Из какой стали делают подшипники

Сталь подшипниковая предназначена для изготовления колец, шариков и роликов подшипников качения. Кроме того, ее применяют для изготовления изделий, от которых требуется высокая износостойкость при сосредоточенных переменных нагрузках (копиры, кулачки, детали насосов высокого давления и др.).

Сталь для подшипников качения должна иметь высокую твердость, износостойкость и сопротивляемость контактной усталости. Этим требованиям удовлетворяет высокоуглеродистая хромистая сталь высокого качества, чистая по неметаллическим включениям и карбидной неоднородности.

ГОСТ 801-78 распространяется на сталь горячекатаную диаметром (толщиной) до 250 мм включительно, калиброванную и сталь со специальной отделкой поверхности. В части норм химического состава стандарт распространяется также на слитки, слябы, листы, трубы, поковки, прокат и проволоку.

Горячекатаная и калиброванная сталь по требованию к качеству поверхности с учетом дальнейшей обработки подразделяется на группы: ОХ — для холодной механической обработки (обточки, фрезеровании, выточки и др.); ОГ — для горячей обработки давлением; ХВ — для холодной высадки; ХШ — для холодной штамповки.

По состоянию материала сталь поставляют без термической обработки и термически обработанной (отожженной) — О.

Сталь подшипниковую изготовляют марок ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ. Химический состав стали должен соответствовать нормам, указанным в табл. 6.12.

Хром повышает твердость и износостойкость стали и обеспечивает необходимую прока- ливаемость. Легирование кремнием и марганцем проводят для повышения прокаливаемо- сти и применяют для сталей, используемых при изготовлении крупногабаритных подшипников (с толщиной стенки более 10 мм).

Таблица 6.12. Химический состав подшипниковых сталей

Массовая доля элемента, %

Сопротивление контактной усталости зависит от наличия различных металлургических дефектов (сульфидных и оксидных включений, пористости и др.), которые, выходя на рабочую поверхность, служат концентраторами напряжений, вызывая преждевременное разрушение стали от усталости. Не менее вредными факторами, способствующими преждевременному разрушению стали, являются карбидная ликвация и структурная полосчатость. Поэтому по ГОСТ 801-78 каждая плавка контролируется на наличие пористости, неметаллических включений (оксидных и сульфидных), на карбидную ликвацию, структурную полосчатость, карбидную сетку. Электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплавы, уменьшая количество неметаллических включений и других металлургических дефектов, повышают сопротивление контактной усталости стали, т.е. повышают долговечность подшипников.

Сталь отожженная горячекатаная, калиброванная и сталь со специальной отделкой поверхности в состоянии поставки должны иметь твердость: 179—207 НВ — для марки ШХ15; 179-217 НВ — для марок ШХ15СГ и ШХ20СГ.

Сталь подшипниковую изготовляют в виде прутков, груб, проволоки. После смягчающего сфероидизирующего отжига она получает структуру мелкозернистого перлита, что обеспечивает удовлетворительную обрабатываемость резанием и хорошую пластичность при холодной штамповке шариков или роликов.

Термообработка деталей подшипника состоит из закалки и низкого отпуска. Механические свойства сталей марок ШХ15 и ШХ15СГ для шарико- и роликоподшипников после закалки и низкого отпуска приведены в табл. 6.13.

Таблица 6.13. Механические свойства марок ШХ15 и ШХ15СГ после закалки и низкого отпуска

Для стали марки ШХ15

Для стали марки ШХ15СГ

прочности при изгибе, МПа

Предел выносливости при изгибе, МПа

прочности при изгибе, МПа

Предел выносливости при изгибе, МПа

Температура нагрева под закалку составляет 840—920 °С. В настоящее время применяется как закалка в одном охладителе (масле), так и ступенчатая, или изотермическая закалка, с выдержкой в области образования нижнего бейнита при температуре 210—240 °С.

Перспективным является применение для закалки деталей подшипников качения индукционного нагрева, что позволяет получить твердый поверхностный слой с сохранением вязкой сердцевины. Так, например, разработан и внедрен в массовое производство процесс объемно-поверхностной закалки колец тяжело нагруженных подшипников для букс железнодорожных вагонов из стали марки ШХ4 с регламентируемой (ограниченной) про- каливаемостыо. И хотя в данном случае закаливаемые кольца подшипника нагреваются индукционным способом насквозь (толщина колец 12—20 мм), из-за ограниченной прокаливаемое™ стали марки ШХ4 образуется закаленный слой со структурой мартенсита толщиной всего 2,5—3,5 мм (61-64 НЯС). Сердцевина кольца остается более мягкой (36— 42 НЯС) и вязкой, имея структуру троостита и сорбита. Кольца подшипников после такой термической обработки характеризуются высокими показателями конструктивной прочности.

Твердость поверхности при любом способе закалки деталей подшипника должна быть в пределах 61—66 НЛС. Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при температуре 150—170 °С с выдержкой в течение 2—5 ч. Цель отпуска — уменьшение закалочных напряжений в деталях подшипника. Перед отпуском для уменьшения количества остаточного аустенита прецизионные (особо точного изготовления) подшипники подвергают обработке холодом с охлаждением до температуры —10. -20 °С для повышения стабильности их размеров. Типовые режимы термической обработки наиболее распространенных сталей подшипниковых марок ШХ15 и ШХ15СГ приведены в табл. 6.14.

Подшипники качения — ответственные детали многих машин и механизмов, поэтому стали для их производства по назначению являются конструкционными, по по составу и свойствам они близки к инструментальным из-за работы при высоких локальных нагрузках.

Размер детали подшипника, мм

Продолжительность отпуска при 150-160 °С,ч

• 840-860
• 845-850

10%-й раствор КаС1

• 20-60
• 30-40

• 2
• 2-3

• 63-67
• 63-67

20-30 35-50 Свыше 50

• 860-880
• 840-860
• 860-880

Масло То же 3-5%-й

раствор Ыа,СО, или 10%-й раствор !ЧаС1

• 35-75
• 45-75
• 35-75

• 3-5
• 3-5
• 3-5

• 62-66
• 63-67
• 63-66

Основные требования к подшипниковым сталям следующие.

• 1. Высокая статическая грузоподъемность. Предельной является нагрузка, при которой допустимые остаточные деформации в зоне контакта между шариком (роликом) и кольцами менее 0,01% диаметра шарика (ролика). Давления в данном случае достигают 4000 МПа. Поэтому выбраны заэвтектоидные, легированные стали с содержанием 1% С и 1,5% Сг (типа ШХ15), обработанные закалкой и низким отпуском на максимальную твердость. В марке стали ШХ15 (ГОСТ 801-78) буква Ш означает «шарикоподшипниковая», а 15 — содержание Сг в десятых долях процента. Сталь содержит 0,95— 1,05% С и 1,30—1,65% Сг.
• 2. Высокое сопротивление контактной усталости. Оно сильно зависит от количества сульфидных и оксидных включений, а также от содержания водорода, которые снижают долговечность и ускоряют разрушение из-за контактной усталости. Отсюда требования по чистоте в отношении неметаллических включений и к карбидной неоднородности. Способ борьбы с неметаллическими включениями — рафинирующие переплавы. Если принять за 100% содержание включений в ШХ15 открытой выплавки, го после обработки синтетическим шлаком в ШХ15-Ш содержание включений уменьшается до 45%, после вакуумнодуговой плавки ШХ15-ВД — до 35%. Использование шлака и вакуумно-дугового переплава ШХ15-ШД обеспечивает уже 25% включений.
• 3. Подшипники качения испытывают износ, в том числе абразивный, от пылевидных частиц грунта, поэтому присутствие в стали Сг благотворно тем, что он увеличивает количество карбидной фазы и позволяет получить твердые специальные карбиды.
• 4. Размерная стабильность — один из важных параметров подшипника качения, поскольку изменения размеров приводят к заклиниванию подшипника и его разрушению. Допустимые изменения размеров менее КН—10

5 мм, они зависят от содержания остаточного аустенита. Чем меньше доля остаточного аустенита, тем лучше, так как при высоких нагрузках может происходить переход его в мартенсит с изменением объема.

Подшипниковые стали классифицируют на стали общего применения для работы при температуре от —60 до +300 °С в неагрессивных средах и стали специального назначения для коррозионностойких и теплостойких подшипников.

Сталь ШХ15 используется для подшипников, у которых кольца со стенкой до 30 мм, шарики диаметром 22—50 мм, ролики диаметром 15—35 мм. Для мелких подшипников приборов используют стали ШХ6 и ШХ9. Для крупногабаритных деталей применяют ШХ15СГ с 1% Мп и 0,5% Б1 для улучшения прокаливаемости. Прутки для изготовления шариков, роликов и труб для колец поступают с металлургического завода после горячей деформации и охлаждения на воздухе фактически в нормализованном состоянии. На шарикоподшипниковом заводе их подвергают отжигу на зернистый перлит — убирают возможную карбидную сетку после деформации. Затем прутки поступают на шаропрокатные станы, а из труб токарной обработкой производят кольца. Готовые детали поступают на закалку с температурой 850-900 °С, т.е. уровень температуры такой, чтобы растворить карбиды Сг и не допустить рост зерна. Более высокая температура закалки снижает Л/_н и увеличивает количество остаточного аустенита, что плохо для размерной стабильности. Закалку проводят в масло (критический диаметр 25—35 мм) или используют ступенчатую закалку со ступенькой 210-240 °С, что позволяет исправлять под прессом тонкие кольца от коробления. Структура — мартенсит и равномерно распределенные округлые карбиды (Ре,Сг),С. Твердость после закалки должна быть не ниже НЯС 60—65, тогда можно получить о_в= 2300-2600 МПа, но б и ф = 0%. Отпуск при 170—230 °С дает уменьшение закалочных напряжений и повышение вязкости при сохранении НЯС 60—61. Для стабилизации размеров охлаждение рядовых подшипников из ШХ15 проводят до +5. 10 °С, а прецизионных подшипников — до —30 °С. Затем следует шлифовка деталей и еще раз стабилизация при температуре 130 °С — 25 ч.

Для подшипников специального назначения, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионпостойкие (нержавеющие) подшипниковые стали. Они содержат 18% Сг, характеризуются хорошей износостойкостью и коррозионной стойкостью. Одна из таких сталей — 95X18, ее термообработка — ступенчатый из-за низкой теплопроводности нагрев под закалку 850 °С, затем 1080 °С, охлаждение в масле или струе газа, затем обработка холодом, отпуск 160 °С — 3 ч, НЯС 58—60.

Другая группа сталей применяется для подшипников, работающих при повышенных температурах, это дисперсионно-твердеющие стали — высокопрочные стали, как и все подшипниковые, но с высокой устойчивостью к повышенным температурам эксплуатации. Наилучшие механические свойства таких сталей достигаются в результате вторичного твердения.

Вторичное твердение — упрочнение при отпуске закаленных на мартенсит сталей за счет выделения специальных карбидов при температуре 500-650 °С. При этом растут о_ц и о₍₎,, а б и ср падают. Наибольшая твердость получается при определенной объемной доле специальных карбидов. Обычно повышение твердости наблюдается при более 5% Сг, 1-2% Мо и более 0,5% V, например у стали 4Х5М2СФ. Упрочнителями являются фазы Сг₇С₃, Сг,₃С₆, Мо,С, УС, последние два карбида — лучшие упрочнители. Эти же элементы (Сг, Мо, V) улучшают прокаливаемость. Такие стали — модификация штамповых сталей для горячей деформации. Для перевода карбидных фаз в раствор производят закалку с температурой 1000—1050 °С. Зерно аустенита мелкое, так как половина частиц УС не растворяется, а МЬС совсем не растворяется и сдерживает рост зерна. Отпуск проводят чуть выше температуры максимума упрочнения — 600-650 °С. Такой перегрев («перестаривание») необходим для повышения пластичности и вязкости.

Дисперсионно-твердеющие стали используются при температурах па 100-150 °С ниже температуры отпуска, т.е. при 500—550 °С. Сталь 4Х5М2СФ имеет о_и = 1720 МПа, б = 12%, Ф = 40%. Из сталей такого типа производят ответственные детали штампового и прессового инструмента, учитывая их высокую прокаливаемость (200—300 мм), а также иглы, пресс- штемпели, прессовые вставки для горячего деформирования конструкционных сталей, пресс-формы для литья под давлением цинковых, магниевых и алюминиевых сплавов.

Теплостойкие подшипники делают из дисперсионно-твердеющей стали 8Х4В9Ф2Ш (ЭИ347). При повышении температуры отпуска у нее наблюдается провал твердости НЯС при 250—400 °С, что соответствует распаду мартенсита с выделением частиц Ме_>С. При нагреве выше 400 °С твердость вновь повышается, начинается вторичное твердение, карбиды Ме,С превращаются в Л/е₂₃С₆, максимум твердости достигается при температуре 500-550 °С. Последующее разупрочнение с повышением температуры — результат огрубления карбидов и превращения Л/е,₃С₆ в Ме_ьС (выше 650 °С). Термообработка теплостойкой стали 8Х4В9Ф2Ш включает ступенчатый нагрев под закалку — вначале 800 °С для снятия напряжений, вызванных запаздыванием прогрева сердцевины детали, затем 1230 °С; закалка в масло; отпуск при температуре 570 °С по 2 ч 3 раза для снижения количества остаточного аустенита. Детали подшипников из такой стали имеют твердость НЯС 59.

Основная задача подшипников — не просто работать, а и справляться с высокими нагрузками, имеющими переменный характер.

Самые главные требования, предъявляемые к ним — это прочность и износостойкость. Кроме того, в них должны отсутствовать неметаллические включения, ликвации и полости.

Если условия работы подшипников будут обычными, то пользуются следующими сталями:
— хромистой;
— хромомарганцевокремнистой;
— хромистой с молибденом;
— хромомарганцевой с молибденом.

В том случае, если среда для работы подшипника будет агрессивной и на него будут воздействовать высокие температуры, для изготовления пользуются теплостойкой или коррозионно-стойкой сталью.

Также достаточно часто пользуются низкоуглеродистыми цементируемыми сталями, а в некоторых случаях — сплавами, которые имеют особые физические свойства.

Тип стали для конкретных подшипников выбирают, исходя из размеров детали и условий, в которых она будет эксплуатироваться.
Хромистая и хромомарганцевокремнистая стали используются для изготовления подшипников, которым предстоит работать при температуре 60 — 300 градусов. Если температура будет превышать 100 градусов, детали подвергаются специальной термической обработке. Благодаря этому размеры остаются стабильными, но твердость при этом снижается.

В том случае, если в шарикоподшипникой стали в большом количестве содержится углерод, после термической обработки она становится высокопрочной.

Материалы для изготовления подшипников являются определяющими для их рабочих характеристик и надежности. Кольца подшипника должны быть твердыми для того, чтобы обеспечить грузоподъемность подшипника и стабильные размеры его деталей. Кроме того, при выборе стали для подшипника важно учитывать влияние коррозии, ударных нагрузок и повышенных температур.

Ваш обозреватель не поддерживает встроенные рамки или он не настроен на их отображение.

| Конструкционные материалы, используемые при производстве подшипников NTN

Подшипники качения применяются в различных условиях : при низких и высоких температурах , в нейтральных и агрессивных средах (морская вода , кислоты и т.п.). И в связи с этим элементы подшипников изготавливаются из различных материалов. Ниже приведены сведения только о наиболее применяемых материалах.

Конструкционные материалы для тел качения и колец подшипников

Во время работы подшипника в зоне контакта тел качения и колец возникают большие напряжения , деформации и силы трения. Однако при этом продолжительное время должны обеспечиваться высокая точность вращения, отсутствие вибраций и нормальная температура. Для достижения этого конструкционные материалы тел качения и колец подшипников должны соответствовать следующим требованиям:

иметь высокую твердость и высокую износостойкость,

обладать большой усталостной долговечностью,

со временем значительно не изменять свои размеры,

быть экономичными и простыми в использовании.

Негативное влияние на эксплуатационные свойства сталей, которые являются наиболее применяемыми материалами в подшипниковом производстве, оказывают неметаллические соединения (например: сера, фосфор и кислород), образующиеся при выплавке стали :

в результате реакции компонентов металла с растворенным в нем кислородом, серой и азотом,

вследствие эрозии огнеупоров металлургических печей,

из-за попадания частиц шлака и включений из ферросплавов и руды, которые не успели всплыть или раствориться и т.д.

Поэтому подшипниковая сталь должна проходить дополнительную обработку с целью удаления нежелательных включений. Для этого применяются усовершенствованные способы производства сталей, в частности вакуумирование и рафинирирование – электрошлаковый ( ESR ) и вакуумные ( VIM , VAR , CEVM ) переплавы.

Подавляющее большинство колец и тел качения подшипников, предназначенных для работы в неагрессивных средах при температурах менее +120 º С (иногда более), изготавливаются из высокоуглеродистых (содержание углерода около 1%) хромистых сталей. Такая сталь для повышения твердости (до HRC 58 … 65) может проходить либо поверхностную закалку, либо объемную (в этом случае происходит и увеличение прочности). Для крупногабаритных подшипников применяются стали с повышенным содержанием марганца ( SUJ 3 и SUJ 5), что позволяет эксплуатацию и при низких температурах.

Высокоуглеродистые хромистые подшипниковые стали