Химический состав шарикоподшипниковой стали

По составу и свойствам шарикоподшипниковую сталь можно отнести к группе инструментальных сталей, но по применению она является конструкционной специального назначения [2].

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.

В некоторых странах с целью экономии импортируемого хрома разработано несколько модификаций подшипниковой стали, в которых его снижение компенсируется небольшими добавками молибдена с повышенным содержанием марганца [1].

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

Твёрдость внутренних слоёв металла зависит от глубины прокаливаемости, которая в свою очередь зависит 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 (0,4...1,65 %) применяют сталь для их изготовления.

Кроме того, высокая твёрдость карбидов хрома повышает износостойкость стали. Хром увеличивает устойчивость мартенсита против отпуска, уменьшает склонность стали к перегреву и придаёт ей мелкозернистую структуру. Но при высоком содержании хрома (>1,65 %) трудно получить однородную структуру, поэтому содержание хрома в шарикоподшипниковых сталях обычно не превышает 1,65 %.

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.

Влияние суммарного содержания легирующих элементов на долговечность подшипниковых сталей

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.

В Японии были испытаны подшипниковые стали типа ШХ15 с содержанием 1...1,5 % Si. Долговечность подшипников из этих сталей повышалась, однако они не получили применения из-за плохой обрабатываемости.

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.

Сера влияет на свойства шарикоподшипниковой стали не однозначно. Отрицательное влияние сказывается в снижении устойчивости против истирания и усталостном разрушении при выходе на рабочую поверхность сульфидов. Однако образование сульфидной оболочки вокруг сульфидных включений при достаточном содержании серы уменьшает влияние этих включений на концентрацию напряжений и вследствие этого повышает сопротивление усталости. С увеличением отношения концентраций S/O до 3...5 стойкость подшипников возрастает. Этому способствуют и улучшение качества поверхности вследствие того, что сера улучшает обрабатываемость стали [2]. Некоторыми авторами доказано благоприятное влияние повышенного содержания серы (до 0,15 %) на долговечность и обрабатываемость подшипниковых сталей, хотя стали с таким содержанием серы пока не применяются.

Отдельно следует отметить влияние кислорода на свойства шарикоподшипниковой стали. Вообще его влияние на свойства подшипниковой стали, как и на свойства любой другой спокойной стали, проявляется через неметаллические включения, им формируемые. Неметаллические включения в подшипниковых сталях являются концентраторами напряжений и могут в некоторых случаях являться причиной появления микротрещин, образующихся от повышенной концентрации мозаичных напряжений, резкого охлаждения при закалке и др. [6]. Попадая на поверхность или в подповерхностный слой неметаллические включения при приложении нагрузок разрушаются, выкрашиваются и тем самым формируют очаг зарождения трещины. Вероятность разрушения включений зависит от их деформируемости, поэтому в стали подобного типа следует избегать формирование хрупких недеформируемых включений типа корунда и стремиться к образованию более пластичных частиц, например, силикатов (при равном содержании кислорода, подшипники из кислой мартеновской стали в 2,5 раза долговечнее, чем из электростали, так как в них вместо строчек крупных оксидов были глобули силикатов). Вероятность же попадания включений в поверхностный слой металла зависит от их количетсва, размера и формы, поэтому общее количество неметаллических частиц и их размер должны быть минимальны (учитывая, что количество включений тесно коррелирует с содержанием кислорода - содержание этого элемента также должно быть минимальным), а их форма - глобулярна. В случае когда в стали присутствет большое количество крупных включений, долговечность падает катастрофически: в 100 раз, когда оксидов крупнее 30 мкм стало больше в 10 раз. Чем выше твердость и модуль упругости включения, тем больше концентрация напряжений в нем, а следовательно хуже контактная прочность.

В подшипниковых сталях, полученных по обычной технологии, содержится около 0,005 % О₂, 0,01...0,02 % N₂, 0,0001...0,0005 % Н₂. Кислород находится в виде окислов и его количество зависит от технологии раскисления. При вакуумировании содержание кислорода уменьшается до 0,002 %, а при ВДП - до 0,001 %. Целессобразность снижения содержания кислорда проиллюстрирована на рисунке ниже.

Влияние кислорода на усталостную долговечность подшипниковой стали [13]