Из какой стали делают подшипники

2 Релакс – А что такое ТМО?

quote: Originally posted by Серрргей:
Господа, я совершенно не копенгаген в марках стали, но если из клапана сделать и правильно закалить, то будет ли сталь хоть немного конкурировать с ножами Южный крест из 95х13 . И возможно ли достичь твердости 45-50 Р?

2 Релакс – А что такое ТМО?

Сталь наверное всё ж таки правильней назвать как 95Х18, а не 95Х13. Если сварить сталь с указаннам содержанием углерода и лигировать её 13% хрома, то она будет довольно заметно корродировать. Для ножа, которым предполагается резать, нормальная твёрдость клинка 58HRC и выше.

quote: Originally posted by Серрргей:
Господа, я совершенно не копенгаген в марках стали, но если из клапана сделать и правильно закалить, то будет ли сталь хоть немного конкурировать с ножами Южный крест из 95х13 . И возможно ли достичь твердости 45-50 Р?

2 Релакс – А что такое ТМО?

Твердости 45-50 достичь на клапанке я думаю особых проблем не составит, но возникает вопрос зачем такая твердость? (Только разве, что для кухонного ножа и то я бы лично не хотел) Это очень мягкая сталь. На VN стоит вроде 55-57 если не ошибаюсь. Клапанку и 95Х18 сравнивать вообще нельзя абсолютно разные стали посмотрите хим. составы в справочниках и влияение на стали различные лигирующие элементы. И конкурировать с ЮК она не будет (по моему мнению) в частности возьмем углерод (с) влияющий на твердость и износостойкость стали. в клапанке – 0,4 в 95х18 – 0,95 (грубо). Хром (Х) создает оксидную пленку на поверхности металла, чтобы сталь была нержавеющая (малоржавеющая – это будет более верно) его должно быть не менее 12%. В клапанке – 9%. Я в этих вопросах тоже не спец, лучше если кто в металловедении более силен проконсультирует.

Я конечно не Релакс, но отвечу (надеюсь Релакс не обидется). ТМО – термообработка, может включать в себя отжиг, закалку и отпуск.

quote: Originally posted by Серрргей:
Точно, на 18.
Что касается твердости выше 58. вот: там почти в самом начале сказано, что не более 60.
[URL=http://www.knifecenter.ru/index.php?go=Page& >

Нет, не точно. Потому как не “на 18”, а Х18. Русская буква “Х”. В совковой классификации сталей обозначает процентное содержание хрома. Потому и “Х”. Что до твёрдости клинка и указанной ссылки, то вроде как рекомендуемый диапазон обозначен как НЕ МЕНЕЕ.

О СТАЛИ. Твердость рабочей стали из которой выполнен клинок (точнее режущая кромка) должна составлять не менее 45 – 60 HRC. Сталь мягче 45 HRC нет смысла затачивать, так как полученная режущая кромка легко сминается, а сталь тверже 60 HRC, хо-тя и неплохо затачивается, очень бы-стро тупится – выкрашивается острие.

Основываясь на личном опыте я бы нижний предел твёрдости поднял с 45 HRC до хотя бы 52-53 HRC. Вообще-то в реальной жизни всё зависит от правильности проведеной термообработки. Это если с самой сталью всё в порядке. Опять же, из личного опыта, могу сказать многое зависит и от того как выкована заготовка. Если её “перемесили”, то по характеристикам клинок будет заметно лучьше чем если просто сделали из листа или обоймы подшипника. Из листа самый худший вариант.

Вторая сталь обладает неплохими антикоррозионными свойствами, особыми свойствами не обладает, хотя часто из нее делают клинки.

Я бы сделал из ШХ 15. Должен Вас предостеречь, что грамотно расковать и после слесарной обработки закалить клинок непросто. Главное это то, что если это делают неспециалисты, то возможно обезуглероживание, а также излишняя хрупкость или крупное зерно.
Твердость для ножа ниже 55HRC на мой взгляд не имеет смысла. Для ШХ15 58-60HRC часто считают что лучше 60-62HRC.
Поспрошайте на www.knife.ru там есть мастера, были ветки и про ШХ15.

С уважением,
Олег

quote: Originally posted by OVM:
Твердость для ножа ниже 55HRC на мой взгляд не имеет смысла.

Конструкционные подшипниковые стали

Свойства подшипниковой стали

Подшипниковую сталь применяют главным образом для изготовления шариков, роликов и колец подшипников.

В процессе работы эти элементы находятся под воздействием высоких знакопеременных напряжений. Каждый участок рабочей поверхности ролика или шарика и дорожки колец испытывает многократное нагружение, которое распределяется в пределах очень небольшой опорной поверхности. В результате в каждом участке поверхности возникают местные контактные знакопеременные напряжения порядка 3—5 Мн/м 2 (300—500 кгс/см 2 ) — сжимающие на поверхности контакта и растягивающие у ее контура. Напряжения вызывают упругую и незначительную остаточную деформации элементов подшипника. Многократное повторение деформации приводит к появлению усталостных трещин, выкрашиванию поверхности подшипника, в результате чего при качении возникают удары, под действием которых разрушения усиливаются и подшипник выходит из строя.

Помимо усталостного разрушения, дорожки колец подшипника и сами тела качения (шарики и ролики) подвергаются истиранию. Причиной механического разрушения — истирания являются тангенциальные напряжения, вызываемые силами трения при скольжении контактирующих поверхностей. В результате истирания от поверхности металла отделяются тонкие чешуйки, что вызывает увеличение зазора между кольцами и телами качения и усиление абразивного износа.

Рисунок 1 – Подшипник

Величина истирания зависит от точности изготовления и сборки подшипника, условий его нагружения, смазки, наличия абразивных частиц, химически активной среды и от ряда других причин. При интенсивном истирании поверхностные слои шарикоподшипниковой стали могут изнашиваться настолько быстро, что в них не успевают появиться усталостные трещины. В этом случае подшипник выходит из строя еще до усталостного разрушения.

В некоторых случаях детали подшипников подвергаются совмещенным раздавливающим и изгибающим нагрузкам, нагрузкам динамического характера (ударным).

В соответствии с этим, cвойства шарикоподшипниковой стали должны характеризироваться высокой упругостью и высоким сопротивлением усталости при малой хрупкости, отличаться высокой износостойкостью и прочностью. Так как детали подшипников работают, соприкасаясь отдельными точками рабочих поверхностей, особое значение для подшипниковой стали приобретает ее физико-химическая однородность и чистота по неметаллическим включениям. Присутствие в стали скоплений твердых карбидов, неметаллических включений, волосовин, трещин и других концентраторов напряжений вызывает быстрый износ отдельных участков поверхности и преждевременный выход из строя подшипника.

В качестве материала для изготовления деталей подшипников наиболее широко используется разработанная еще в 1901 г. высокоуглеродистая (0,95—1,15% С) хромистая (0,40—1,65% Сr) сталь (например, шарикоподшипниковая сталь ШХ15, содержащая 0,95—1,10% С; 1,30—1,65% Сr; 0,20—0,40% Мn; 0,15—0,35% Si; не более 0,027% Р; 0,02% S; 0,25% Сu и 0,30 Ni, или сталь ШХ15СГ, в которой больше Мn — 0,90—1,20% и Si — 0,40—0,65%). По своему составу и свойствам подшипниковая сталь примыкает к группе инструментальных сталей, но по применению она является конструкционной специального назначения.

Высокое содержание в подшипниковых сталях углерода сообщает им после термической обработки высокую прочность и стойкость против истирания. Высокая поверхностная твердость рассматриваемой стали определяется концентрацией углерода в мартенсите, и поэтому она одинакова для всех подшипниковых сталей. Твердость внутренних слоев зависит от глубины прокаливаемости, зависящей в свою очередь от содержания хрома.

Хром замедляет превращение аустенита в перлит и тем самым увеличивает прокаливаемость стали. Поэтому чем крупнее детали подшипников, тем с большим содержанием хрома применяют шарикоподшипниковую сталь для их изготовления.

В системе железо—хром—углерод образуется сложный карбид (Fe, Сr)3С и твердый раствор хрома в железе. Высокая твердость карбидов хрома повышает износостойкость шарикоподшипниковой стали. Кроме того, хром увеличивает стойкость мартенсита против отпуска, уменьшает склонность стали к перегреву, придает ей мелкозернистую структуру. Но при высоком содержании хрома (более 1,65%) трудно получить однородную структуру, поэтому в шарикоподшипниковых сталях обычно содержится не более 1,65% Сr.

Марганец, как и хром, увеличивает твердость и сопротивляемость стали истиранию и одновременно способствует росту зерна при нагреве, в результате чего при термической обработке может образоваться 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 бывает раскислена сталь. Поэтому присутствие этих элементов во всех марках шарикоподшипниковой стали желательно, но не более 0,35% Si и 0,40% Mn. Исключение составляет сталь марки ШХ15СГ, применяемая для изготовления крупных деталей. 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 трещинообразованию при закалке.

