содержанием неметаллических включений | Приборные подшипники |
| Сталь 08кп, 08пс, 10кп, 10пс | Низкоуглеродистые | Штампованные сепараторы подшипников общего применения |
| Стали 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т | Коррозионно-стойкие, теплопрочные | Для изготовления теплостойких и коррозийностойких подшипников |
| Латуни ЛС59-1, ЛС59-1Л | — | Массивные сепараторы для подшипников |
| Бронзы БрАЖМЦ10-3-1,5, БрАЖН10-4,4 | — | Массивные сепараторы |
| Алюминиевые сплавы Д1, Д6 и АК4 | — | Массивные сепараторы |
| Текстолит и полиамид | — | Массивные сепараторы |
| Стали 15 и 20 | — | Заклепки, распорки сепараторов |
| Нитрид кремния Si3N4 | Повышенная теплопрочность и контактная долговечность | Шарики для подшипников высокоскоростных узлов |
podshipnikspb.ru
Подшипниковая сталь
Сталь с концентрацией углерода от 0,95 до 1,15 % и при обязательном присутствии хрома 0,6…1,5 %.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
После закалки и последующего низкого отпуска твердость подшипниковых сталей должна быть не ниже HRC 62. В качестве примера показана микроструктура стали ШХ15 после закалки с температуры 830 °С и отпуска при температуре 160 °С в течение 2 ч. Это отпущенный мелкоигольчатый мартенсит и равномерно распределенные избыточные карбиды (рисунок).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.
sl3d.ru
Конструкционные подшипниковые стали | Свойства подшипниковой 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/м2 (300—500 кгс/см2) — 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.
uas.su
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;
— значительной упругости;
— 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.
newpodshipnik.ru