Основное требование, предъявляемое к подшипниковой стали — это повышенная твердость и плотность. Чтобы добиться подобного показателя, в сплав включают большой объём углерода, а в качестве основного легирующего компонента добавляют хром. С описанием стали марки ШХ15 мы и познакомимся в нашем обзоре.
Общее описание
Само по себе название «подшипниковая сталь» говорит о том, что соответствующий сплав применяется преимущественно в составе подшипников (для их основных частей). При эксплуатации элементы подшипников подвергаются серьезным знакопеременным напряжениям. Потому приходится создавать конструкцию с расчетом на многократные нагрузки даже в течение короткого цикла эксплуатации.
Вывод прост: настоящая подшипниковая сталь должна быть минимально восприимчива к образованию усталостных трещин и к крошению поверхности.
Интенсивность истирания во многом определяется точностью изготовления и качеством сборки подшипников. Обязательно нужно учитывать условия, в которых он подвергается нагрузке, использование смазки. В присутствии абразивных частиц и активных веществ изменение будет идти быстрее. Приходится учитывать и вероятность ударных нагрузок, и иные факторы. Все вместе это резко поднимает планку требований к конструкционным материалам.
Качественная подшипниковая сталь обязательно должна быть максимально однородна по своей структуре. Не допускается значительного вхождения неметаллических частиц и иных посторонних фрагментов. Еще с начала ХХ века активно применяют в подшипниках высокоуглеродистый хромистый сплав. В некоторых случаях куда лучшим выбором оказывается сталь с повышенным содержанием марганца. Состав и практические свойства позволяют сближать такой металл с инструментальными продуктами, но используют его как конструкционный сплав специального назначения.
В
таблице 1 приведен химический состав
некоторых марок шарикоподшипниковой
стали: хромистой, хромомарганцевокремнистой
и коррозионностойкой; для сравнения
также указаны марки некоторых зарубежных
производителей.
Проблема
недостаточной прокаливаемости и
теплостойкости изделий из хромистой и
хромомарганцевокремнистой стали в ряде
стран решена путём создания их модификаций,
содержащих небольшие добавки молибдена,
ванадия (на немецких предприятиях
сортамент выплавляемой стали содержит
марку X90CrMoV18, содержащую некоторое его
количество) и вольфрама.
Высокое
содержание углерода в шарикоподшипниковых
сталях обуславливает их высокую прочность
после термической обработки и стойкость
против истирания поверхностная твёрдость
определяется концентрацией углерода
в мартенсите, поэтому она одинакова для
всех шарикоподшипниковых сталей.
Таблица
1 — Химический состав некоторых марок
шарикоподшипниковой стали
*
— не более
Марганец,
как и хром, увеличивает твёрдость и
сопротивляемость стали истиранию. Но
одновременно он способствует росту
зерна при нагреве, в результате чего
при термической обработке может
образовываться крупнозернистая структура
перегретой стали. Отрицательное влияние
на вязкость шарикоподшипниковой стали
оказывает кремний. Но марганец и кремний
являются раскислителями, и чем выше их
содержание, тем полнее раскислена сталь,
поэтому присутствие этих элементов в
шарикоподшипниковой стали всех марок
желательно не более 0,35 %Si и 0,4 %Mn.
Исключение составляют стали для
изготовления деталей крупных подшипников
типа ШХ15СГ. Повышенное содержание
марганца и кремния в этой стали объясняется
тем, что эти элементы уменьшают критическую
скорость закалки, снижая тем самым
склонность стали к короблению и
тещинообразованию при закалке.
Повышение
суммы легирующих до 5 % и выше может
быть оправдано только в случаях особых
эксплуатационных условий (коррозионная
среда, повышенные рабочие температуры
и др.), так как оно приводит к увеличению
расходов на обрабатываемость и снижению
долговечности (рисунок 1) по сравнению
с теми же показателями традиционных
подшипниковых сталей.
Изменение
содержания легирующих элементов
оказывает различное влияние на свойства
подшипников. Добавка молибдена оказывает
положительное влияние на долговечность
подшипников.
Предлагаемая
замена стали ШХ15 на сталь с пониженным
содержанием хрома (85Cr1Mo) не была
осуществлена, несмотря на более короткое
время отжига, из-за пониженной (8 мм)
прокаливаемости. Эту сталь целесообразно
применять там, где требуется улучшенная
деформируемость в холодном состоянии.
В
настоящее время наиболее полно
удовлетворяют требованиям по содержанию
вредных включений стали, произведённые
методами ЭШП и ВДП. Однако этот металл
слишком дорогой и, кроме того, не
установлены экономически целесообразные
требования по чистоте металла.
Среди
вредных для шарикоподшипниковой стали
элементов можно выделить фосфор, медь,
никель, кислород, водород, азот, олово,
свиней, мышьяк.
Фосфор увеличивает
склонность стали к образованию
крупнозернистой структуры при нагреве,
повышает хрупкость и уменьшает прочность
на изгиб, что в свою очередь увеличивает
чувствительность стали к динамическим
нагрузкам и склонность изделий к
появлению закалочных трещин. В связи с
этим содержание фосфора в металле
ограничивают.
Медь,
хотя и увеличивает твёрдость, предел
прочности и прокаливаемость стали,
является нежелательной примесью, так
как с повышением содержания меди при
горячей механической обработке
увеличивается образование поверхностных
трещин и надрывов.
Содержание никеля ограничивают
в связи с тем, что его присутствие снижает
твёрдость стали.
Олово, свинец и мышьяк,
а также азот уменьшают
сопротивляемость стали выкрашиванию.
Водород отрицательно
влияет на качество стали ввиду того,
что снижение растворимости его при
снижении температуры металла вызывает
повышенные локальные давления в металле,
приводящие к образованию флокенов.
Шарикоподшипниковые
стали применяются для деталеЙ
шарикоподшипников (шариков, роликов,
колец). Обозначаются буквой Ш —
шарикоподшипниковая, X — хромистая и
цифрой, указывающей содержание хрома
в десятых долях процента.
Содержание
углерода в подшипниковых сталях
составляет около 1%. С увеличением
содержания хрома и легирующих элементов
увеличивается глубина прокаливаемости,
т.е. увеличивается возможность изготовления
из них деталей большего размера.
Поставляется по ГОСТ 801-78.
ШХ6 —
шарикоподшипниковая сталь, содержащая
1% углерода и 0,6% хрома;
ШХ15СГ
— шарикоподшипниковая сталь; содержащая
1% углерода, 1,5% хрома, кремния и марганца
до 1%.
36.
Сплавы химические
соединения образуются
между элементами, значительно
различающимися по строению и свойствам,
если сила взаимодействия между
разнородными атомами больше, чем между
однородными.
1. Постоянство
состава, то есть сплав образуется при
определенном соотношении компонентов,
химическое соединение обозначается Аn
Вm/
2. Образуется
специфмческая, отличающаяся от решеток
элементов, составляющих химическое
соединение, кристаллическая решетка с
правильным упорядоченным расположением
атомов (рис. 4.2)
3. Ярко
выраженные индивидуальные свойства
4. Постоянство
температуры кристаллизации, как у чистых
компонентов
Рис. 4.2. Кристаллическая
решетка химического соединения
22.
Холодной деформацией называют
такую, которую проводят при температуре
ниже температуры рекристаллизации. Поэтому
холодная деформация сопровождается
упрочнением (наклепом) металла.
Особый
вид пластической деформации — наклеп.
В наклепанном слое возникают значительные
напряжения сжатия.
Однако следует иметь в виду, что при
высоких скоростях обработки металла
температура может подниматься до таких
значений, когда начинаются структурные
изменения в наклепанном и нижележащем
слоях. В этом случае напряженное состояние
поверхностного слоя может претерпевать
значительные изменения, т. е. вместо
напряжений сжатия могут возникать
и напряжения
растяжения.
