Рубрика: Металлы и сплавы
Подшипник качения работает в условиях, которые мало какой материал выдерживает долго: контакт шарика или ролика с дорожкой качения происходит на крошечной площадке, где местные давления достигают 3000–4000 МПа, а каждая точка поверхности нагружается миллионы раз. Поэтому подшипниковые стали выделены в отдельную группу с особыми требованиями к составу, чистоте и структуре. Разберём, что это за стали, как они обрабатываются и почему их часто выбирают для деталей, не имеющих отношения к подшипникам.
Основной вид разрушения подшипника — контактная усталость. Под поверхностью дорожки качения, на глубине в несколько десятых миллиметра, действуют максимальные касательные напряжения. Именно там со временем зарождаются микротрещины, которые выходят на поверхность и приводят к выкрашиванию — питтингу. Отсюда вытекают требования к стали:
Если первые требования понятны, то последнее часто недооценивают. Для прецизионного подшипника изменение диаметра на несколько микрометров уже означает потерю зазора и точности вращения.
Самая распространённая подшипниковая марка — ШХ15. Буква «Ш» обозначает принадлежность к шарикоподшипниковым сталям, «Х» — хром, а цифра 15 указывает содержание хрома в десятых долях процента, то есть около 1,5%. Углерода в стали около 1%. Это заэвтектоидная высокоуглеродистая сталь, по составу близкая к зарубежной AISI 52100 и W.-Nr. 1.3505.
Высокий углерод обеспечивает твёрдость мартенсита после закалки и образование избыточных карбидов, повышающих износостойкость. Хром входит в состав карбидов, делая их мельче и стабильнее, а также повышает прокаливаемость. Содержание вредных примесей жёстко ограничено: серы и фосфора не более сотых долей процента, а для сталей высших категорий применяют вакуумную выплавку или электрошлаковый переплав.
Прокаливаемость ШХ15 ограничена: при закалке в масле сквозная твёрдость обеспечивается в сечениях примерно до 20–25 мм. Для более массивных колец и роликов используют ШХ15СГ с добавками кремния и марганца, а также ШХ20СГ. Для мелких шариков и роликов иногда применяют ШХ9 с меньшим содержанием хрома. Стали с индексом «-Ш» или «-ШД» получены электрошлаковым переплавом и отличаются повышенной чистотой.
| Группа | Марки | Особенности | Применение |
|---|---|---|---|
| Хромистые высокоуглеродистые | ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ | Сквозная закалка, 61–65 HRC | Подшипники общего назначения |
| Цементуемые | 20Х2Н4А, 18ХГТ, 20ХН3А | Твёрдый поверхностный слой и вязкая сердцевина | Крупногабаритные и ударно нагруженные подшипники |
| Коррозионностойкие | 95Х18, 110Х18М | Хром около 18%, 57–60 HRC | Подшипники в агрессивных и влажных средах, пищевое оборудование |
| Теплостойкие | 8Х4В9Ф2, близкие к быстрорежущим | Сохраняют твёрдость до 300–500 °C | Авиационные двигатели, высокотемпературные узлы |
Для подшипников прокатных станов, железнодорожных букс, крупных редукторов, где важна стойкость к ударам, применяют цементацию низкоуглеродистых легированных сталей. После насыщения углеродом поверхностный слой глубиной 1–3 мм закаливается до 58–62 HRC, а сердцевина остаётся вязкой с твёрдостью 30–40 HRC. Кроме того, в цементованном слое формируются остаточные напряжения сжатия, положительно влияющие на контактную выносливость.
Марка 95Х18 сочетает высокий хром и углерод: после закалки с 1050–1080 °C и низкого отпуска она получает твёрдость около 58 HRC и устойчивость к влаге, слабым кислотам и щелочам. Её применяют для подшипников насосов, медицинского и пищевого оборудования, а также для режущего инструмента и деталей запорной арматуры. Обрабатывается она тяжелее, чем ШХ15, а при термообработке требует точного соблюдения режима из-за склонности к образованию остаточного аустенита.
Свойства подшипниковой стали формируются на нескольких этапах — от подготовки структуры у производителя проката до окончательного отпуска готовой детали.
Сталь поставляется с зернистым перлитом твёрдостью 179–207 HB. Такая структура хорошо обрабатывается резанием и даёт равномерную закалку.
Нагрев до 830–860 °C, выдержка и охлаждение в масле. Часть карбидов остаётся нерастворённой и обеспечивает износостойкость.
Для прецизионных деталей сразу после закалки проводят охлаждение до минус 50–80 °C, чтобы превратить остаточный аустенит.
Отпуск при 150–180 °C в течение 1–2 часов снимает напряжения и сохраняет твёрдость 61–65 HRC.
После закалки высокоуглеродистой стали в структуре остаётся 8–15% остаточного аустенита. Со временем, а особенно при нагреве в работе, он превращается в мартенсит с увеличением объёма. Для подшипника, измерительного калибра или прецизионной втулки это означает изменение размеров уже после окончательной доводки. Поэтому для точных деталей применяют обработку холодом и стабилизирующий отпуск: повторный нагрев при 120–150 °C после предварительного шлифования, а иногда и многократный.
В отожжённом состоянии ШХ15 обрабатывается удовлетворительно, хотя из-за высокого углерода и твёрдых карбидов износ инструмента выше, чем при обработке конструкционных сталей. Токарную и фрезерную обработку ведут твердосплавным инструментом, оставляя припуск на шлифование после закалки.
Окончательные размеры и шероховатость рабочих поверхностей получают шлифованием, суперфинишированием и доводкой. Для дорожек качения требуется шероховатость Ra 0,04–0,16 мкм и отклонения формы в пределах микрометров. Главная опасность — шлифовочные прижоги. Перегретый слой либо отпускается и теряет твёрдость, либо получает вторичную закалку с хрупкостью и растягивающими напряжениями. Такие участки становятся очагами выкрашивания задолго до расчётного ресурса. Для контроля применяют травление поверхности, на котором прижоги видны как тёмные или светлые пятна.
Для некоторых деталей вместо шлифования используют чистовое точение закалённой стали инструментом из кубического нитрида бора или керамики. Метод позволяет обрабатывать сложные профили за одну установку, но требует жёсткого станка и особого внимания к целостности поверхностного слоя. Наш участок шлифования выполняет обработку закалённых деталей из подшипниковых сталей с контролем размеров и шероховатости.
Высокая твёрдость, износостойкость и стабильность ШХ15 сделали её популярным материалом для множества других деталей.
Плунжеры и втулки топливной аппаратуры, золотники гидрораспределителей, направляющие, ходовые винты и гайки шарико-винтовых передач.
Калибры, пробки, кольца, измерительные плитки, пуансоны и матрицы небольших штампов, ролики для накатки резьбы.
Ролики конвейеров и правильных машин, валы, кулачки, оси, толкатели, работающие на истирание и контактную нагрузку.
В качестве инструментальной стали ШХ15 близка к ХВГ и 9ХС: она хорошо принимает закалку, мало деформируется и даёт высокую твёрдость. При этом она дешевле и легче доступна в виде круглого проката разных диаметров.
Поскольку ресурс подшипниковой детали определяется скрытыми дефектами, контролю уделяют особое внимание на всех стадиях — от входного контроля проката до приёмки готовых колец и роликов.
Металл проверяют по сертификату и выборочно — по химическому составу, твёрдости в отожжённом состоянии и микроструктуре. Степень сфероидизации перлита и карбидную неоднородность оценивают по эталонным шкалам на шлифах. Загрязнённость неметаллическими включениями — оксидами, сульфидами, глобулярными включениями — также определяют металлографически. Прутки ответственного назначения дополнительно проверяют ультразвуком на внутренние несплошности.
Готовые детали проверяют на твёрдость, отсутствие трещин и шлифовочных прижогов. Для поиска поверхностных трещин применяют магнитопорошковый и вихретоковый методы. Количество остаточного аустенита у прецизионных деталей определяют рентгеноструктурным анализом или косвенно — по изменению размеров после контрольного нагрева. Такая проверка позволяет убедиться, что деталь сохранит точность в узле.
Не используйте подшипниковую сталь для сварных узлов: высокоуглеродистая ШХ15 практически не сваривается без трещин. Не закладывайте её в детали с тонкими перемычками и острыми надрезами, работающие на удар: после сквозной закалки до 62 HRC ударная вязкость невысока. Наконец, не назначайте сквозную закалку на крупных деталях из ШХ15 — сердцевина не прокалится, и деталь получит неоднородные свойства.
Подшипниковые стали — это прежде всего чистота металла и точно выдержанная термообработка. ШХ15 остаётся основной маркой благодаря сочетанию твёрдости, износостойкости и доступности, её модификации закрывают крупные сечения, цементуемые стали — ударные нагрузки, 95Х18 — коррозионные среды. Для прецизионных деталей решающее значение имеет борьба с остаточным аустенитом, а для любых рабочих поверхностей — шлифование без прижогов.
Компания «ВМС» изготавливает детали и запчасти из подшипниковых сталей по чертежам и образцам: токарная и фрезерная обработка, закалка, обработка холодом, стабилизирующий отпуск и прецизионное шлифование. Пришлите чертёж — рассчитаем сроки и стоимость.
