Подшипниковые стали: виды, свойства, применение

В условиях современного инжиниринга производственные механизмы, бытовую технику, приборы и автотранспорт все шире оснащают подшипниками. Такая всесторонняя востребованность обуславливает ужесточение требований к их служебным свойствам. Это, в свою очередь, определяет более строгие критерии отбора материалов для изготовления подшипников и жестко регламентирует свойства, которыми должна обладать подшипниковая сталь, ведь несмотря на различия в конструкции, данные опорные элементы работают в условиях высоких локальных нагрузок, интенсивных вибраций и больших скоростей.

Что такое подшипниковая сталь

Этот термин определяет специальную группу высокоуглеродистых и легированных сталей, используемых для изготовления тел качения, корпусных колец и других элементов подшипников. Как опорные узлы сборной конструкции они испытывают на небольшой контактной площади высокие давления (иногда значительно превышающие 2000 МПа) и критические сжимающие и изгибающие нагрузки. А пластические деформации, возникающие в поверхностном слое металла при работе подшипника, приводят к возникновению остаточных напряжений, которые сильно усложняют картину распределения нагрузок. Поэтому сталь для подшипников априори должна:

• обеспечивать быстроходность кинетических пар;
• характеризоваться высокой твердостью и износостойкостью;
• стойко сопротивляться концентрации усталостных напряжений;
• обладать большим эксплуатационным ресурсом и целым рядом специфических качеств.

Ее химические и физические свойства напрямую определяют качество работы и долговечность этих сборных элементов. А стоимость подшипниковой стали влияет на итоговую себестоимость выпускаемой продукции и рентабельность производства.

Еще в середине прошлого века в инжиниринге использовались в основном шариковые подшипники. В результате за высокоуглеродистыми сталями с повышенным содержанием хрома, которые широко использовались для изготовления подшипниковых тел вращения и колец, закрепилось название «шарикоподшипниковые стали». В наши дни, когда уже применяются игольчатые и роликовые подшипники качения, а также различные подшипники скольжения, термин «шарикоподшипниковые стали» все равно иногда применяется и встречается в технической литературе, изданной до 90-х годов XX столетия. Чтобы не искажать устоявшиеся технические традиции, согласно ГОСТ 801 на подшипниковые стали маркировка предполагает наличие в самом начале аббревиатуры буквы «Ш». Внимание, этот же символ в конце маркировки указывает, что сталь получена путем электрошлакового переплава.

ДСТУ ISO 683-17 и ГОСТ 801 также предполагают, что на шарикоподшипниковые стали маркировка может включать не только сведения о химическом составе, но и информацию о способе выплавки и термической обработке. По EN 10027 таким сталям присваивается номер 1.35ХХ, а в Японии маркировка содержит буквы SUJ и порядковый номер.

По характеру применения марки сталей для подшипников считаются конструкционными, но химический состав и эксплуатационные качества относят их к инструментальным. Критерии качества и требования, предъявляемые к таким маркам, кардинально отличаются от других машиностроительных, строительных и конструкционных сталей и сплавов. Например:

• крайне важно сохранить твердость подшипниковой стали для узлов, длительное время работающих при повышенных температурах, чтобы обеспечить достаточную статическую и динамическую грузоподъемность. Поэтому особое внимание уделяется составу и способу выплавки, так как неметаллические включения в металле снижают работоспособность и долговечность подшипников;
• отдельно рассматривается структурная нестабильность при низких и высоких температурах и ее влияние на изменение геометрии и точность размеров подшипниковых элементов;
• определяющим фактором является локальное сопротивление усталости металла в зоне контакта элементов качения.

Виды подшипниковой стали

Разнообразные требования к эксплуатационным свойствам и отличающиеся условия работы подшипников обуславливают широкую номенклатуру используемых сталей, поэтому в мировой и отечественной практике используется несколько классифицирующих систем. Например, ДСТУ ISO 683-17 предполагает разделение подшипниковых сталей на пять групп: сквозной прокаливаемости, цементируемые, с индукционной закалкой, нержавеющие и жаростойкие. Но производители и потребители чаще оперируют упрощенной классификацией, основанной на условиях эксплуатации.

Сталь для подшипников с обычными условиями работы

К этой группе относятся стали общего назначения, рассчитанные на работу без присутствия агрессивных компонентов в окружающей среде и при температурах от -60 до +300°С. В нее включаются такие стали как хромистые, хромомарганцевокремнистые, хромистые и хромомарганцевые с добавкой молибдена. Чаще всего это:

• ШХ15 – высокоуглеродистая хромистая сталь, характеризующаяся высоким сопротивлением контактной усталости и отличной износостойкостью;
• ШХ15СГ – модифицированная низколегированная марка, которая за счет повышенного содержания кремния и марганца лучше прокаливается;
• ШХ20СГ – легированная шарикоподшипниковая сталь с повышенным содержанием хрома, марганца и кремния, предназначенная для изготовления толстых подшипниковых колец;
• 25Х1МФ – марка, легированная молибденом и отличающаяся неплохой свариваемостью и обрабатываемостью.

Сталь для подшипников с агрессивными условиями работы

К этой группе относят высокохромистые стали, способные работать в условиях высокой влажности, агрессивной среды и температур, достигающих +400°С и выше. Они содержат углерод в пределах 1%, сочетают высокую твердость после закалки и низкотемпературного отпуска с достаточно высоким уровнем коррозионной и тепловой стойкостью. В эту группу входят:

• 95Х18-Ш. Сталь, использующаяся для деталей подшипников средних и крупных размеров, эксплуатируемых в условиях агрессивной среды, в том числе в парах азотной кислоты и растворах хлористого натрия;
• 11Х18М-ШД. Это коррозионностойкая и теплостойкая шарикоподшипниковая сталь – маркировка указывает, что она легирована молибденом, который повышает твердость металла и минимизирует негативное влияние водорода. Марка отлично зарекомендовала себя в малогабаритных и миниатюрных приборных подшипниках;
• 8Х4В9Ф2-Ш (ЭИ347) – теплостойкая сталь, обеспечивающая в условия комнатной температуры после стандартной термической обработки твердость в пределах HRC 59…65. Отлично работает при температурах до +500°С, но из-за присутствия вольфрама склонна к карбидной неоднородности;
• 8Х4М4В2Ф1-Ш – экономнолегированная марка и более дешевый аналог 8Х4В9Ф2-Ш, не уступающий ей в износостойкости и контактной усталости. При этом вязкость 8Х4М4В2Ф1-Ш в 1,5 раза выше.

В мировой практике используются следующие коррозионностойкие подшипниковые стали – X47Cr14, X65Cr14, X108CrMo17, X89CrMoV18-1; и жаростойкие – 80MoCrV42-16, 13MoCrNi42-16-14, X82WMoCrV6-5-4, X75WCrV18-4-1.

Учитывая сложный химический состав, высоколегированные шарикоподшипниковые стали свойства теплостойкости и коррозионной стойкости сочетают с тугоплавкостью и удовлетворительной обрабатываемостью. А вследствие большого количества хрома и углерода в них может возникать ликвация, карбидная неоднородность и структурная полосчастость. По этой причине иногда для производства подшипников используются и другие стали. Например, сталь 20 используется для вкладышей, 50Г2 – втулок, 65Г – корпусов, но так как они не имеют характерные для шарикоподшипниковых сталей свойства, их не принято причислять к таковым.

Свойства шарикоподшипниковых сталей

Выплавленные путем рафинирующих электрошлаковых переплавов или в электрических печах с вакуумированием или без него шарикоподшипниковые стали свойства должны иметь в соответствии с требованиями нормативной документации. Ключевые параметры – химический состав, геометрические размеры, качество поверхности, параметры макро- и микроструктуры. При этом механические свойства, в отличие от химического состава, в стандартах и технических условиях часто не оговариваются. Отчасти это обусловлено тем, что:

• продукция, выпускаемая по данным стандартам, является полуфабрикатом для изготовления элементов подшипников и приобретает конечный комплекс характеристик после термической обработки готовых изделий;
• некоторые дефекты вызываются нарушениями технологии термической, механической и другой обработки при изготовлении деталей из поковок и проката, не имеющих дефектов, в результате чего получают изделия бракованные или недолговечные;
• подшипниковые стали эксплуатируются в высокопрочном состоянии (после закалки на мартенсит и низкотемпературного отпуска). Это упраздняет корреляционную связь между контактной усталостной прочностью и механическими свойствами в отожженном состоянии.

Обеспечение особых свойств и повышенной твердости стали для подшипников осуществляется путем введения хрома и других легирующих элементов, а также контролированным процессом раскиления. За счет использования марганца (Mn), кремния (Si) и алюминия (Al) снижается общая газонасыщенность металла, а также минимизируется количество и размер неметаллических включений.

При этом химическая чистота материала нормируется в зависимости от марки стали. А вот глубина обезуглероженного слоя зависит от состояния поставки.

Химический состав подшипниковых марок стали

Из-за тяжелого режима эксплуатации к подшипниковым маркам стали предъявляют обширный перечень требований. Они должны хорошо прокаливаться и сопротивляться усталостному выкрашиванию, сколам, трещинам, а также характеризоваться:

• высокой износостойкостью;
• малым коэффициентом поверхностного трения;
• повышенным сопротивлением усталости, старению и пластическим деформациям;
• минимально допустимым количеством неметаллических включений и низкой карбидной неоднородностью;
• способностью обеспечить высокую статическую и динамическую грузоподъемность;
• хорошей теплопроводностью и смачиваемостью маслом;
• низким коэффициентом линейного расширения.

Параметры их коррозионной стойкости, так же как немагнитные свойства, могут варьироваться. При этом помимо вышеперечисленных свойств для подшипниковых сталей немаловажны доступная стоимость и обрабатываемость. Последний технологический критерий определяет высокие требования к химическому составу, микроструктуре и твердости металла и определяет способность материала к шлифованию, обработке резаньем и холодной штамповкой.

Механические свойства сталей по ГОСТ 801

Область применения подшипниковых сталей

Высокоуглеродистая и хромсодержащая подшипниковая сталь марки ШХ15 и ШХ15СГ широко применяется для изготовления тел вращения, колец и корпусов подшипников, используемых в:

• станках для машиностроения, деревоперерабатывающей и легкой промышленности;
• сталепрокатном, буровом и геологоразведочном оборудовании;
• двигателях внутреннего сгорания и электрических машинах;
• строительной технике;
• электровозах;
• тракторах;
• насосах.

Измерение подшипника штангенциркулем

Сталь подшипниковая выбирается исходя из габаритов и особенностей эксплуатации подшипника. Так, хромистые и хромомарганцевокремнистые марки используются для подшипников, рассчитанных на работу в температурном интервале от -60 до +300°С, но, если предполагается эксплуатация при температурах выше 100°С, детали термообрабатывают. Чтобы обеспечить сквозную прокаливаемость, шарикоподшипниковая сталь ШХ15 используется для колец с толщиной стенки 10…30 мм, для более габаритных уже целесообразно применять марку ШХ20СГ.

Подшипники из высокоуглеродистых марок стали также используются в железнодорожном подвижном составе и ветровых электрогенераторах, рольгангах и грузоподъемных механизмах. Но при производстве подшипников используются не только высоколегированные шарикоподшипниковые стали – примеры: ЭИ-293, ЭИ-336. Это графитизированные стали, обладающие антифрикционными свойствами и высокой твердостью, что позволяет их использовать в мелкосерийном производстве массивных подшипников для изготовления сепараторов с цилиндрическими и фрезерованными окнами, приставными шайбами и цельными окнами для роликов. А сепараторы упорных подшипников для червячных редукторов, патронов и шпинделей металлорежущих станков, крюковых кранов и домкратов могут изготавливаться из обычной стали 20.