На свойства металла
оказывают влияние остаточные напряжения,
возникающие от неодинаковой деформации
различных частей деталей. Они вызываются
и неоднородным составом металла, а также
разным нагревом и охлаждением разнородных
частей детали. Остаточные напряжения
могут суммироваться с напряжениями,
вызванными внешними силами, благоприятно
или неблагоприятно, увеличивая или
уменьшая прочность детали. Под действием
остаточных напряжений деталь
может покоробиться, треснуть и т. д.
Для устранения напряжений деталь
подвергают отжигу или нормализации.
При этом температура выше температуры
рекристаллизации.
Абсолютная
температура начала рекристаллизации,
как это установлено акад.А. А. Бочваром,
для чистых металлов равна 0,4 от абсолютной
температуры плавления. Абсолютные
температуры берутся в градусах
Кельвина.
Холодной
деформации,
как правило, подвергают предварительно
деформированные заготовки (сортовой
прокат, листы и т. д.), а горячей — как
деформированные, так и литые, например
в виде слитков.
С ростом степени
холодной пластической деформации
усиливаются прочностные свойства
металла (увеличиваются пределы прочности
и текучести, твердость), а пластические
свойства ослабевают (уменьшаются
относительное удлинение и сужение,
ударная вязкость).
Однако если наклепанный металл нагреть
до температуры рекристаллизации, после
охлаждения его прочностные свойства
будут такими же, как и до холодной
деформации.
Холодная
пластическая деформация сопровождается
искажением кристаллической решетки
металла — образованием новых дислокаций,
дроблением зерен, их сплющиванием и
удлинением в направлении наибольшего
течения металла. В результате искажений
кристаллической решетки и появления
остаточных напряжений изменяются
физико-химические свойства металла,
например уменьшаются электро- и
теплопроводность. В результате холодной
деформации в металле возникают также
преимущественная ориентировка (текстура)
и анизотропия свойств, т. е. их неоднородность
в зависимости от направления
преимущественного течения металла.
Соседние файлы в папке ¬ â¥à¨ «®¢¥¤¥ì¥
В
процессе работы детали подшипников
(шарики, ролики, обоймы) испытывают
высокие удельные знакопеременные
нагрузки.
Стали
для подшипников должны обладать высокой
твёрдостью и износостойкостью в сочетании
с высоким пределом контактной усталости.
К сталям предъявляют требования по
минимальному содержанию неметаллических
включений, развитию карбидной
неоднородности и пористости. Эти дефекты,
находясь в поверхностном слое, становятся
концентраторами напряжений и вызывают
преждевременное усталостное разрушение.
Долговечность сферических подшипников
в значительной мере определяется
отклонением от сферической формы,
приводящим к биению. Эти отклонения
тщательно контролируются.
Подшипниковые
стали маркируют буквами Ш и Х, что
означает шарикоподшипниковая и хромистая.
Цифра после буквы показывает содержание
хрома в десятых долях процента. Подшипники
общего назначения изготавливают из
сталей ШХ15, ШХ15СГ. Они проходят
термообработку – закалку при 820–850 °С,
охлаждение в масле. Перед отпуском
детали охлаждают до 20–25 °С для обеспечения
стабильности их работы (за счёт уменьшения
количества остаточного аустенита).
Отпуск проводят при 150–170 °С в течение
одного – двух часов. После такой обработки
структура стали состоит из мартенсита
и мелких включений карбидов хрома и
имеет твёрдость 60–64 HRC.
Подшипники,
работающие в условиях агрессивных сред,
изготавливаются из коррозионностойкой
высокохромистой стали 95Х18–Ш, в которой
содержится 0,95 % углерода и 18 % хрома.
Для
изготовления высокоскоростных подшипников
применяют стали после электрошлакового
переплава (к марке таких сталей добавляют
букву Ш, например ШХ15–Ш), отличающиеся
наибольшей однородностью строения. Эти
стали необходимы для изготовления
высокоточных приборных подшипников,
детали которых тщательно полируют с
тем, чтобы обеспечить минимальный
коэффициент трения.
Детали
подшипников качения, испытывающие
большие динамические нагрузки,
изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с
последующей их цементацией и термической
обработкой.
Стали
для подшипников качения.
Подшипниковые
стали (шарико-подшипниковые) представляют
собой износостойкие высококачественные
сплавы, которые хорошо противодействуют
серьезным контактным нагрузкам. В таких
сплавах всегда имеется хром и не менее
0,95 процентов углерода (до 1,15 процентов).
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.
Все
шарико-подшипниковые сплавы с высоким
содержанием углерода обычно делят на
две группы:
Для
изделий качения, которые функционируют
при повышенных температурах и в
агрессивных по своим характеристикам
средах. К ним относят тепло- и нержавеющие
стали (коррозионностойкие).
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.
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.
Исходя
из всего вышесказанного, становится
понятным, что шарико-подшипниковые
сплавы обязаны обладать:
-повышенной
прочностью и стойкостью против
механического износа;
-незначительной
хрупкостью в сочетании с повышенным
показателем сопротивления физической
усталости металла.
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.
Термическая
обработка деталей подшипников из сталей.
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 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 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.
Сплавы
для подшипников скольжения.
Работоспособность
подшипника скольжения в значительной
степени определяется материалом
вкладышей. Материал вкладыша должен
быть выбран так, чтобы в сочетании с
материалом цапфы была образована
антифрикционная пара. В свою очередь,
подшипники работают тем надежнее, чем
выше твердость поверхностей цапф.
К
подшипниковым материалам могут быть
предъявлены следующие комплексные
требования, соответствующие основным
критериям работоспособности подшипников:
б) высокая
сопротивляемость изнашиванию и заеданию;
в) достаточная
усталостная прочность (при пульсирующей
нагрузке).
Для
обеспечения этих требований наиболее
важны следующие основные свойства
подшипниковых материалов:
а) теплопроводность,
обеспечивающая интенсивный теплоотвод
от поверхностей трения, и малый коэффициент
линейного расширения во избежание
больших изменений зазоров в подшипниках;
б) прирабатываемоcть,
обеспечивающая умень-шение кромочных
и местных давлений, связанных с упругими
деформациями и погрешностями изготовления;
в) хорошая
смачиваемость маслом и способность
образовывать на поверхностях стойкие
и быстро восстанавливаемые масляные
пленки;
Кроме
того, существенное значение имеют
технологические свойства: литейные,
хорошая обрабатываемость резанием и
т. д. Хорошим антифрикционным свойствам
материала благоприятствует структура,
характеризуемая пластической основой
и более твердыми вкрапленными в неё
составляющими.
Подшипниковые
антифрикционные материалы по своему
химическому составу делятся на следующие
группы: баббиты, бронзы, сплавы на
цинковой основе, сплавы на алюминиевой
основе, антифрикционные сплавы на
железной основе.
Материалы
выбирают с учетом работы в паре со
стальными шейками вала, которые как
правило закаливают. Предъявляются
требования: низкий коэффициент трения
в паре со сталью, быть износостойкими,
обладать высоким сопротивлением
усталости. Работоспособность подшипника
скольжения зависит от твердости шеек
валов, поэтому их, как правило ,закаливают.
К
подшипниковым материалом представляют
комплексные требования, соответствующие
основным критериям работоспособности
подшипников скольжения. Они должны
иметь низкий коэффициент трения в паре
со стальной шейкой вала, быть износостойкими
и обладать высоким сопротивлением
усталости.
Первому
критерию удовлетворяют антифрикционные
металлические, металлокерамические и
некоторые не металлические материалы.
К
металлическим материалам, наиболее
распространенным в машиностроении,
относят :антифрикционный чугун, бронзу
(оловянистую и безоловянистую) и цинковые
сплавы.
Соседние файлы в предмете Материаловедение
Расшифровка
У любого типа стали имеются уникальные физико-эксплуатационные параметры, плюсы и минусы. Сталь ШХ15 относится к группе низколегированных углеродистых сплавов с хромом. В нашей стране этот материал создавался как основа для изготовления подшипников — это было связано с высокой устойчивостью к окислению, твёрдостью и износоустойчивостью. В Европе сплав получил известность как ножевой, его нередко используют для создания режущего инструмента. Именно поэтому в обиход вошли оба определения — и подшипниковая, и ножевая сталь.
Этот материал способен удерживать структуру кристаллической решетки и свойства даже при продолжительной работе с твердыми материалами. Он не сыпется в крошку и не раскалывается. При этом характеризуется стойкостью к образованию окислов, а это особенно актуально для инструментов, эксплуатирующихся в контакте с водой и агрессивными средами. Производство этой стали регламентируется нормативом ГОСТ 801-78, в соответствии с ним и маркируется как «сталь ШХ15». На первый взгляд это может показаться набором буквенно-цифровых символов. Однако, это не так — каждое обозначение несет в себе определённую смысловую нагрузку:
Действующий норматив прописывает все этапы производства стали ШХ15, ее физические, химические и эксплуатационные характеристики, в том числе допустимый предел элементов в структуре.
Кроме того, свои ГОСТы разработаны для каждого изделия, в производстве которого участвует этот сплав.
Применение
Сталь марки ШХ15 востребована для создания деталей и изделий, для которых основным требованием является контактная прочность, повышенная устойчивость к износу и исключительная твёрдость. К ним относят:
Все перечисленные детали в процессе эксплуатации испытывают значительную нагрузку одновременно, при этом она распределяется по весьма малой плоскости. Это приводит к частому возникновению знакопеременных напряжений в участках на уровне 3-5 МН/м2 (300-500 кгс/см2). Подобная нагрузка диктует свои особенности закалки стали — её температура очень высока, только так можно придать материалу необходимый уровень прочности.
Также следует заметить, что такие воздействия не проходят для металла бесследно. Они всегда вызывают деформацию шариков и роликов подшипников в большей или меньшей степени. Со времени возникает «усталость металла», на подшипнике появляются в трещины. При прохождении такого участка возникает удар, он лишь усиливает деформацию, и в конечном счете подшипник будет выведен из строя. В наши дни сталь марки ШХ15, начавшая свою «жизнь» в качестве инструментального сплава, изменила свое назначение и превратилась в один из лучших материалов для изготовления ножей и лезвий. Этот сплав подвержен температурной обработке, потому ему можно с легкостью придавать любую желаемую форму, заодно повышая уровень прочности и твердости.
Лезвия, сделанные из этого материала, служат верой и правдой долгие годы. Устойчивость к истиранию позволяет сократить периодичность заточек режущего основания и при этом длительный период времени поддерживать оптимальную остроту клинка. Отличительной чертой таких ножей является биоинертность, нейтральная реакция на действие кислотно-щелочных сред и воды. При этом поверхность ножа не подвергается окислению и не покрывается ржавчиной. Такие инструменты проявляют высокую режущую способность. Они с легкостью справляются с нарезкой кусков мяса разной плотности и толщины. Их применяют для быстрой шинковки овощей, нарезки колбас, сыра, а также хлеба.
Помимо этого, сплав ШХ15 актуален для создания тактических, сапожных ножей и подарочных финок. Их исключительные качества делают и материал незаменимым для создания охотничьих ножей. Свою форму и структуру они будут сохранять даже при обработке толстых веток и костей животных.
Состав и структура
Сталь, маркированная как ШХ15, имеет довольно необычную структуру и состав, что во многом и определяет её физические и эксплуатационные параметры. Сплав относится к категории низколегированных хромистых составов. В его состав входят различные примеси, которые придают материалу стойкость к окислительным процессам, прочность и твёрдость. К числу легирующих элементов относят такие.
При малых карбидах структура сплава отличается однородностью — именно эта особенность объясняет повышенную стойкость материалов к износу.
Маркировка и марки
Обычно шарикоподшипниковые стальные сплавы подразделяют на:
В последнем случае может практиковаться дополнительная цементация. Ее глубина составляет 0,08-0,35 см. В некоторых случаях дополнительно наклепывают поверхность. Это позволяет повысить стойкость к усталостным воздействиям. Стали 20Х18Н4А и 18ХГТ, а также 95Х18 маркируются так же, как и все конструкционные сплавы, вообще.
Стали категории «ШХ» обозначаются иначе. Литера «Ш» говорит о шарикоподшипниковой категории. Символ «Х» свидетельствует о наличии хрома. Цифры после нее показывают концентрацию хрома (в десятых долях процента). В любом случае концентрация углерода составляет примерно 1%.
В ряде случаев маркировка включает указания на концентрацию кремния и марганца. Ее расписывают в точном соответствии с государственными стандартами.
При использовании специализированных вариантов выплавки маркировка включает дополнительные символы после дефиса. Буква «Ш» там значит получение путем электрошлакового переплава (если есть буква «Д» — то она говорит о двойном переплаве). Символ «В» пишут для металла, который вакуумировали вне печи, а «ПВ» показывает использование методики прямого восстановления.
В основном подшипниковые стали используются для изготовления подшипников качения и других подшипниковых изделий — шариковых, радиально-упорных, самоустанавливающихся и прочих типов. Помимо основных частей подшипников, из них делают еще и обоймы. Такие обоймы довольно надежны, весьма стойко переносят износ и имеют вполне приличное качество. Но на этом сферы применения подшипниковых сталей не заканчиваются.
Из них изготавливают и многие другие изделия. В основном речь идет про выработку ножей и прочих бытовых товаров. Чаще всего для ножевого производства отпускают хромистую сталь ШХ15, отличающуюся низким уровнем легирования. Подобный сплав хорошо переносит коррозионные воздействия и мало подвержен износу, к тому же он довольно твердый.
Грамотная термическая обработка позволит нарастить твердость материала без потери его пластичности и вязкости.
Еще могут быть сделаны:
Выплавка
В РФ и других странах постсоветского пространства подшипниковые стали плавят в электродуговых печах. На долю кислых мартеновских печей приходится лишь 10% вырабатываемого сплава. Во втором случае речь может идти как об активной плавке, так и о восстановлении кремния. Обе эти металлургические технологии оказываются весьма хороши. Активный метод означает введение известняка, руды и других необходимых веществ напрямую во время работы.
В описываемой практике потенциал кремния при окислении весьма высок. Восстановительная способность его уменьшается. Понижается мобильность жидкого шлака. Восстановительная методика позволяет исключить добавление посторонних веществ в процессе плавки.
Кремнезем имеет важную роль — благодаря ему шлаковый расплав при повышении температуры насыщается очень эффективно.
Электродуговые печи могут вести обработку руды синтетическим шлаком, в котором содержится много глинозема. Сам шлак перед подачей в ковш обрабатывают по особой технологии в другом аппарате. Металл может быть обработан также и за счет шлака, появившегося в самой печи. Оба эти варианта допускают как переплав, так и введение свежей шихты.
Раскисление производится за счет присадки кускового алюминия. Дорабатывать подшипниковые стали после плавки можно за счет:
Из-за суровых ограничений по концентрации вредных примесей наиболее практично производство со свежей шихтой. Отходы применяют при плавке сталей с большим количеством легирующих компонентов. При большом объеме отходов выбирают переплавную методику. Емкость используемых печей преимущественно колеблется от 10 до 200 тонн. Сами печи требуется основательно футеровать. После плавки стали с вредными для подшипников компонентами понадобится несколько промывных плавок.
Качественная шихта должна быть сделана из отходов углеродистой стали. В ней не допускается наличие чугуна. Добавить углерод можно в виде кокса либо боя электродов. Его концентрация в шихте может достигать 1,2-1,3%. Окислительный шлак позволяет еще в момент плавления быстро окислять фосфор.
Примеси окисляют как железной рудой, так и кислородом (в газообразной форме). Так как подшипниковые стали флокеночувствительны, надо минимизировать присутствие водорода. Когда окислительный шлак скачан, а металл науглеродили, ванну раскисляют. Для этой цели применяют металлические раскислители.
Практикуется еще и вакуумная обработка, которую на передовых предприятиях сочетают со шлаковой методикой.
Обработка
Важным технологическим процессом любого сплава является химическая обработка. Она призвана увеличить его основные эксплуатационные преимущества. Как правило, производят закалку уже готовых вещей — это позволяет придать особую прочность их поверхностному слою. В процессе закалки ШХ15 возникают определенные сложности. Дело в том, что структура металла изначально предполагает высокую твердость, а по завершении обработки она в несколько раз возрастает. Это существенно затрудняет заточку ножей и прочих режущих инструментов. В закаленном виде сталь почти не поддается резанию, поэтому все детали могут прокаливаться исключительно после того, как им будет придана окончательная конфигурация.
Отжиг подшипниковой стали производится при температурном режиме в 800 градусов. Термообработка устраняет внутреннее напряжение и тем самым сводит к минимуму риск появления сколов и растрескивания. Также следует иметь в виду, что сплав нельзя охлаждать в воде, так как это может вызвать структурные деформации. Ковку производят в термическом диапазоне: на входе 1150 градусов и на выходе 800 градусов. При этом сечения менее 250 мм охлаждаются на открытом воздухе, а величиной от 251 до 350 мм — в яме. Сталь подвержена варке, обычно используют контактно-точечную технику (КТС), в домашних условиях будет целесообразно сварить материал электросваркой.
Свойства
В сталь для подшипников обязательно вводят значительное количество углерода. Этот компонент гарантирует превосходную прочность и предотвращает истирание. Именно по насыщенности мартенсита углеродом можно судить о твердости готовой поверхности. В норме этот показатель идентичен для всех подшипниковых сплавов – как обычных, так и применяемых в особых условиях. Твердость расположенных глубоко слоев определяется уровнем прокаливаемости, а на него, в свою очередь, влияет прежде всего концентрация хрома.
Чем больше этого легирующего элемента добавляют, тем медленнее аустенит будет преобразовываться в перлит. Особенно много его должно быть при изготовлении крупных частей. Карбиды хрома тверды и обеспечивают отличную износостойкость. Они же гарантируют, что мартенсит сможет перенести отпуск очень хорошо и уменьшит восприимчивость металла к перегреву.
Последний момент позволяет проводить термическую обработку практически безбоязненно.
Однако и это свойство, и мелкозернистость не позволяют игнорировать тот факт, что при избытке хрома однородность стали нарушается. Практически всегда поэтому его вводят не более 1,65%. Исключения связаны с совершенно особыми случаями, когда негативным эффектом вполне можно пренебречь. Роль марганца — наращивание твердости и стойкости к истиранию. Правда, этот компонент активизирует рост прогреваемых зерен, что повышает опасность перегрева.
Кремний плох тем, что из-за него неоправданно снижается вязкость. Все же надо понимать, что кремний и марганец — раскислители. Увеличивая их содержание до определенного уровня, добиваются максимального раскисления стали. Однозначно вредны медь, фосфор и никель — от них стараются избавляться всеми средствами. Под влиянием фосфора повышается опасность возникновения крупных зерен, хрупкость металла растет, а сопротивляемость изгибающей нагрузке падает.
А вот роль серы не может быть оценена однозначно, как в случае с иными сталями. При ее отсутствии или очень низком содержании обработка поверхности усложняется. В некоторых случаях вовсе не удается получить высококачественные изделия. Мнения части специалистов о сокращении срока эксплуатации подшипников из сернистой стали и их высоком усталостном разрушении все чаще критикуются. И все же концентрацию серы стремятся ограничить.
Медь, несмотря на повышение твердости сплава и улучшение его прокаливаемости, признана нежелательным компонентом. Не меняет дела и рост предела прочности. Это связано с высоким риском возникновения трещин и надрывов на поверхности при горячей механообработке. Никеля также не должно быть много, потому что он не позволяет добиться твердости металла. Интенсивность крошения зависит от присутствия свинца, олова и мышьяка.
Негативный эффект еще бывает связан с:
Планка требований к подшипниковой стали высока и по другим критериям. Очень важна строго выдержанная макроструктура. Недопустимы любые включения шлаков и газов. Под запрет попадают все карбидные ликвации, а также полосчатость. При значительном количестве углерода велика опасность возникновения усадочных дефектов, таких как раковины и пористость.
Особенно критичны осевая и суммарная виды пористости. Борьба с этими проблемами ведется за счет отливки некрупных (не более 3000 кг слитков). Их конусность увеличивают как минимум на 5%. Иногда прибегают к утеплению верхушек слитков. Из-за обширного кристаллизационного интервала ликвация примесей развивается очень интенсивно — особенно это характерно для хрома и углерода.
Такие элементы превращаются в карбиды. В ходе прокатки проблемные участки тянутся в том же направлении. Как результат — появляются неоднородные полосы. Разница между ними касается и подверженности травлению.
Избежать подобной ситуации помогает долгая выдержка заготовок при сильном нагреве, она же гомогенизация.
Значительная карбидная ликвация считается абсолютно недопустимым нарушением из-за твердости и хрупкости образующих ее веществ. В итоге сложный участок склонен крошиться. Предотвращение карбидной ликвации достигается при долгой выдержке металла на 1150-1160 градусах. Такой режим гарантирует исчезновение эвтектических карбидов. Без этой процедуры нельзя нагревать металл перед дальнейшей прокаткой.
Шарикоподшипниковые стали делят на 2 основательные группы. Одна из них выпускается для задействования при сильном разогреве и в разъедающей среде. Такие сплавы дополнительно подразделяют на теплостойкую и нержавеющую (вернее, коррозионностойкую) подгруппы. Иной разряд специализирован для применения в типовых условиях. Обычно подразумевается легирование кремнием и молибденом.
Аналоги
В разных странах мира к подшипниковой стали предъявляются идентичные требования. Именно поэтому сталь марки ШХ5 имеет множество аналогов, которые отличаются схожестью структуры и химического состава, особенностями производственной технологии, технико-эксплуатационными и физическими характеристиками. В России качестве заменителей выступают сплавы ШХ9, ШХ12, а также ШХ15СГ.
Важно: свойства стали марок ШХ15 и аналогов, а также их цена не идентичны. Они только имеют множество схожих характеристик. Близкие по составу и структуре сплавы изготавливают на территории Евросоюза, в Америке, на территории Китая, Юж. Кореи, а также в Австралии. Наибольшее распространение имеют зарубежные стали 100CrMn6 (Германия, DIN) и 1.3520 (Европа, EN).
Обзор марок подшипниковых сталей и их применение
Ознакомиться с обзором марок подшипниковых сталей и их применением будет очень полезно для практиков. Стоит изучить маркировку шарикоподшипниковых сталей и узнать, из какой конкретно стали обычно делают обойму подшипников. Необходимо также изучить твердость сталей и их состав, особенности применения и конкретные свойства.
Характеристики
Сталь марки ШХ15 обладает рядом механических свойств, в том числе склонностью к высокой отпускной хрупкости и повышенной твердостью по Роквеллу. К другим физико-техническим параметрам относят:
Материал обладает флокеночувствительностью и хорошей шлифуемостью.
Плюсы и минусы
Как и любой другой сплав, сталь марки ШХ15 имеет свои преимущества и недостатки. К основным плюсам относят:
Также при заточке материал даёт тонкую кромку, именно это делает его незаменимым для выпуска ножей и лезвий.
Не обошлось и без недостатков. Впрочем, для сплава марки ШХ15 они немногочисленны:
Очевидно, что достоинства материала явно перевешивают его недостатки и определяют сферу использования. На сегодняшний день эта сталь является одной из самых популярных марок. Активный спрос на нее объясняется её высокими эксплуатационными характеристиками в сочетании с демократичной ценой.
No comment