Подшипниковые стали

Подшипниковые стали характеризуются высокой твердостью. Это высококачественная износостойкая сталь, способная сопротивляться большим контактным нагрузкам. Повышенная концентрация углерода обеспечивает подшипниковым сталям высокую твердость и износостойкость, а наличие хрома увеличивает глубину прокаливания. В системе маркировки конструкционных легированных сталей подшипниковые стали составляют исключение: маркировка начинается с буквы «Ш», а цифра, стоящая после «Х», указывает на концентрацию хрома в десятых долях процента.

Так как подшипники трения-качения должны выдерживать большое количество циклов высоких контактных напряжений, к подшипниковым сталям предъявляют особые требования в отношении металлургического качества: общей и осевой пористости, газовых пузырей, флокенов, ликвации и неметаллических включений.

При этом неметаллические включения строго лимитируются, поскольку, выходя на рабочие поверхности, они являются концентраторами напряжений и источниками преждевременного разрушения подшипников. Это стали, идущие для изготовления любых подшипников качения: шариковых, роликовых и игольчатых. Они, прежде всего, должны обладать высокой сопротивляемостью контактной усталости, высокой износостойкостью и твёрдостью. Кроме этого, подшипниковые стали должны легко закаливаться (обладать низкой критической скоростью закалки). Исходя из этих требований, к сталям этой группы следует отнести заэвтектоидные стали, легированные хромом.

К этим сталям предъявляют и ряд требований, связанных с их металлургическим производством, касающихся в первую очередь количества неметаллических включений.

Для получения высоких прочностных и эксплуатационных характеристик подшипниковые стали подвергают закалке в масле и отпуску при температуре 150-200 °С. Назначая режимы закалки, следует помнить, что эвтектоидная точка у сталей типа «ШХ» смещена несколько влево. Например, для стали марки ШХ15 она соответствует концентрации углерода, равной 0,7 %.

После закалки и последующего низкого отпуска твердость подшипниковых сталей должна быть не ниже HRC 62. В качестве примера показана микроструктура стали ШХ15 после закалки с температуры 830 °С и отпуска при температуре 160 °С в течение 2 ч. Это отпущенный мелкоигольчатый мартенсит и равномерно распределенные избыточные карбиды.

Стали марок ШХ6 и ШХ9 идут для изготовления шариков и роликов подшипников. Для изготовления колец шарико- и роликоподшипников со стенками толщиной до 15-20 мм рекомендуется сталь ШХ15, т.к. она обладает большей твердостью, большей износостойкостью. При изготовлении колец с толщиной стенки более 20-30 мм рекомендуется использовать сталь марки ШХ15СГ. Из всех подшипниковых сталей она обладает наибольшей прокаливаемостью. В случае изготовления очень крупных подшипников (диаметром от 0,5 до 2 м) следует использовать низкоуглеродистые цементуемые стали, например, 20Х2Н4А. Это объясняется тем, что высокоуглеродистые стали типа «ШХ» обладают пониженной обрабатываемостью резанием и требуют высоких угловых скоростей при резании. В этом случае появляется опасность того, что опоры шпинделя металлорежущего станка могут не выдержать действующих нагрузок. Низкоуглеродистые стали обладают лучшей обрабатываемостью резанием и позволяют проводить обработку при меньших угловых скоростях. Однако низкоуглеродистые стали являются сравнительно мягкими сталями, а закалка их оказывается невозможной из-за очень высокой критической скорости закалки. Поэтому после изготовления колец из таких сталей они подвергаются цементации на глубину до 8 мм с последующей закалкой и последующим низким отпуском. После такой термообработки кольца структура его поверхности состоит из отпущенного мартенсита и карбидов, а структура сердцевины - из малоуглеродистого мартенсита. Для подшипников, работающих в агрессивных средах (например, в пресной или морской воде, в растворах азотной кислоты и органических кислотах), рекомендуют использовать коррозионно-стойкую хромистую сталь марки 95Х18.

В случае, когда подшипники в процессе своей работы нагреваются до 400-500 °С, для их изготовления рекомендуют использовать быстрорежущие стали, например, Р9, но с пониженным содержанием углерода и ванадия. Это вызвано необходимостью уменьшения склонности к карбидной ликвации. Термообработку таких сталей проводят по обычным режимам, предусмотренным для быстрорежущих сталей.