Что такое твердость по Роквеллу (HRC)?

 К подшипниковым сталям предъявляются высокие требования в основном по твердости, износостойкости и пределу усталости. Эти требования обеспечиваются сочетанием оптимального химического состава и термической обработки на необходимую твердость. Для шарикоподшипниковых сталей общего назначения (типа ШХ15) твердость после термообработки обычно составляет 60-64 HRC (закалка + низкий отпуск 150 — 190°C, 1,5-2 часа).

Кроме этого, часто к подшипниковым сталям предъявляются требования по минимальному содержанию неметаллических включений и карбидной ликвации, которые могут вызывать преждевременную поломку изделия.

Кроме закалки и отпуска, для сталей, от которых требуется размерная стабильность, применяют обработку холодом при -80°C.

Большинство шарикоподшипниковых сталей содержат в структуре хром, который способствует образованию карбидов. Благодаря этому повышается твердость и износостойкость шариков и роликов. Хромистая сталь, например ШХ15, после закалки и низкого отпуска будет иметь в структуре низкоотпущенный мартенсит и небольшое количество карбидов.

Свойства стальных сплавов

Исходя из названия можно сразу догадаться, что подшипниковые марки стали нужны для производства шариков для подшипников, колец, роликов и других разнообразных деталей, на которые оказывается повышенная нагрузка.

Стали с повышенным количеством углерода:

1. Сплавы, предназначенные для эксплуатации при высоких температурах и агрессивных средах. К таким сталям выдвигают повышенные требования, поэтому они должны характеризоваться устойчивостью к нагреву и коррозии.
2. Стальные сплавы для функционирования в стандартных условиях. Металл может использоваться в различных отраслях. Сплавы имеют в составе хромомарганец, хром, молибден, кремний.

К популярным подшипниковым сплавам можно отнести стали следующих марок: 11Х18М-ШД, ШХ15, 95Х18-Ш, ШХ20СГ, 8Х4М4ВФ1-Ш. Буквы ШД в маркировке стального сплава значит, что сталь изготавливалась при помощи вакуумно-дуговой переработки. Буква Ш означает, что при производстве данных сплавов использовалась электрошлаковая технология.

Основные характеристики металлических сплавов очень схожи с химическим составом стали из инструментальной группы.

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.

Характеристики подшипниковых сплавов

Шарико-подшипниковая сталь, которая используется для изготовления подшипников качения, регулярно испытывает знакопеременные нагрузки. Повторяющиеся давление на любую зону колец роликов либо шариков становится причиной создания локального напряжения.

Напряжение периодически может достигать 500 кгс/см2, из-за чего может появляться несущественная деформация изделия качения. С первого взгляда может показаться, что ничего страшного не произошло, но так как напряжение воздействует на подшипник регулярно, то спустя какое-то время на нём появляются трещины.

Также во время эксплуатации подшипники существенно изнашиваются, поэтому на них появляются участки с истиранием. Износ обусловлен наличием напряжений и трения в процессе эксплуатации. В процессе эксплуатации могут откалываться небольшие частички, которые выполняют роль абразива, что приводит к преждевременному износу вследствие абразивного истирания.

На факторы истирания детали влияют следующие факторы:

• химические характеристики среды, где эксплуатируется деталь;
• качество сборки самого изделия;
• количество абразивных частиц в изделии.

Если деталь эксплуатируется в очень активном режиме, то элементы конструкции могут изнашиваться гораздо раньше, чем поломка произойдет по причине усталостных деформаций. Если на подшипники оказываются комбинированные нагрузки, то срок эксплуатации стали существенно уменьшиться.

Так как все элементы постоянно находятся в непосредственном контакте друг с другом, то обязательным условием при производстве подшипниковых сталей является исключение из их состава посторонних примесей. Важно, чтобы сплав был однородным, так как небольшие изменения в материале станут причиной того, что в процессе эксплуатации возникнут трещины и другие повреждения. Все подшипниковые стали должны обладать незначительной хрупкостью и характеризоваться высокими показателями сопротивления усталости в металлических сплавах. Также исходя из сферы применения сплавы должны быть устойчивыми к механическому износу и характеризоваться прочностью.

Изменения в ГОСТах подшипников

В июле 2003 года ГОСТ 520-89 был заменен на ГОСТ 520-2002. Основные различия между ними заключаются в установлении новых классов точности. В последствие 520-2002 ГОСТ несколько раз заменялся, сейчас действующий ГОСТ – 520-2011, однако вносимые изменения не касались технической части, а относились к тексту. Такое же положение и с большинством ГОСТов, относящихся к подшипникам.

Система точности в условных обозначениях менялась и до этого в 1971 году. У подшипников, выпущенных до этого, класс точности обозначался буквами, а не цифрами. Это может привести к определенным сложностям, к примеру, при ремонте старого оборудования. Кроме того, буквенное обозначение используется и сейчас при производстве подшипников, изготавливаемых в соответствии с ЕТУ 100. Для удобства приводим таблицу соответствия старых и новых обозначений.

