Основным легирующим элементом шарикоподшипниковых сталей является

Обновлено: 14.05.2024

Хромистые стали с 0,001-0,005% бора (30ХРА, 40ХР).Они имеют повышенную прочность и прокаливаемость.

Хромокремнемарганцевые стали (30ХГСА, 35ХГСА).Эти стали, называемые хромансиль. Не содержат дифицитных легирующих элементов. Имеют высокие механические свойства. Хорошо свариваются и заменяют хромоникелевые и хромомолибденовые стали.

Хромоникелевые стали (40ХН, 45 ХН). Они имеют после термической обработки высокую прочность и пластичность и хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Прочность стали придает хром, а пластичность – никель. Хромоникелевые стали прокаливаются на значительно большую глубину по сравнению не только с углеродистыми, но и другими легированными сталями. Указанные стали применяют для изготовления ответственных сильно нагруженных деталей – для шестерен, валов и т.п.

Хромоникельмбденовая сталь (40ХН2МА). Эта сталь в улучшенном состоянии имеет высокую прочность при хорошей вязкости, высокую усталостную прочность, глубоко прокаливается; ее применяют для изготовления сильно нагруженных деталей, работающих в условиях больших знакопеременных нагрузок. Улучшение проводят по режиму: закалка с 850 0 С в масле, отпуск при 620 0 С.

Пружинно–рессорные стали.

Пружинно-рессорные стали должны иметь особые свойства в связи с условиями работы пружин (цилиндрических, плоских) и рессор. Пружины и рессоры служат для смягчения толчков и ударов, действующих на конструкции в процессе работы, и поэтому основным требованием, предъявляемым к пружинно-рессорным сталям, являются высокий предел упругости и выносливости. Этим условиям удовлетворяют углеродистые стали и стали, легированные такими элементами, которые повышают предел упругости. Такими элементами являются Si, Мn, Cr, V, W.

Специфическим в термической обработке рессорных листов и пружин является применение после закалки отпуска при температуре 400-500 0 С (в зависимости от стали). Это необходимо для получения наиболее высокого предела упругости, величина которого при более низкой или более высокой температуре отпуска получается недостаточной.

Отпуск при температуре 400-500 0 С дает отношение σ_уп/σ_в приблизительно равное 0,8.

Химический состав (%) некоторых пружинно-рессорных сталей

(ГОСТ 14959 – 69)

Марка стали	Элементы	Другие элементы
C	Si	Mn
65Г	0,62-0,70	0,17-0,37	0,90-1,20	≤0,25Cr
60С2	0,57-0,65	1,50-2,00	0,60-0,90	≤0,30Cr
50ХГ	0,46-0,54	0,17-0,37	0,70-1,00	0,90-1,20Cr
50ХФА	0,46-0,54	0,17-0,37	0,50-0,80	0,80-1,10Cr 0,10-0,20V
65С2ВА	0,61-0,69	1,50-2,00	0,70-1,00	≤0,30Cr 0,80-1,20W
60С2Н2А	0,56-0,64	1,40-1,80	0,40-0,70	≤0,30Cr 1,40-1,70Ni
70С2ХА	0,65-0,75	1,40-1,70	0,40-0,60	0,20-0,40Cr

Основной шарикоподшипниковой сталью является сталь ШХ15(0,95-1–1,05% С; 1,3–1,65 %Cr) Заэвтектоидное содержание в ней углерода и хром обеспечивают получение после закалки высокой равномерной твердости, устойчивости против истирания, необходимой прокаливаемости и достаточной вязкости.

На качество стали и срок службы подшипника вредно влияют карбидные ликвация, полосчатость и сетка. На физическую однородность стали вредно влияют неметаллические (сульфидные и оксидные) и газовые включения, макро- и микропористость.

Термическая обработка подшипниковой стали включает операции отжига, закалки и отпуска. Цель отжига – снизить твердость и получить структуру мелкозернистого перлита. Температура закалки 830-860 0 С, охлаждение в масле. Отпуск 150-160 0 С. Твердость после закалки и отпуска HRC62-65; структура—бесструктурный (скрытокристаллический) мартенсит с равномерно распределёнными мелкими избыточными карбидами.

Для изготовления деталей, крупногабаритных подшипников (диаметром более 400 мм.), работающих в тяжёлых условиях при больших ударных нагрузках, применяют цементуемую сталь 20Х2Н4А. Детали крупногабаритных подшипников (кольца, ролики), изготовляемые из стали 20Х2Н4А, подвергают цементации при температуре 930-950 0 С в течение 50-170 часов с получением слоя глубиной 5-10мм.

Использование подшипниковой стали не по назначению

Подшипниковые стали распространены в различных сферах промышленности. Несмотря на то, что стальные сплавы называют подшипниковыми, их применение неограниченно. Подшипниковая сталь отличается высокой износостойкостью и качественностью и может использоваться в сферах, где на детали будут оказываться серьезные нагрузки.

Свойства стальных сплавов

Исходя из названия можно сразу догадаться, что подшипниковые марки стали нужны для производства шариков для подшипников, колец, роликов и других разнообразных деталей, на которые оказывается повышенная нагрузка.

Сплавы, предназначенные для эксплуатации при высоких температурах и агрессивных средах. К таким сталям выдвигают повышенные требования, поэтому они должны характеризоваться устойчивостью к нагреву и коррозии.
Стальные сплавы для функционирования в стандартных условиях. Металл может использоваться в различных отраслях. Сплавы имеют в составе хромомарганец, хром, молибден, кремний.

Основные характеристики металлических сплавов очень схожи с химическим составом стали из инструментальной группы.

Характеристики подшипниковых сплавов

Шарико-подшипниковая сталь, которая используется для изготовления подшипников качения, регулярно испытывает знакопеременные нагрузки. Повторяющиеся давление на любую зону колец роликов либо шариков становится причиной создания локального напряжения.

Напряжение периодически может достигать 500 кгс/см2, из-за чего может появляться несущественная деформация изделия качения. С первого взгляда может показаться, что ничего страшного не произошло, но так как напряжение воздействует на подшипник регулярно, то спустя какое-то время на нём появляются трещины.

Также во время эксплуатации подшипники существенно изнашиваются, поэтому на них появляются участки с истиранием. Износ обусловлен наличием напряжений и трения в процессе эксплуатации. В процессе эксплуатации могут откалываться небольшие частички, которые выполняют роль абразива, что приводит к преждевременному износу вследствие абразивного истирания.

химические характеристики среды, где эксплуатируется деталь;
качество сборки самого изделия;
количество абразивных частиц в изделии.

Если деталь эксплуатируется в очень активном режиме, то элементы конструкции могут изнашиваться гораздо раньше, чем поломка произойдет по причине усталостных деформаций. Если на подшипники оказываются комбинированные нагрузки, то срок эксплуатации стали существенно уменьшиться.

Так как все элементы постоянно находятся в непосредственном контакте друг с другом, то обязательным условием при производстве подшипниковых сталей является исключение из их состава посторонних примесей. Важно, чтобы сплав был однородным, так как небольшие изменения в материале станут причиной того, что в процессе эксплуатации возникнут трещины и другие повреждения. Все подшипниковые стали должны обладать незначительной хрупкостью и характеризоваться высокими показателями сопротивления усталости в металлических сплавах. Также исходя из сферы применения сплавы должны быть устойчивыми к механическому износу и характеризоваться прочностью.

Требования к химическому составу

кремний;
серу;
углерод;
марганец;
хром;
медь;
фосфор;
никель.

В зависимости от марки стального сплава все эти компоненты содержаться в определенных пропорциях. Если в сплаве ШХ15СГ содержится кремния 0,4-0,65%, а углерода — 0,95-1,05, то в стали ШХ15 кремния — 0,17-0,37%, а показатели углерода находятся в тех же пределах.

Немалое количество углерода, которое содержится в подшипниковых сталях, обеспечивает сплавам хорошую износостойкость в процессе эксплуатации. Также именно углерод влияет на прочность деталей после нагрева. Термообработка способствует стабильности геометрических параметров изделий при эксплуатационной температуре свыше 100 градусов. Хоть термообработка и обеспечивает стабильность, но снижается твердость стальных сплавов.

Марганец и хром, которые добавляются в подшипниковую сталь, обеспечивают сплавам повышение истироустойчивости и твердости.

Такой компонент, как молибден, добавляется в подшипниковые сплавы для обеспечения готовым изделиям долговечности. Несмотря на то, что большинство добавок обязательны, их количество играет очень большую роль. Чрезмерное количество может оказать негативное влияние, нужно соблюдать пропорции при производстве стали.

Компоненты с негативным влиянием

Медь. Данный элемент хоть и увеличивает прочность готовых слов, но при избытке может стать причиной появления трещин и надрывов.
Фосфор. Компонент способен уменьшать прочность на изгиб и делать материал хрупким. Если добавлять вещество в определенном количестве, то повышается восприимчивость стали к нагрузкам динамического характера.
Азот, олово либо мышьяк. Данные компоненты даже при наличии в тысячных долях процента могут стать причиной раскрашивания металла.
Никель. Если сталь имеет избыточные показатели никеля в своём составе, то твёрдость может существенно быть снижена.
Сера. Хоть нет однозначного мнения по данному компоненту, но отечественные производители стали не используют серу выше 0,15%, так как излишки компонента делают деталь склонной к быстрому усталостному разрушению.

Выплавка

Основным способом производства подшипниковых сталей является изготовление их в электродуговых печах. Около 90% сплавов производится именно данным способом. Оставшиеся 10% переплавляются в мартеновских печах. Такие способы производства обусловлены особенностями при переплавке сталей и доступности определенного оборудования.

В мартеновских печах подшипниковые сплавы изготавливаются при помощи активной плавки либо восстановление кремния. Эти два способа позволяют добиться нужных характеристик металла. В случае активной плавки происходит добавление нужных компонентов. К ним относится известняк, руда и остальное. Стоит учитывать, что данная схема делает потенциал кремния в окислительном плане очень высоким. Также ограничивается его восстановление и увеличивается подвижность шлака в жидком состоянии.

Изготовление подшипниковых сплавов по восстановительной технологии предполагает добавление различных компонентов непосредственно в процессе плавки. В таком случае кремнезем насыщает шлаковый расплав во время роста температуры плавления стали. У шлака повышается вязкость, кислород начинает проходить сквозь него в очень медленном режиме. При проведении плавки происходит фиксация процесса, когда начинается восстановление кремния.

обработка стали синтетическим шлаком, который готовится в ином устройстве;
обработка сплавов шлаком, получаемым непосредственно в печи.

Обе технологии допускают использование свежей шихты либо переплавленные материалы. При применении шихты для переплавки понадобится около 4,5% стальных отходов, 20% чугуна и 75% различных отходов черного металла. Готовые металлические сплавы раскисляют при помощи первичного алюминия. При использовании технологии переплавки понадобится 70-100% подшипниковых сплавов. Раскисление таких металлов происходит при помощи кусков алюминия.

Дополнительная обработка стальных сплавов происходит при помощи электроннолучевого, электрошлакового, либо дугового переплава. Благодаря дополнительной обработки из подшипниковых сплавов удаляются различные посторонние добавки, которые являются неметаллическими. Также удаляются разнообразные газы.

Подшипниковая сталь для ножей

Подшипниковые сплавы также нередко используются для производства ножей и других бытовых предметов. Чаще всего для производства ножей используется низколегированная хромистая сталь под маркой ШХ15.

Она характеризуется повышенной твердостью, хорошей износостойкостью, устойчивостью к ржавчине. Также стальной сплав характеризуется хорошей устойчивостью к различным температурным обработкам. После термообработки повышается твердость стали, но сохраняется пластичность и вязкость металла. Закалка ножей из подшипниковой стали происходит при температуре 825-855 градусов.

Преимущества и недостатки

однородную структуру;
повышенную выносливость;
хорошую податливость;
высокая твердость;
износостойкость;
устойчивость к смятию;
возможность создания тонкой кромки при заточке.

Готовые изделия из подшипниковых сплавов служат не одно десятилетие даже при интенсивном использовании.

К недостаткам относят трудную заточку. Подшипниковая сталь ШХ15 хоть и является достаточно универсальной и недорогой, но при ковке мастером требует повышенной внимательности и аккуратности. Особенности заточки лезвия будут сопровождать клинок в течение всего времени эксплуатации.

Выводы

Подшипниковые марки стали характеризуются хорошими эксплуатационными параметрами и подходят для изготовления не только изделий по назначению, но также и различных других. Универсальность сплавов и их высокая износостойкость обеспечивает им длительный срок пользования даже в весьма агрессивных средах. При выборе подшипниковых сплавов для изготовления изделий различных изделий очень важно учитывать особенности эксплуатации готовых деталей и их спецификацию.

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 М_н 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?

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.

Основным легирующим элементом шарикоподшипниковых сталей является

Шарикоподшипниковая сталь относится к конструкционным сталям.

Эти стали должны иметь высокую твердость, поэтому содержание углерода в них велико. Основным легирующим элементом этой стали, помимо углерода, является хром.

Таблица 1. Составы некоторых подшипниковых сталей

Структура стали в состоянии поставки – феррито-карбидная смесь; как правило, пишут – отожженная на зернистый перлит. Про этот вид перлита на данном сайте есть статья. Почему такое состояние поставки, понятно. Поскольку детали из этой стали получают, в том числе, пластической деформацией, то структура должна иметь наилучшие пластические свойства. Структура стали ШХ15 в состоянии поставки показана на рис. 1 а. По ГОСТ балл этой структуры 3-5 по шкале №1.


а	б

Рисунок 1 . Структура стали ШХ15 в состоянии поставки (а) и после закалки и отпуска (б)

Термическая обработка подшипниковой стали – закалка от температуры 830-840 о С в масло и отпуск 150-160 о С 1-2 часа. После такой обработки структура стали – мелкодисперсный мартенсит отпуска (говорят – скрытоигольчатый мартенсит) и карбиды (рис. 1б). Снимок сделан при увеличении 3000 х , тем не менее, мартенсит не различается.


а	б

Рисунок 2. Структура стали ШХ15 после закалки и отпуска

От карбидной фазы во многом зависят свойства стали. На рис.2 показаны структуры стали ШХ15, отличающиеся размером и пространственным распределением карбидов. На рис. 2а показана структура шарика диаметром 3/8 дюйма, показавшего при испытаниях усилие разрушения 140 кН. Этот шарик имеет однородную структуру матрицы и достаточно однородные карбиды (белые включения) как по размеру, так и по распределению в матрице. На рис. 2б показана структура шарика с усилием разрушения 68 кН. Структура этого шарика неоднородна. Это видно уже хотя бы из того, что участки мартенсита отличаются по цвету. Карбиды крупнее и неоднородны по размеру; для стали это существенно. Роль размера карбидов (неметаллических включений) иллюстрируется зависимостями на рис. 3.

Рисунок 3. Влияние размера глобулярных включений на усталостную прочность стали для разных диаметров образца: 1-18,6 мм; 2- 15 мм; 3 – 13 мм.

Карбидная фаза вообще играет большую роль, и дефекты, связанные с карбидами, имеют существенное значение. Наиболее значимыми дефектами карбидной фазы являются:

Карбидная полосчатость. Карбидная полосчатость является следствием структурной неоднородности стали после закалки. В участках карбидных скоплений образуется мартенсито-трооститная структура, а в участках, обедненных карбидами - игольчатый мартенсит. Это приводит к повышению внутренних напряжений и неоднородности твердости по поверхности подшипника. Карбидная полосчатость затрудняет получение структуры зернистого перлита.

Рисунок 4. Пример полосчатости структуры, сталь 12ХН3МСГ


а	б	в

Рисунок 5. Карбидная полосчатость в стали

Рисунок 6. Полосчатость в закаленной стали

Карбидная ликвация. В подшипниковой стали встречаются крупные включения карбидов, ориентированные вдоль направления прокатки - карбидная ликвация. Они обладают высокой твердостью и хрупкостью, поэтому они часто выкрашиваются при выходе на рабочую поверхность с образованием очагов разрушения. Резко выраженная карбидная ликвация ухудшает изнашиваемость шарикоподшипниковой стали.

Рисунок 7. Пример карбидной ликвации (сталь Р18)

Карбидная сетка. Присутствие карбидной сетки ведет к ухудшению механической прочности подшипника.

Рисунок 8. Участки карбидной сетки в стали ШХ15; закалка и отпуск

Другими дефектами подшипниковой стали являются:
Остаточный аустенит. С количеством остаточного аустенита связана размерная стабильность готовых подшипников в процессе эксплуатации. При нагреве до 150 о С в течение 100 часов увеличение размеров закаленной стали ШХ15 при исходной структуре пластинчатого перлита составляет 0,02%, а при исходной структуре зернистого перлита - 0,003%. Исходная структура зернистого перлита обеспечивает минимальное количество остаточного аустенита. Определение количества остаточного аустенита производится для подшипниковой стали только рентгеноструктурным анализом. Структура стали настолько мелкая (рис. 1,2), что различить зерна аустенита трудно.
Микропористость. Микропоры являются местами концентрации напряжений в металле и очагами возникновения усталостных трещин в готовых подшипниках при их эксплуатации.

Читайте также: