Подшипниковая сталь – долговечность подшипников качения гарантирована!

1 Подшипниковая сталь – область применения и общая характеристика

Не нужно быть большим специалистом в металлургическом деле, чтобы понять, что шарико-подшипниковые стальные композиции предназначаются для выпуска колец, роликов и шариков подшипников качения. Несмотря на такое узкое назначение интересующих нас сплавов, их номенклатура не столь уж и мала.

Подобное положение вещей обусловлено большим количеством разнообразных требований, которые выдвигаются к характеристикам современных подшипников качения, используемых во всех отраслях народного хозяйства и промышленности.

Все шарико-подшипниковые сплавы с высоким содержанием углерода обычно делят на две группы:

1. Для изделий качения, которые функционируют при повышенных температурах и в агрессивных по своим характеристикам средах. К ним относят тепло- и нержавеющие стали (коррозионностойкие).
2. Для изделий, которые используются в стандартных условиях. В данной группе находятся хромомарганцевые и хромистые составы, легированные молибденом и кремнием.

Популярные стали первой группы –11Х18М-ШД, 95Х18-Ш, 8Х4М4ВФ1-Ш и другие. В их маркировке литеры "ШД" означают, что сплав изготовлен по технологии вакуумно-дуговой переработки, а "Ш" – по технологии обычной электрошлаковой. Самыми же известными и востребованными сталями для шарико-подшипниковых изделий второй категории являются композиции ШХ15, ШХ20СГ и ШХ15СГ.

По ключевым свойствам и химическому составу (о нем будет подробнее рассказано ниже) любая подшипниковая сталь похожа на сплавы инструментальной группы. При этом сфера ее использования позволяет причислить шарико-подшипниковые материалы к специальным конструкционным.

2 Какими свойствами должны обладать стали для подшипников?

При эксплуатации подшипники качения и их элементы (кольца, ролики, шарики) постоянно воспринимают знакопеременные повышенные напряжения. Многократное давление на любую зону этих компонентов распространяется по опорной поверхности, имеющей малую площадь. Из-за этого и появляются локальные напряжения с переменным знаком, которые растягивают поверхность у контура и сжимают ее в центре.

Величина упомянутых напряжений может достигать 500 кгс/см2, за счет чего возникает несущественная остаточная и упругая деформация изделия качения. Казалось бы, ничего страшного. Но ведь данное напряжение, как было сказано, воздействует на подшипник множество раз, что и становится причиной возникновения через некоторое время усталостных трещин, которые приводят к разрушению изделия.

Кроме того, шарико-подшипниковые детали склонны к истиранию, то есть к одному из видов разрушений металла механического характера. Оно обуславливается наличием напряжений, которые образуются при движении контактирующих поверхностей силами трения. Из-за истирания от изделий начинают отпадать небольшие металлические частички, это приводит к повышению величины зазора между телами качения и кольцами подшипников, а также к активизации процесса их абразивного износа.

На конкретный показатель истирания конструкции качения влияют следующие факторы:

• активность (с химической точки зрения) среды, в которой работает подшипник;
• тип и марка используемого смазочного состава;
• точность сборки и производства изделия;
• наличие частиц с абразивными свойствами и их общее количество.

Если подшипник эксплуатируется очень активно, его верхние слои способны износиться до критической величины еще до того, как в металле образуются усталостные трещины. Ранний выход деталей качения из строя может наблюдаться и в тех случаях, когда на них интенсивно воздействуют комбинированные динамические, изгибающие и раздавливающие нагрузки.

Исходя из всего вышесказанного, становится понятным, что шарико-подшипниковые сплавы обязаны обладать:

• повышенной прочностью и стойкостью против механического износа;
• большой упругостью;
• незначительной хрупкостью в сочетании с повышенным показателем сопротивления физической усталости металла.

А в связи с тем, что компоненты подшипников соприкасаются друг с другом отдельными рабочими точками, в сталях для их изготовления не должно быть неметаллических примесей. При этом большую роль играет однородность (физико-химическая) состава таких сплавов. Если данное условие не соблюдается (имеются неметаллические добавки, трещины, твердые карбиды, волосовины и иные дефекты, способствующие увеличению напряжений), подшипники качения очень быстро выходят из строя.

3 Основные требования к химическому составу шарико-подшипниковых сплавов

В состав сталей для подшипников легирующие элементы входят в далее указанных интервалах (величины даны в процентах):

• ШХ20СГ: кремний – от 0,55 до 0,85, углерод – от 0,9 до 1, хром и марганец – от 1,4 до 1,7, медь – 0,25, сера – 0,02, никель – 0,3, фосфор – 0,027;
• ШХ15СГ: кремний – от 0,4 до 0,65, углерод – от 0,95 до 1,05, хром – от 1,3 до 1,65, марганец – от 0,9 до 1,2, медь, сера, никель, фосфор – аналогично стали ШХ20СГ;
• ШХ15: кремний – от 0,17 до 0,37, углерод – от 0,95 до 1,05, хром – от 1,3 до 1,65, марганец – от 0,2 до 0,4, остальные элементы – аналогично предыдущим маркам;
• 11Х18М-ШД: кремний – от 0,53 до 0,93, углерод – от 1,1 до 1,2, хром – от 16,5 до 18, марганец – от 0,5 до 1, сера – 0,15, медь и никель – 0,3, фосфор – 0,025;
• 95Х18-Ш: кремний – 0,8, углерод – от 0,9 до 1, хром – от 17 до 19, марганец – не более 0,7, сера – 0,025, медь – 0,25, никель – 0,3, фосфор – 0,03.

Как можно заметить, в подшипниковых сплавах содержится немало углерода. Именно он отвечает за достаточную стойкость против истирания изделий из них, а также за повышенные прочностные показатели подшипников качения после проведения их термообработки. Последняя требуется для того, чтобы изготовленные детали имели стабильные геометрические параметры при температуре эксплуатации выше 100 градусов. При этом термическая обработка, к сожалению, уменьшает сопротивление металла явлению контактной его усталости, а также твердость стали.

Хром и марганец, вводимые в состав сталей для подшипников, дают возможность повысить сопротивляемость изделий истиранию и одновременно их твердость. Кремний и марганец, будучи по своим свойствам раскислителями, могут уменьшать вязкость металла, поэтому их содержание в подшипниковых составах должно выдерживаться в четко заданных пределах.

Основное же влияние на характеристики рассматриваемых сталей оказывает хром. Он (а также его карбиды в разумных количествах) увеличивают стойкость подшипников качения к износу, их твердость. Хром, кроме того, придает стали требуемую структуру (мелкое зерно), снижает склонность металла к чрезмерному перегреву, делает мартенсит устойчивым против отпуска и приостанавливает процесс образования перлита из аустенита.

Молибден вводится с целью увеличения долговечности изделий из шарико-подшипниковых композиций. Остальные же добавки, имеющиеся в описываемых сталях, оказывают негативное воздействие на их свойства, поэтому их содержание строго регламентируется. К вредным примесям относят:

• Медь. Нежелательный элемент, несмотря на то, что она повышает уровень прокаливаемости и прочности, а также твердость металла. Следует тщательно подбирать ее количество, иначе сталь будет подвержена формированию надрывов и опасных трещин на металлической поверхности.
• Фосфор. Данная добавка вызывает снижение прочности на изгиб, делает материал хрупким и склонным при нагреве к формированию структуры с крупным зерном, обуславливает появление трещин при закалке стали, повышает ее восприимчивость к нагрузкам динамического характера.
• Азот, свинец, олово, мышьяк. Эти примеси, содержащиеся в подшипниковых стальных композициях в тысячных долях процента, провоцируют металл на активное раскрашивание.
• Никель. При большом содержании данного элемента в стали ее показатели твердости существенно уменьшаются.

Сейчас многие зарубежные исследователи доказывают, что сера способна положительно воздействовать на некоторые важные характеристики шарико-подшипниковых сплавов (например, на их хорошую обрабатываемость и эксплуатационную долговечность). Но в отечественной практике стали с высоким содержанием (порядка 0,15 процентов) серы не выплавляются, так как они делают их склонными к разрушению (усталостному) и уменьшают стойкость изделий к истиранию.

4 Способы и особенности выплавки сталей подшипниковой группы

В странах СНГ и России на данный момент описываемая нами сталь выплавляется в мартеновских кислых (около 10 процентов от общего объема) и в электродуговых печах (порядка 90 процентов). В мартене сплавы для подшипников качения производят с помощью активной плавки либо восстановления кремния.

Активная плавка предполагает добавление необходимых для металлургической операции материалов (известняк, руда и пр.) непосредственно во время процесса. Такая схема делает окислительный потенциал кремния достаточно высоким, ограничивает его восстановление и увеличивает при этом подвижность жидкого шлака.

Восстановительная же технология не требует введения добавок при плавке. В этом случае кремнезем начинает насыщать шлаковый расплав при увеличении температуры процесса сталеплавления. Шлак становится более вязким, а кислород проходит через него на очень маленькой скорости. В определенный момент операции фиксируется начало процесса, в ходе которого кремний восстанавливается.

Плавка в электродуговых агрегатах ведется по следующим технологиям:

• сталь обрабатывается синтетическим шлаком, содержащим большой объем глинозема, в ковше (необходимый для процедуры шлак подготавливается в другом агрегате);
• металл обрабатывается шлаком, получаемым в самой электродуговой печи.

И первая, и вторая схема может осуществляться с использованием свежей шихты либо способом переплава. Если применяется свежая шихта, для плавки требуется порядка 4,5% отходов стали (подшипниковой), около 20 % чугуна и примерно 75 % лома с высоким содержанием углерода. Готовый металл раскисляют алюминием (первичным). Если же используется способ переплава, требуется 70–100 % отходов сплавов, использовавшихся для изготовления шарико-подшипниковых изделий. Раскисление при таком методе выполняют присадкой алюминия в кусках.

Дополнительная обработка сталей после плавки производится электроннолучевым, электрошлаковым, дуговым (вакуумным) или плазменным переплавом (его называют рафинирующим). Подобные виды обработки удаляют неметаллические добавки из стали, уменьшают содержание в ней ненужных примесей и газов.