* Маркируется, только если есть дополнительные основания; ** Промежуточный класс.

Требования к химическому составу

Подшипниковые стали имеют в составе определенные легирующие компоненты:

• кремний;
• серу;
• углерод;
• марганец;
• хром;
• медь;
• фосфор;
• никель.

В зависимости от марки стального сплава все эти компоненты содержаться в определенных пропорциях. Если в сплаве ШХ15СГ содержится кремния 0,4-0,65%, а углерода — 0,95-1,05, то в стали ШХ15 кремния — 0,17-0,37%, а показатели углерода находятся в тех же пределах.

Немалое количество углерода, которое содержится в подшипниковых сталях, обеспечивает сплавам хорошую износостойкость в процессе эксплуатации. Также именно углерод влияет на прочность деталей после нагрева. Термообработка способствует стабильности геометрических параметров изделий при эксплуатационной температуре свыше 100 градусов. Хоть термообработка и обеспечивает стабильность, но снижается твердость стальных сплавов.

Марганец и хром, которые добавляются в подшипниковую сталь, обеспечивают сплавам повышение истироустойчивости и твердости.

Такой компонент, как молибден, добавляется в подшипниковые сплавы для обеспечения готовым изделиям долговечности. Несмотря на то, что большинство добавок обязательны, их количество играет очень большую роль. Чрезмерное количество может оказать негативное влияние, нужно соблюдать пропорции при производстве стали.

Компоненты с негативным влиянием

1. Медь. Данный элемент хоть и увеличивает прочность готовых слов, но при избытке может стать причиной появления трещин и надрывов.
2. Фосфор. Компонент способен уменьшать прочность на изгиб и делать материал хрупким. Если добавлять вещество в определенном количестве, то повышается восприимчивость стали к нагрузкам динамического характера.
3. Азот, олово либо мышьяк. Данные компоненты даже при наличии в тысячных долях процента могут стать причиной раскрашивания металла.
4. Никель. Если сталь имеет избыточные показатели никеля в своём составе, то твёрдость может существенно быть снижена.
5. Сера. Хоть нет однозначного мнения по данному компоненту, но отечественные производители стали не используют серу выше 0,15%, так как излишки компонента делают деталь склонной к быстрому усталостному разрушению.

Материалы подшипников качения

Материалы, из которых изготовлен подшипник определяют рабочие характеристики и надежность подшипников качения. Твердость материала колец подшипника необходима для обеспечения грузоподъемности подшипника, усталостной прочности в зоне контакта качения, а также стабильности размеров деталей подшипников. Для материала сепаратора также существуют требования по трению, прочности, силы инерции и т. д. Коррозия, повышенные температуры, ударные нагрузки и сочетания этих и других условий также могут оказывать влияние на общие требования к материалам колец подшипника, тел качения и сепаратора. Например, если существует риск электрического пробоя в месте установки подшипника, то возможен выбор подшипника с керамическими телами качения и стальными кольцами или полностью керамического подшипника. Также возможен (но редко встречается) вариант с покрытием стандартного подшипника специальными полимерными веществами для обеспечения коррозионной стойкости или электрической изоляции.

Самая распространенная сталь объемной закалки — это хромистая сталь, содержащая примерно 1 % углерода и 1,5 % хрома в соответствии со стандартом ISO 683-17:1999. В отечественной промышленности такая сталь обозначается ШХ15. Эта сталь является старейшей и наиболее изученной маркой из существующих из-за постоянно повышающихся требований к ресурсу подшипников. Можно считать ее наиболее сбалансированной по технологическим и потребительским характеристикам. После закалки мартенсит или бейнит, ее твердость составляет от 58 до 65 HRC (или 179 — 207 Мпа твердости по Бринеллю).

Поверхностная индукционная закалка дает возможность выборочной закалки дорожки качения, при этом остальную часть детали процесс закалки не затрагивает.

Существует также понятие цементирования стали. Это хромоникелевые и хромомарганцевые стали по стандарту ISO 683-17:1999 с содержанием углерода примерно 0,15 %

Их используют в случае посадки с большим натягом и при тяжелых ударных нагрузках.

Т.е. На практике это означает увеличение нагрузочной способности подшипника при сохранении стойкости подшипника к ударным нагрузкам. Т.к. «внутри» стали твердость не повышалась и ударная нагрузка не нарушает структуру стали, она мягко распределяется по стали. Многие производители подшипников перестали выделять подшипники из цементируемой стали в отдельный подкласс, считая их взаимозаменяемые со стандартными. Узнать подшипники из цементируемой стали можно, как правило, по префиксу — например, HC3xxxxJR у KOYO или HR3xxxxJ у NSK. Префиксы HR и HC как раз и указывают на это.

Также часто упоминаемым классом стали для подшипников является нержавеющие стали.

Наиболее распространенным типом нержавеющих сталей,используемых для изготовления колец и тел качения подшипников, являются стали с высоким содержание хрома марки X65Cr14 в соответствии со стандартом ISO 683-17:1999 и марки X105CrMo17 по стандарту EN 10088-1:1995. Отечественный аналог такой стали — 9X18

Существуют также экзотические жаропрочные, высоколегированные стали типа 80MoCrV42-16 по стандарту ISO 683-17:1999 для подшипников длительное время работающих при температурах свыше 250 градусов.

Самой же большой экзотикой была и является керамика в подшипниках, будь то тела качения или кольца подшипника. Чаще всего применяется нитрид кремния. Его структура (тонкие продолговатые частицы нитрида бета-кремния, расположенных в кристаллической фазовой матрице) обеспечивает благоприятное сочетание высокой твердости, малой плотности, малого коэффициента теплового расширения, высокого электрического сопротивления, малой диэлектрической проницаемости и нечувствительность к магнитным полям.

Выплавка

Основным способом производства подшипниковых сталей является изготовление их в электродуговых печах. Около 90% сплавов производится именно данным способом. Оставшиеся 10% переплавляются в мартеновских печах. Такие способы производства обусловлены особенностями при переплавке сталей и доступности определенного оборудования.

В мартеновских печах подшипниковые сплавы изготавливаются при помощи активной плавки либо восстановление кремния. Эти два способа позволяют добиться нужных характеристик металла. В случае активной плавки происходит добавление нужных компонентов. К ним относится известняк, руда и остальное. Стоит учитывать, что данная схема делает потенциал кремния в окислительном плане очень высоким. Также ограничивается его восстановление и увеличивается подвижность шлака в жидком состоянии.

Изготовление подшипниковых сплавов по восстановительной технологии предполагает добавление различных компонентов непосредственно в процессе плавки. В таком случае кремнезем насыщает шлаковый расплав во время роста температуры плавления стали. У шлака повышается вязкость, кислород начинает проходить сквозь него в очень медленном режиме. При проведении плавки происходит фиксация процесса, когда начинается восстановление кремния.

Плавка в электродуговых печах происходит по двум основным технологиям:

• обработка стали синтетическим шлаком, который готовится в ином устройстве;
• обработка сплавов шлаком, получаемым непосредственно в печи.

Обе технологии допускают использование свежей шихты либо переплавленные материалы. При применении шихты для переплавки понадобится около 4,5% стальных отходов, 20% чугуна и 75% различных отходов черного металла. Готовые металлические сплавы раскисляют при помощи первичного алюминия. При использовании технологии переплавки понадобится 70-100% подшипниковых сплавов. Раскисление таких металлов происходит при помощи кусков алюминия.

Дополнительная обработка стальных сплавов происходит при помощи электроннолучевого, электрошлакового, либо дугового переплава. Благодаря дополнительной обработки из подшипниковых сплавов удаляются различные посторонние добавки, которые являются неметаллическими. Также удаляются разнообразные газы.

Подшипниковая сталь для ножей

Подшипниковые сплавы также нередко используются для производства ножей и других бытовых предметов. Чаще всего для производства ножей используется низколегированная хромистая сталь под маркой ШХ15.

Она характеризуется повышенной твердостью, хорошей износостойкостью, устойчивостью к ржавчине. Также стальной сплав характеризуется хорошей устойчивостью к различным температурным обработкам. После термообработки повышается твердость стали, но сохраняется пластичность и вязкость металла. Закалка ножей из подшипниковой стали происходит при температуре 825-855 градусов.

Преимущества и недостатки

Достоинства сплавов:

• однородную структуру;
• повышенную выносливость;
• хорошую податливость;
• высокая твердость;
• износостойкость;
• устойчивость к смятию;
• возможность создания тонкой кромки при заточке.

Готовые изделия из подшипниковых сплавов служат не одно десятилетие даже при интенсивном использовании.

К недостаткам относят трудную заточку. Подшипниковая сталь ШХ15 хоть и является достаточно универсальной и недорогой, но при ковке мастером требует повышенной внимательности и аккуратности. Особенности заточки лезвия будут сопровождать клинок в течение всего времени эксплуатации.

Выводы

Подшипниковые марки стали характеризуются хорошими эксплуатационными параметрами и подходят для изготовления не только изделий по назначению, но также и различных других. Универсальность сплавов и их высокая износостойкость обеспечивает им длительный срок пользования даже в весьма агрессивных средах. При выборе подшипниковых сплавов для изготовления изделий различных изделий очень важно учитывать особенности эксплуатации готовых деталей и их спецификацию.

Используемая литература и источники:

• Технология металлов и других конструкционных материалов / В.М. Никифоров. — Москва:РГГУ, 2006.
• Повышение способности металлов к пассивации применением комплексных добавок / Е.И. Тупикин. — М.: АСВ, 2009.
• Обработка конструкционных материалов / Е.Н. Тронин. — М.: Высшая школа, 2004.

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: