ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ
Подшипники являются ответственными деталями машин и механизмов. Они во многом определяют точность и производительность металлорежущих станков, надежность электродвигателей, экономичность, качество автомобилей, тракторов, вагонов и т. д. Отечественная промышленность производит более 5 тысяч типоразмеров подшипников диаметром от 0,5 до 3,0 м.
Требования и классификация
Стали для подшипников по назначению составляют особую группу конструкционных сталей, но по составу и свойствам они близки к инструментальным сталям.
К особенностям характера работы подшипников относятся высокие локальные нагрузки, и, как следствие этого, чрезвычайно высокие требования к чистоте стали по неметаллическим включениям, карбидной неоднородности и др. Основные требования, которые должны обеспечить подшипниковые стали:
Высокая статическая грузоподъемность - предельная нагрузка, при которой остаточные деформации в зоне контакта не превышают 0,01% от диаметра шарика или ролика. Необходимая статическая грузоподъемность - а она должна быть весьма значительна, поскольку давления в области контакта при работе подшипника доходят до 2000-4000 МПа, достигается применением в качестве материала для подшипников заэвтектоидных легированных хромом сталей, обработанных на высокую твердость.
Высокое сопротивление контактной усталости. Эта характеристика чрезвычайно сильно зависит от наличия металлургических дефектов различного рода, особенно сульфидных и оксидных включений, а также водорода, поскольку подшипниковые стали флокеночувствительны.
При производстве подшипниковых сталей применению рафинирующих переплавов уделяется особое внимание. 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.
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.
Износостойкость, в том числе абразивная, достигается введением сталь ~1,0% С и 1,5% Сr. Влияние хрома на износостойкость определяется тем, что он увеличивает количество карбидной фазы и меняет качественно ее состав, позволяя получать твердые специальные карбиды.
Высокое сопротивление малым пластическим деформациям. Это требование наиболее актуально для подшипников точных приборов.
Размерная стабильность. В зависимости от размеров и класса точности подшипников изменения размеров при эксплуатации не должны превышать 10-4-10-5 мм/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.
Подшипниковые стали обычно классифицируются по условиям работы: различают стали общего применения, 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 и термическая обработка
В составе подшипниковых сталей общего назначения обязательно присутствует хром. Хром определяет состав карбидной фазы и, кроме того, обеспечивает необходимую прокаливаемость. Дополнительное введение кремния и марганца проводят с целью повышения прокаливаемости и применяют для сталей, используемых для производства крупногабаритных подшипников с толщиной стенки более 10 мм. При отпуске кремний дает более высокие значения твердости вследствие замедления распада мартенсита в интервале температур 150-350°С.
Температурная обработка сталей типа ШХ включает смягчающий сфероидизирующий отжиг, при котором обеспечивается растворение определенной части карбидной фазы в аустените и образование зернистого перлита.
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 бейиита при 210-240°С. Для марганецсодержащих сталей изотермическую закалку не применяют из-за чрезмерно высокой устойчивости переохлажденного аустенита в бейиитной 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 60-64.
Окончательной операцией термической обработки подшипниковых сталей является низкий (170-230°С) отпуск, цель которого - уменьшение закалочных напряжений.
В последнее время в качестве материалов для подшипников ответственного назначения, работающих при повышенных ударных нагрузках, применяют цементуемые низкоуглеродистые легированные стали (18ХГТ, 20ХНМ, 20ХН2Н2А и др.). Детали из сталей такого типа имеют повышенную вязкость сердцевины, однако твердость сердцевины не должна составлять менее HRC 35-45 во избежание 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 избежание потери натяга в паре с сопряженным металлом), высоким сопротивлением контактной ползучести (длительная горячая твердость).
Высокая теплостойкость сталей 8Х4М4В2Ф1Ш и 8Х4В9Ф2Ш достигается при совместном легировании вольфрамом и молибденом. Их суммарное содержание должно удовлетворять соотношению W+2Mo=(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%.
В нержавеющих подшипниковых сталях содержится около 18% Сr, поскольку необходимо обеспечить одновременно достаточную теплостойкость и износостойкость и коррозионную стойкость стали.
Склонность стали 8Х4В9Ф2Ш к разнозернистости аустенита требует кратковременного нагрева под закалку в соляных ваннах, а также индивидуального для каждой плавки подбора режимов закалки.
Сталь 8Х4В9Ф2Ш относится к дисперсионнотвердеющим. Нагрев до 300-350°С приводит к снижению твердости из-за распада мартенсита и выделения карбидов Ме3С, которые при повышении температуры превращаются в карбиды типа Me23C6. При температурах отпуска выше 400°С начинается вторичное твердение; максимум твердости достигается при 500-550°С. Последующее интенсивное разупрочнение связано с коагуляцией карбидной фазы (550-650°С) и карбидным превращением Ме2C->Ме6C (выше 650°С).
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.
