Підшипникові сталі: види, властивості, застосування

• Що таке підшипникова сталь
• Види підшипникової сталі
  • Сталь для підшипників зі звичайними умовами роботи
  • Сталь для підшипників з агресивними умовами роботи
• Властивості кулькопідшипникових сталей
  • Таблиця 1 «Хімічний склад підшипникових марок сталі»
  • Таблиця 2 «Механічні властивості сталей за ГОСТ 801»
• Область застосування підшипникових сталей

В умовах сучасного інжинірингу виробничі механізми, побутову техніку, прилади та автотранспорт все ширше оснащують підшипниками. Така всебічна затребуваність обумовлює посилення вимог до їх службових властивостей. Це, в свою чергу, визначає більш суворі критерії відбору матеріалів для виготовлення підшипників й жорстко регламентує властивості, якими повинна володіти підшипникова сталь, адже незважаючи на відмінності в конструкції, дані опорні елементи працюють в умовах високих локальних навантажень, інтенсивних вібрацій та великих швидкостей.

Що таке підшипникова сталь

Цей термін визначає спеціальну групу високовуглецевих та легованих сталей, що використовуються для виготовлення тіл кочення, корпусних кілець та інших елементів підшипників. Як опорні вузли збірної конструкції вони відчувають на невеликій контактній площі високі тиски (які іноді значно перевищують 2000 МПа) і критичні стискальні та згинальні навантаження. А пластичні деформації, що виникають у поверхневому шарі металу при роботі підшипника, призводять до виникнення залишкових напружень, які сильно ускладнюють картину розподілу навантажень. Тому сталь для підшипників апріорі повинна:

• забезпечувати швидкохідність кінетичних пар;
• характеризуватися високою твердістю й зносостійкістю;
• стійко чинити опір концентрації втомних напружень;
• володіти великим експлуатаційним ресурсом і цілим рядом специфічних якостей.

Її хімічні та фізичні властивості безпосередньо визначають якість роботи та довговічність цих збірних елементів. А вартість підшипникової сталі впливає на підсумкову собівартість виготовляємої продукції та рентабельність виробництва.

Ще в середині минулого століття в інжинірингу використовувалися в основному кулькові підшипники. В результаті за високовуглецевими сталями з підвищеним вмістом хрому, які широко використовувалися для виготовлення підшипникових тіл обертання й кілець, закріпилася назва «кулькопідшипникові сталі». У наші дні, коли вже застосовуються голчасті й роликові підшипники кочення, а також різні підшипники ковзання, термін «кулькопідшипникові сталі» все одно іноді застосовується і зустрічається у технічній літературі, виданій до 90-х років XX століття. Щоб не викривляти усталені технічні традиції, згідно з ГОСТ 801 на підшипникові сталі маркування передбачає наявність на самому початку абревіатури літери «Ш». Увага, цей же символ в кінці маркування вказує, що сталь отримана шляхом електрошлакового переплавлення.

ДСТУ ISO 683-17 і ГОСТ 801 також припускають, що на кулькопідшипникові сталі маркування може включати не тільки відомості про хімічний склад, але й інформацію про спосіб виплавки та термічної обробки. За EN 10027 таким сталям присвоюється номер 1.35ХХ, а в Японії маркування містить букви SUJ і порядковий номер.

За характером застосування марки сталей для підшипників вважаються конструкційними, але хімічний склад і експлуатаційні якості відносять їх до інструментальних. Критерії якості та вимоги, що пред'являються до таких марок, кардинально відрізняються від інших машинобудівних, будівельних і конструкційних сталей і сплавів. Наприклад:

• вкрай важливо зберегти твердість підшипникової сталі для вузлів, які тривалий час працюють при підвищених температурах, щоб забезпечити достатню статичну та динамічну вантажопідйомність. Тому особлива увага приділяється складу і способу виплавки, бо неметалеві включення в металі знижують працездатність і довговічність підшипників;
• окремо розглядається структурна нестабільність при низьких і високих температурах та її вплив на зміну геометрії й точність розмірів підшипникових елементів;
• визначальним фактором є локальний опір втоми металу в зоні контакту елементів кочення.

Види підшипникової сталі

Різноманітні вимоги до експлуатаційних властивостей і відмітні умови роботи підшипників обумовлюють широку номенклатуру використовуваних сталей, тому у світовій та вітчизняній практиці використовується кілька класифікаційних систем. Наприклад, ДСТУ ISO 683-17 передбачає поділ підшипникових сталей на п'ять груп: наскрізної прожарюваності, цементовані, з індукційним загартуванням, нержавіючі та жаростійкі. Але виробники і споживачі частіше оперують спрощеною класифікацією, заснованою на умовах експлуатації.

Сталь для підшипників зі звичайними умовами роботи

До цієї групи належать сталі загального призначення, розраховані на роботу без присутності агресивних компонентів у навколишньому середовищі й при температурах від -60 до +300°С. У неї включаються такі сталі як хромисті, хромомарганцевокремністі, хромисті та хромомарганцеві з додаванням молібдену. Найчастіше це:

• ШХ15 – високовуглецева хромиста сталь, що характеризується високим опором контактної втоми та відмінною зносостійкістю;
• ШХ15СГ – модифікована низьколегована марка, яка за рахунок підвищеного вмісту кремнію та марганцю краще прогартовується;
• ШХ20СГ – легована кулькопідшипникова сталь з підвищеним вмістом хрому, марганцю й кремнію, призначена для виготовлення товстих підшипникових кілець;
• 25Х1МФ – марка, яка легована молібденом і відрізняється непоганою зварюваністю й оброблюваністю.

Сталь для підшипників з агресивними умовами роботи

До цієї групи відносять високохромисті сталі, здатні працювати в умовах високої вологості, агресивного середовища та температур, що досягають +400°С і вище. Вони містять вуглець в межах 1%, поєднують високу твердість після гарту та низькотемпературного відпуску з досить високим рівнем корозійної та теплової стійкості. У цю групу входять:

• 95Х18-Ш. Сталь, що використовується для деталей підшипників середніх і великих розмірів, експлуатованих в умовах агресивного середовища, в тому числі у парах азотної кислоти й розчинах хлористого натрію;
• 11Х18М-ШД. Це корозійностійка та теплостійка кулькопідшипникова сталь – маркування вказує, що вона легована молібденом, який підвищує твердість металу та мінімізує негативний вплив водню. Марка відмінно зарекомендувала себе в малогабаритних і мініатюрних приладових підшипниках;
• 8Х4В9Ф2-Ш (ЕІ347) – теплостійка сталь, що забезпечує в умовах кімнатної температури після стандартної термічної обробки твердість в межах HRC 59...65. Відмінно працює при температурах до +500°С, але через присутність вольфраму схильна до карбідної неоднорідності;
• 8Х4М4В2Ф1-Ш – економнолегована марка і дешевший аналог 8Х4В9Ф2-Ш, який не поступається їй в зносостійкості та контактній втомі. При цьому в'язкість 8Х4М4В2Ф1-Ш в 1,5 рази вище.

У світовій практиці використовуються наступні корозійностійкі підшипникові сталі – X47Cr14, X65Cr14, X108CrMo17, X89CrMoV18-1; та жаростійкі – 80MoCrV42-16, 13MoCrNi42-16-14, X82WMoCrV6-5-4, X75WCrV18-4-1.

З огляду на складний хімічний склад, високолеговані кулькопідшипникові сталі властивості теплостойкості та корозійної стійкості поєднують з тугоплавкістю та задовільною оброблюваністю. А внаслідок великої кількості хрому і вуглецю в них може виникати ліквація, карбідна неоднорідність і структурна смугастість. З цієї причини іноді для виробництва підшипників використовуються й інші сталі. Наприклад, сталь 20 використовується для вкладишів, 50Г2 – втулок, 65Г – корпусів, але через те, що вони не мають характерні для кулькопідшипникових сталей властивості, їх не прийнято зараховувати до таких.

Властивості кулькопідшипникових сталей

Виплавлені шляхом рафінуючих електрошлакових переплавлень або в електричних печах з вакуумуванням або без нього кулькопідшипникові сталі властивості повинні мати відповідно до вимог нормативної документації. Ключові параметри – хімічний склад, геометричні розміри, якість поверхні, параметри макро- і мікроструктури. При цьому механічні властивості, на відміну від хімічного складу, у стандартах й технічних умовах часто не обмовляються. Частково це обумовлено тим, що:

• продукція, що випускається за даними стандартам, є напівфабрикатом для виготовлення елементів підшипників і набуває кінцевий комплекс характеристик після термічної обробки готових виробів;
• деякі дефекти викликаються порушеннями технології термічної, механічної та іншої обробки при виготовленні деталей з поковок і прокату, які не мають дефектів, в результаті чого отримують вироби браковані або недовговічні;
• підшипникові сталі експлуатуються в високоміцному стані (після гарту на мартенсит і низькотемпературного відпуску). Це скасовує кореляційний зв'язок між контактною втомною міцністю та механічними властивостями у відпаленому стані.

Забезпечення особливих властивостей і підвищеної твердості сталі для підшипників здійснюється шляхом введення хрому та інших легуючих елементів, а також контрольованим процесом розкислення. За рахунок використання марганцю (Mn), кремнію (Si) та алюмінію (Al) знижується загальна газонасиченісті металу, а також мінімізується кількість і розмір неметалевих включень.

При цьому хімічна чистота матеріалу нормується в залежності від марки сталі. А ось глибина декарбонізованого шару залежить від стану поставки.

Хімічний склад підшипникових марок сталі

Через важкий режим експлуатації до підшипникових марок сталі пред'являють великий перелік вимог. Вони повинні добре прожарюватись й чинити опір втомному викришуванню, відколкам, тріщинам, а також характеризуватися:

• високою зносостійкістю;
• малим коефіцієнтом поверхневого тертя;
• підвищеним опором втомі, старінню і пластичним деформаціям;
• мінімально допустимою кількістю неметалевих включень і низькою карбідною неоднорідністю;
• здатністю забезпечити високу статичну та динамічну вантажопідйомність;
• хорошою теплопровідністю та змащуваністю маслом;
• низьким коефіцієнтом лінійного розширення.

Параметри їх корозійної стійкості, так само як немагнітні властивості, можуть варіюватися. При цьому крім перерахованих вище властивостей для підшипникових сталей важливі доступна вартість й оброблюваність. Останній технологічний критерій визначає високі вимоги до хімічного складу, мікроструктури та твердості металу і визначає здатність матеріалу до шліфування, обробці різанням і холодним штампуванням.

Механічні властивості сталей за ГОСТ 801

Область застосування підшипникових сталей

Високовуглецева і хромомістка підшипникова сталь марки ШХ15 і ШХ15СГ широко застосовується для виготовлення тіл обертання, кілець і корпусів підшипників, які використовуються у:

• верстатах для машинобудування, деревообробній та легкій промисловості;
• сталепрокатному, буровому і геологорозвідувальному обладнанні;
• двигунах внутрішнього згоряння та електричних машинах;
• будівельній техніці;
• електровозах;
• тракторах;
• насосах.

Вимірювання підшипника штангенциркулем

Сталь підшипникова вибирається виходячи з габаритів і особливостей експлуатації підшипника. Так, хромисті та хромомарганцевокремністі марки використовуються для підшипників, розрахованих на роботу в температурному інтервалі від -60 до +300°С, але, якщо передбачається експлуатація при температурах вище 100°С, деталі піддають термообробці. Щоб забезпечити наскрізну прожарюваність, кулькопідшипникова сталь ШХ15 використовується для кілець з товщиною стінки 10…30 мм, для більш габаритних вже доцільно застосовувати марку ШХ20СГ.

Підшипники з високовуглецевих марок сталі також використовуються у залізничному рухомому складі та вітрових електрогенераторах, рольгангах та вантажопіднімальних механізмах. Але при виробництві підшипників використовуються не тільки високолеговані кулькопідшипникові сталі – приклади: ЕІ-293, ЕІ-336. Це графітизовані сталі, які володіють антифрикційними властивостями і високою твердістю, що дозволяє їх використовувати в дрібносерійному виробництві масивних підшипників для виготовлення сепараторів з циліндричними й фрезерованими вікнами, приставними шайбами ​​та цільними вікнами для роликів. А сепаратори упорних підшипників для черв'ячних редукторів, патронів і шпинделів металорізальних верстатів, крюкових кранів і домкратів можуть виготовлятися зі звичайної сталі 20.