Вредными примесями для шарикоподшипниковой стали являются фосфор, медь и никель.

Фосфор увеличивает склонность стали к образованию крупнозернистой структуры при нагреве, повышает хрупкость стали и уменьшает ее прочность на изгиб. Это в свою очередь увеличивает чувствительность подшипников к динамическим нагрузкам и склонность изделий к образованию закалочных трещин. В связи с этим содержание фосфора в металле строго ограничивают.

Вопрос о влиянии серы на свойства подшипниковой стали нельзя считать решенным. Мнение о том, что сера оказывает отрицательное влияние, снижая устойчивость стали против истирания и способствуя ее усталостному разрушению при выходе на рабочую поверхность сульфидов, вызывает сомнения. Результаты некоторых исследований показывают, что с повышением содержания серы в шарикоподшипниковой стали до 0,05—0,10% и при соответствующем увеличении количества сульфидов продолжительность службы подшипников повышается.

Вместе с тем известно, что сера улучшает обрабатываемость стали. При очень низком содержании серы получить высококачественную поверхность рабочих тел затруднительно. По-этому не исключена целесообразность повышенного содержания серы в стали с тем, чтобы получить более совершенную рабочую поверхность и увеличить тем самым срок службы подшипника. Однако в настоящее время содержание серы в подшипниковой стали строго ограничено ГОСТ.

Медь, хотя и увеличивает твердость, предел прочности и прокаливаемость подшипниковой стали, в целом является нежелательной примесью, так как при горячей механической обработке с повышением ее содержания увеличивается образование поверхностных трещин и надрывов.

Содержание никеля ограничивается в связи с тем, что его присутствие отрицательно влияет на твердость стали.

Сопротивляемость подшипниковой стали выкрашиванию уменьшают примеси таких цветных металлов, как олово, свинец, мышьяк. Отрицательное влияние на свойства подшипниковой стали оказывают также газы: кислород, водород, азот. Влияние кислорода проявляется главным образом через образуемые им окислы — неметаллические включения. Наличие водорода увеличивает поражение подшипниковой стали флокенами, а наличие азота снижает сопротивляемость стали выкрашиванию.

К подшипниковой стали предъявляют очень жесткие требования в отношении макроструктуры, отсутствия шлаковых и газовых включений, а также карбидной ликвации и полосчатости.

Высокое содержание углерода обусловливает значительное развитие в слитках подшипниковой стали дефектов усадочного характера — усадочных раковин, общей и осевой пористости. Установлена следующая зависимость усадки при затвердевании от содержания в стали углерода:

Содержание углерода, % 0,10 0,35 0,45 0,70

Усадка при затвердевании, % 2,0 3,0 4,3 5,3

Жесткие требования, предъявляемые к однородности металла, ограничивают допустимую величину общей и осевой пористости. Для уменьшения этого дефекта подшипниковую сталь целесообразно разливать на сравнительно мелкие (до 3 т) слитки с увеличенной (до 5% и более) конусностью или с утеплением верхней части слитков.

Широкий интервал кристаллизации шарикоподшипниковой стали способствует значительному развитию ликвации примесей, в первую очередь углерода и хрома. В результате ликвации междендритные участки обогащаются углеродом и хромом, образующими карбиды. При прокатке обогащенные углеродом и хромом участки металла вытягиваются вдоль направления прокатки, образуя полосчатую неоднородность. На травленых микрошлифах этот дефект подшипниковой стали выявляется в виде полос повышенной и пониженной травимости.

Полосчатость является причиной структурной неоднородности стали после закалки, обусловливающей неоднородность свойств готовых изделий. Устранение этого дефекта достигается длительной выдержкой металла при высоких температурах (гомогенизацией).

Наряду со скоплениями мелких карбидов (полосчатостью) встречаются выделения карбидов больших размеров, также ориентированных вдоль направления прокатки. Этот дефект носит название карбидной ликвации.

Скопления грубых карбидов возникают в результате сильно выраженной дендритной ликвации в слитке углерода и хрома. На отдельных участках концентрация ликвирующих элементов может достигнуть значений, достаточных для выделения ледебуритной эвтектики. В процессе деформации ледебуритные участки принимают вид грубых строчек карбидов.

Подшипниковая сталь с выраженной карбидной ликвацией является дефектной, так как карбиды обладают высокой твердостью и хрупкостью и при выходе на рабочую поверхность деталей подшипника легко выкрашиваются. Влияние карбидов в этом отношении более вредно, чем влияние окисных и сульфидных неметаллических включений. Устранить карбидную ликвацию можно длительной выдержкой металла при температуре 1150—1160 °С, когда происходит интенсивное рассасывание хромистых эвтектических карбидов. Такую выдержку можно осуществлять, например, при нагреве под прокатку.

Карбидная неоднородность может проявиться также в виде карбидной сетки, выпадающей по границам зерен при охлаждении прокатанного металла. Карбидная сетка получает максимальное развитие в местах скопления мелких карбидов и в прокате, полученном после прокатки от верхней части слитка. Ее образование связано с дендритной ликвацией и величиной скорости охлаждения металла после прокатки.

Подавить процесс выделения заэвтектоидных карбидов, образующих карбидную сетку, можно ускоренным охлаждением металла после прокатки. Однако при этом ухудшаются условия выделения водорода, и подшипниковая сталь может быть сильно поражена флокенами. Поэтому прокат быстро охлаждают в интервале температур выделения карбидов (до 700 °С) и медленно — при более низких температурах.

Долговечность работы подшипника в значительной мере определяется количеством и типом присутствующих в металле окисных включений, так как эти включения уменьшают стойкость металла против усталостного разрушения. В закаленной шарикоподшипниковой стали неметаллические включения являются концентраторами напряжения, поэтому даже при сравнительно небольшой внешней нагрузке величина напряжений в отдельных точках может превысить предел прочности металла и вызвать его разрушение.

Особенно нежелательными среди включений являются частицы глинозема и алюмосиликатов, которые в катаном металле образуют строчки включений неправильной, часто остроугольной формы. Такие включения играют роль концентраторов напряжения и резко снижают стойкость подшипников. Поэтому одна из важных задач металлургии заключается в том, чтобы получать подшипниковую сталь с минимальным содержанием неметаллических включений.

Лом подшипников

Спрос на подшипники наблюдается в различных отраслях промышленности, на бытовом уровне. Даже пункты приема вторичных металлов не обходят это изделие своим вниманием. Действительно, подшипники, в зависимости от модели, отличаются содержанием разнообразных металлов, сплавов:

Поэтому сдавать подшипники на лом, можно достаточно выгодно, по ценам, сравнимым со стоимостью отходов цветных металлов.

Источник качественной легированной стали

Ценность подшипников, завалявшихся в гараже еще с союзных времен, обуславливается качеством металла. Под лом цельных конструкций или их частей из легированной стали отводится отдельная категория 3Б3.

Лом подшипников, скопившийся на производстве

Как правило, основные узлы изделия: шарики, кольца и ролики; изготовлены из шарикоподшипниковой стали, номенклатура марок которой достаточно широка — ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, ШХ4, ШХ6, ШХ9 и т.д. Конкретный вид металла выбирается на основе эксплуатационных характеристик. Высокоуглеродистые марки стали характерны следующим подшипникам:

1. Эксплуатируемым при стандартных условиях. Изделие содержит сталь легированную хромом, с добавками марганца, кремния молибдена (марки ШХ4, ШХ15 и ШХ20СГ).
2. Работающим под предельной нагрузкой, включая агрессивные среды или высокотемпературный режим. Используется теплостойкий, а также коррозионно-устойчивый металл. Применяемые в таких подшипниках марки стали, выплавлены по технологии электрошлакового или вакуумно-дугового переплава, например 95Х18-Ш и 11Х18М-ШД, соответственно.

Реже конструкция может содержать стали с низким содержанием углерода, поскольку такой металл существенно уступает по уровню твердости.

Определить на глаз тип стали изделия можно исходя из его размеров: для более крупных узлов, тел качения используется легированный металл с повышенной концентрацией кремния и марганца. Детали крупногабаритных видов обычно изготавливаются из марки ШХ20СГ. Специальная сталь ШХ4, применяется внутри железнодорожных подшипников качения. Эта марка отличается регламентированной прокаливаемостью.

Сплавы цветных металлов на основе олова и свинца

Специальные антифрикционные сплавы Баббиты, чье замысловатое название взято от фамилии их разработчика, предназначены непосредственно для применения внутри подшипников. Металл заливается или напыляется по корпусу вкладыша изделия.

Вкладыш подшипника с баббитовой наплавкой

Основу этого подшипникового сплава составляют олово и свинец, тогда как, присадками выступают другие цветные металлы: медь, никель, кадмий, натрий, магний и прочие.

Менее ценные, как вторичный металл, баббиты на основе свинца интенсивно используются для заливки подшипников дизельных двигателей, прокатных станков, что связано с их более высокой рабочей температурой по сравнению с антифрикционным сплавом на основе олова. В основном это марка марки Б16, хотя встречаются и другие разновидности, например БН, БКА или БК2Ш.

Подшипники подвижного состава железнодорожного транспорта содержат свинцово-калиевый баббит. Напротив свинцово-цинковый сплав СОС6 применяется в конструкциях, эксплуатируемых при высоком давлении и температуре, например автомобильные дизельные двигатели. Стандартные условия работы, при давлении на уровне до 15 МПа, приемлемы для подшипников, залитых баббитом с высоким содержанием олова, — сплава, наиболее ценного в пунктах приема вторичного металла.

Медные сплавы

Рассматривая металлическое изделие в качестве лома, особое внимание следует уделить подшипникам скольжения. Их основные узлы: втулки, пружины и вкладыши; часто изготавливаются из медного сплава – литейной оловянной бронзы. Альтернативно, фасонные отливки подшипников нередко изготавливаются из алюминиевой бронзы, не содержащей олова.

Последние годы на смену медному сплаву для изготовления втулок скольжения приходят неметаллические материалы: фторопласт, капролон. Однако, полностью вытеснить бронзу, несмотря на удобство монтажа, они не могут, поскольку сильно уступают в долговечности.

Часть корпуса подшипника скольжения

Альтернативным металлическим материалом для изготовления втулок скольжения выступает латунь. Этот медный сплав нашел более универсальное применение в узлах данного вида изделий. Латунь используют, как замену стали, при изготовлении сепараторов для подшипников качения.

Особенности сдачи специализированного лома

Ситуация на рынке сдачи подшипников неоднозначная. В качестве отходов сдаются как отслужившие ресурс изделия, так и новые «китайские образцы». Приобретаются неликвиды или продукция длительного складского хранения. Изделия принимаются целиком, а также отдельными узлами. Естественно, основным фактором, определяющим стоимость лома, остается тип металла. Изделия, изготовленные из медных сплавов, баббитов, превосходят по стоимости стальные подшипники.

Из какой стали делают подшипники

Конструкционная подшипниковая сталь содержит около 1 % С и 1,5 % Cr. Подшипники качения работают преимущественно на сжатие и растяжение с многократным нагружением каждого участка рабочей поверхности. Так как это нагружение происходит на небольшой поверхности – точечно, на этой поверхности в момент нагружения возникают большие контактные напряжения. После большого количества циклов нагружения они приводят к усталостному разрушению подшипника. Для подшипниковой стали большое значение имеет её чистота по неметаллическим включениям. Присутствие в стали крупных (более 10 – 15 мкм) оксидных включений и их строчек уменьшает стойкость стали против усталостного разрушения и понижает долговечность подшипников. Поэтому, одним из критериев оценки качества подшипниковой стали, а также возможности ее использования или отбраковки, является балл, характеризующий размеры оксидных включений. Достижение низкого балла по включениям, то есть отсутствия включений, величина которых превышает допустимые значения, является одной из главных задач при производстве подшипниковой стали.

Рисунок – Зависимость долговечности подшипников (В10) от метода производства и содержания в ней кислорода: 1 – дуговая сталеплавильная печь; 2 – дуговая сталеплавильная печь с эркерным выпуском (ЭВ); 3 – вакуумно-дуговой переплав.

В течение десятков лет подшипниковую сталь выплавляли в дуговых сталеплавильных печах, при этом не удавалось добиться достаточной долговечности подшипников. Значительно увеличить срок эксплуатации подшипников позволило освоение внепечной вакуумной обработки подшипниковой стали, которая в результате вакуумно-углеродного раскисления обеспечивает высокую чистоту металла по оксидным включениям. К настоящему времени использование вакуумной обработки и непрерывной разливки стали с защитой струи металла от вторичного окисления позволило увеличить количество циклов работы подшипников в 10 раз (рисунок). При этом долговечность подшипников из стали, полученной с использованием такой технологии, не уступает долговечности подшипников из стали, подвергнутой вакуумно-дуговому переплаву. Применение внепечной обработки позволило производить подшипниковую сталь не только в дуговых сталеплавильных печах, но и в кислородных конвертерах с получением металла одинакового качества. Ввиду трудностей, связанных с необходимостью легирования металла хромом в ковше, в настоящее время подшипниковую сталь выплавляют преимущественно в дуговых сталеплавильных печах. Плавку в дуговой печи ведут по обычной технологии с коротким окислительным периодом после расплавления. Ранние присадки извести и железной руды в периоде плавления, а также скачивание шлака и наводка нового в конце периода плавления и в начале окислительного периода должны обеспечить достаточно низкое содержание фосфора в металле при высоком содержании углерода. Легирование хромом производят присадками феррохрома в печь перед выпуском плавки. Для уменьшения угара хрома перед присадкой феррохрома производят предварительное раскисление ванны присадкой ферросилиция из расчета получения в металле не более 0,1 % кремния. Низкое содержание кремния и легирование хромом не понижают эффективность вакуумно-углеродного раскисления стали при последующей вакуумной обработке, которая в настоящее время является обязательной операцией при производстве подшипниковой стали. При высоком содержании серы в стали после выплавки ее в дуговой сталеплавильной печи в ковше кроме вакуумирования, проводят также десульфурацию металла высокоосновным восстановительным шлаком. Однако, к подшипниковой стали не всегда предъявляют высокие требования по содержанию серы. Согласно данным ряда исследований наличие в металле до 0,025 % серы даже несколько повышает долговечность подшипников, так как образование на поверхности оксидных включений сульфидной оболочки уменьшает вероятность образования трещин. Следует также отметить, что для изготовления колец и тел качения подшипников, иногда используют коррозионностойкую сталь. Для деталей коррозионностойких жаростойких подшипников, работающих в интервале температур до 350—400 °С, обеспечивающих необходимую стабильность размеров, оптимальные механические свойства и удовлетворительную коррозионную стойкость, обычно применяется следующий режим термической обработки: предварительный нагрев до 850° С, окончательный нагрев до 1070-1090 °С, охлаждение в масле, а затем замедленное охлаждение до -70…80 °С и двухкратный отпуск при 400° (с выдержкой 3 часа и 2 часа соответственно). Для изготовления колец и тел качения шарикоподшипников и роликоподшипников в специальных случаях применяются коррозионностойкие стали, относящиеся к разряду упрочняющихся при помощи холодной пластической деформации и дисперсионного твердения.

Источник: На основе обзора литературных данных по подшипниковым сталям.

Конструкционные подшипниковые стали

Свойства подшипниковой стали

Подшипниковую сталь применяют главным образом для изготовления шариков, роликов и колец подшипников.

В процессе работы эти элементы находятся под воздействием высоких знакопеременных напряжений. Каждый участок рабочей поверхности ролика или шарика и дорожки колец испытывает многократное нагружение, которое распределяется в пределах очень небольшой опорной поверхности. В результате в каждом участке поверхности возникают местные контактные знакопеременные напряжения порядка 3—5 Мн/м 2 (300—500 кгс/см 2 ) — сжимающие на поверхности контакта и растягивающие у ее контура. Напряжения вызывают упругую и незначительную остаточную деформации элементов подшипника. Многократное повторение деформации приводит к появлению усталостных трещин, выкрашиванию поверхности подшипника, в результате чего при качении возникают удары, под действием которых разрушения усиливаются и подшипник выходит из строя.

Помимо усталостного разрушения, дорожки колец подшипника и сами тела качения (шарики и ролики) подвергаются истиранию. Причиной механического разрушения — истирания являются тангенциальные напряжения, вызываемые силами трения при скольжении контактирующих поверхностей. В результате истирания от поверхности металла отделяются тонкие чешуйки, что вызывает увеличение зазора между кольцами и телами качения и усиление абразивного износа.

Рисунок 1 – Подшипник

Величина истирания зависит от точности изготовления и сборки подшипника, условий его нагружения, смазки, наличия абразивных частиц, химически активной среды и от ряда других причин. При интенсивном истирании поверхностные слои шарикоподшипниковой стали могут изнашиваться настолько быстро, что в них не успевают появиться усталостные трещины. В этом случае подшипник выходит из строя еще до усталостного разрушения.

В некоторых случаях детали подшипников подвергаются совмещенным раздавливающим и изгибающим нагрузкам, нагрузкам динамического характера (ударным).

В соответствии с этим, cвойства шарикоподшипниковой стали должны характеризироваться высокой упругостью и высоким сопротивлением усталости при малой хрупкости, отличаться высокой износостойкостью и прочностью. Так как детали подшипников работают, соприкасаясь отдельными точками рабочих поверхностей, особое значение для подшипниковой стали приобретает ее физико-химическая однородность и чистота по неметаллическим включениям. Присутствие в стали скоплений твердых карбидов, неметаллических включений, волосовин, трещин и других концентраторов напряжений вызывает быстрый износ отдельных участков поверхности и преждевременный выход из строя подшипника.

В качестве материала для изготовления деталей подшипников наиболее широко используется разработанная еще в 1901 г. высокоуглеродистая (0,95—1,15% С) хромистая (0,40—1,65% Сr) сталь (например, шарикоподшипниковая сталь ШХ15, содержащая 0,95—1,10% С; 1,30—1,65% Сr; 0,20—0,40% Мn; 0,15—0,35% Si; не более 0,027% Р; 0,02% S; 0,25% Сu и 0,30 Ni, или сталь ШХ15СГ, в которой больше Мn — 0,90—1,20% и Si — 0,40—0,65%). По своему составу и свойствам подшипниковая сталь примыкает к группе инструментальных сталей, но по применению она является конструкционной специального назначения.

Высокое содержание в подшипниковых сталях углерода сообщает им после термической обработки высокую прочность и стойкость против истирания. Высокая поверхностная твердость рассматриваемой стали определяется концентрацией углерода в мартенсите, и поэтому она одинакова для всех подшипниковых сталей. Твердость внутренних слоев зависит от глубины прокаливаемости, зависящей в свою очередь от содержания хрома.

Хром замедляет превращение аустенита в перлит и тем самым увеличивает прокаливаемость стали. Поэтому чем крупнее детали подшипников, тем с большим содержанием хрома применяют шарикоподшипниковую сталь для их изготовления.

В системе железо—хром—углерод образуется сложный карбид (Fe, Сr)3С и твердый раствор хрома в железе. Высокая твердость карбидов хрома повышает износостойкость шарикоподшипниковой стали. Кроме того, хром увеличивает стойкость мартенсита против отпуска, уменьшает склонность стали к перегреву, придает ей мелкозернистую структуру. Но при высоком содержании хрома (более 1,65%) трудно получить однородную структуру, поэтому в шарикоподшипниковых сталях обычно содержится не более 1,65% Сr.

Марганец, как и хром, увеличивает твердость и сопротивляемость стали истиранию и одновременно способствует росту зерна при нагреве, в результате чего при термической обработке может образоваться 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 бывает раскислена сталь. Поэтому присутствие этих элементов во всех марках шарикоподшипниковой стали желательно, но не более 0,35% Si и 0,40% Mn. Исключение составляет сталь марки ШХ15СГ, применяемая для изготовления крупных деталей. 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 трещинообразованию при закалке.

Вредными примесями для шарикоподшипниковой стали являются фосфор, медь и никель.

Фосфор увеличивает склонность стали к образованию крупнозернистой структуры при нагреве, повышает хрупкость стали и уменьшает ее прочность на изгиб. Это в свою очередь увеличивает чувствительность подшипников к динамическим нагрузкам и склонность изделий к образованию закалочных трещин. В связи с этим содержание фосфора в металле строго ограничивают.

Вопрос о влиянии серы на свойства подшипниковой стали нельзя считать решенным. Мнение о том, что сера оказывает отрицательное влияние, снижая устойчивость стали против истирания и способствуя ее усталостному разрушению при выходе на рабочую поверхность сульфидов, вызывает сомнения. Результаты некоторых исследований показывают, что с повышением содержания серы в шарикоподшипниковой стали до 0,05—0,10% и при соответствующем увеличении количества сульфидов продолжительность службы подшипников повышается.

Вместе с тем известно, что сера улучшает обрабатываемость стали. При очень низком содержании серы получить высококачественную поверхность рабочих тел затруднительно. По-этому не исключена целесообразность повышенного содержания серы в стали с тем, чтобы получить более совершенную рабочую поверхность и увеличить тем самым срок службы подшипника. Однако в настоящее время содержание серы в подшипниковой стали строго ограничено ГОСТ.

Медь, хотя и увеличивает твердость, предел прочности и прокаливаемость подшипниковой стали, в целом является нежелательной примесью, так как при горячей механической обработке с повышением ее содержания увеличивается образование поверхностных трещин и надрывов.

Содержание никеля ограничивается в связи с тем, что его присутствие отрицательно влияет на твердость стали.

Сопротивляемость подшипниковой стали выкрашиванию уменьшают примеси таких цветных металлов, как олово, свинец, мышьяк. Отрицательное влияние на свойства подшипниковой стали оказывают также газы: кислород, водород, азот. Влияние кислорода проявляется главным образом через образуемые им окислы — неметаллические включения. Наличие водорода увеличивает поражение подшипниковой стали флокенами, а наличие азота снижает сопротивляемость стали выкрашиванию.

К подшипниковой стали предъявляют очень жесткие требования в отношении макроструктуры, отсутствия шлаковых и газовых включений, а также карбидной ликвации и полосчатости.

Высокое содержание углерода обусловливает значительное развитие в слитках подшипниковой стали дефектов усадочного характера — усадочных раковин, общей и осевой пористости. Установлена следующая зависимость усадки при затвердевании от содержания в стали углерода:

Содержание углерода, % 0,10 0,35 0,45 0,70

Усадка при затвердевании, % 2,0 3,0 4,3 5,3

Жесткие требования, предъявляемые к однородности металла, ограничивают допустимую величину общей и осевой пористости. Для уменьшения этого дефекта подшипниковую сталь целесообразно разливать на сравнительно мелкие (до 3 т) слитки с увеличенной (до 5% и более) конусностью или с утеплением верхней части слитков.

Широкий интервал кристаллизации шарикоподшипниковой стали способствует значительному развитию ликвации примесей, в первую очередь углерода и хрома. В результате ликвации междендритные участки обогащаются углеродом и хромом, образующими карбиды. При прокатке обогащенные углеродом и хромом участки металла вытягиваются вдоль направления прокатки, образуя полосчатую неоднородность. На травленых микрошлифах этот дефект подшипниковой стали выявляется в виде полос повышенной и пониженной травимости.

Полосчатость является причиной структурной неоднородности стали после закалки, обусловливающей неоднородность свойств готовых изделий. Устранение этого дефекта достигается длительной выдержкой металла при высоких температурах (гомогенизацией).

Наряду со скоплениями мелких карбидов (полосчатостью) встречаются выделения карбидов больших размеров, также ориентированных вдоль направления прокатки. Этот дефект носит название карбидной ликвации.

Скопления грубых карбидов возникают в результате сильно выраженной дендритной ликвации в слитке углерода и хрома. На отдельных участках концентрация ликвирующих элементов может достигнуть значений, достаточных для выделения ледебуритной эвтектики. В процессе деформации ледебуритные участки принимают вид грубых строчек карбидов.

Подшипниковая сталь с выраженной карбидной ликвацией является дефектной, так как карбиды обладают высокой твердостью и хрупкостью и при выходе на рабочую поверхность деталей подшипника легко выкрашиваются. Влияние карбидов в этом отношении более вредно, чем влияние окисных и сульфидных неметаллических включений. Устранить карбидную ликвацию можно длительной выдержкой металла при температуре 1150—1160 °С, когда происходит интенсивное рассасывание хромистых эвтектических карбидов. Такую выдержку можно осуществлять, например, при нагреве под прокатку.

Карбидная неоднородность может проявиться также в виде карбидной сетки, выпадающей по границам зерен при охлаждении прокатанного металла. Карбидная сетка получает максимальное развитие в местах скопления мелких карбидов и в прокате, полученном после прокатки от верхней части слитка. Ее образование связано с дендритной ликвацией и величиной скорости охлаждения металла после прокатки.

Подавить процесс выделения заэвтектоидных карбидов, образующих карбидную сетку, можно ускоренным охлаждением металла после прокатки. Однако при этом ухудшаются условия выделения водорода, и подшипниковая сталь может быть сильно поражена флокенами. Поэтому прокат быстро охлаждают в интервале температур выделения карбидов (до 700 °С) и медленно — при более низких температурах.

Долговечность работы подшипника в значительной мере определяется количеством и типом присутствующих в металле окисных включений, так как эти включения уменьшают стойкость металла против усталостного разрушения. В закаленной шарикоподшипниковой стали неметаллические включения являются концентраторами напряжения, поэтому даже при сравнительно небольшой внешней нагрузке величина напряжений в отдельных точках может превысить предел прочности металла и вызвать его разрушение.

Особенно нежелательными среди включений являются частицы глинозема и алюмосиликатов, которые в катаном металле образуют строчки включений неправильной, часто остроугольной формы. Такие включения играют роль концентраторов напряжения и резко снижают стойкость подшипников. Поэтому одна из важных задач металлургии заключается в том, чтобы получать подшипниковую сталь с минимальным содержанием неметаллических включений.

Оценка статьи:

Загрузка...

Сохранить себе в: