Таблица 18. Состав и области применения подшипниковых сталей

Марка стали

Содержание основных

ШХ15

ШХ15СГ ШХ20СГ 95X18-Ш 11Х18М 8Х4М4В2Ф1Ш

8Х4В9Ф2Ш

0,95-1,05 0,95-1,05 0,95-1,05 0,9-1,1 1,1-1,2 0,75-0,85

0,70-0,80

0,17-0,37 0,40-0,65 0,55-0,85

0,8 0,53-0,93

0,40

0,25

0,20-0,40 0,90-1,20 1,40-1,70

0.7 0,5-1,0

0,40

0.25

Примечание. Как правило, во всех сталях содержание Р<0,030 %,

щаться В мартенсит, что сопровождается объемными изменениями.

Подшипниковые стали обычно классифицируются по условиям работы: различают стали общего применения, используемые для изготовления деталей подшипников (колец, шариков, роликов), работающих при температурах -60- -300 °С в неагрессивных средах, и стали специального назначения, предназначенные для изготовления теплостойких и коррознонностойких подшипников. Составы сталей для подшипников общего назначения регламентируются ГОСТ 801-78, а подшипников специального назначения - соответствующими ТУ. В табл. 18 приведены составы некоторых подшипниковых сталей.

2. Легирование и термическая обработка

В составе подшипниковых сталей общего назначения обязательно присутствует хром. Хром определяет состав карбидной фазы и, кроме того, обеспечивает необходимую прокаливаемость. Дополнительное введение кремния и марганца проводят с целью повышения прокаливаемости и применяют для сталей, используемых для производства крупногабаритных подшипников с толщиной стенки более 10 мм. При отпуске кремний дает более высокие значения твердости вследствие замедления распада мартенсита в интервале температур 150-350 С.

Температурная обработка сталей типа ШХ включает смягчающий сфероидизирующий отжиг, при котором обеспечивается растворение определенной части карбидной фазы в аустеиите и образование зернистого перлита.

элементов, %

ДОУГие

Область применения

1.3-1.65 1.3-1,65 1.4-1,7 17-19 16,5-18 3,9-4,4

4,0-4,6

S< 0,020 %.

0,5-0,8 3,9-4,4

0,30

1,5-2,0W, 0,9-l,2V 8,5-9,5W, 1,4-1.7V

Интервал рабочих температуо -бО--ЗОО-С

Для работы в агрессивных средах, для подшипников приборов

Интервал рабочих температур 300-500 С

Готовые детали подшипников подвергают ступенчатой или изотермической закалке от 850-900 °С. Выбор такой температуры нагрева обусловлен, с одной стороны, необходимостью растворить карбиды хрома в аустеиите. а с другой - ие допустить чрезмерного роста зерна аустенита. Кроме того, повышение температуры закалки приводит к существенному снижению мартенситной точки Мв и, как следствие этого, к образованию остаточного аустенита, что для подшипниковых сталей нежелательно.

В настоящее время применяется как закалка в одном охладителе, так и ступенчатая или изотермическая закалка с выдержкой в области образования нижнего бейнита при 210-240 °С. Для маргаиецсодержа-щих сталей изотермическую закалку ие применяют из-за чрезмерно высокой устойчивости переохлажденного аустенита в бейиитной области. Весьма перспективно применение для закалки деталей подшипников индукционного нагрева. Это увеличивает производительность и экономичность термических агрегатов, а также позволяет получить полиостью закаленный поверхностный слой с сохранением высокой вязкости сердцевины. Твердость поверхности при любом способе закалки должна быть на уровне HRC 60-;-64.

Окончательной операцией термической обработки подшипниковых сталей является низкий (170-230 С) отпуск, цель которого - уменьшение закалочных напряжений.

В последнее время в качестве материалов для подшипников ответственного назначения, работающих при повышенных ударных нагрузках, применяют цементуемые низкоуглеродистые легированные стали (18ХГТ, 20ХНМ, 20ХН2Н2А и др.). Детали из сталей такого типа имеют повышенную вязкость сердцевины, однако твердость сердцевины не должна составлять менее HRC 35-45 во избежание продавливания цементованного слоя при эксплуатации.

. Теплостойкие подшипники качения должны обладать высокой твердостью, в том числе при рабочих температурах (горячая твердость), которая определяет несущую спо-

собность подшипника, достаточной контактной выносливостью в рабочем интервале температур, высоким сопротивлением ползучести и релаксации напряжений при воздействии динамических нагрузок и температуры, определенными, заданными значениями некоторых физических свойств, например термического коэффициента расширения (во избежание потери натяга в паре с сопряженным металлом), высоким сопротивлением контактной ползучести (длительная горячая твердость).

700 200 300 Ш 500 600 t°C

Рис. 106. Влияние иагрева на горячую твердость (диаметр отпечатка) подшипниковых сталей (Л. Я. Коитер):

/ - ШХ15; 2 - 8Х4В9Ф2Ш; 3 - 95Х18Ш

Рис. 107. Зависимость твердости стали 8Х4В9Ф2Ш от температуры отпуска (Л. Я. Коитер, А. И. Калугина, Р. А. Бирюкова). Температура аустенитизации: 1 - 1050; 2 - 1100; 3- 1200 °С

На рис. 106 приведены кривые горячей твердости основных подшипниковых сталей. Видно, что сталь ШХ15 уже при 150-200 °С уступает по этой характеристике сталям 8Х4В9Ф2Ш и 95X18Ш.

Высокая теплостойкость сталей 8Х4М4В2Ф1Ш и 8Х4В9Ф2Ш достигается при совместном легировании вольфрамом и молибденом. Их суммарное содержание должно удовлетворять соотношению W+2Mo= (7-10) % Меньшее содержание не позволяет получить достаточную теплостойкость и структурную стабильность.

Содержание хрома в теплостойких подшипниковых сталях обычно составляет 4,0-5,0%. Содержание ванадия ограничивается 1,0-1,7 %, поскольку ванадий ухудшает шлифуемость стали. Из-за необходимости уменьшения карбидной неоднородности содержание углерода ограничивается 0,8%.

В нержавеющ,их подшипниковых сталях содержится около 18 % Сг, поскольку необходимо обеспечить одновремен-

Таблица 19. Режимы термической обработки некоторых сталей для теплостойких и коррозиоиностойких подшипииков

После закалки требуется обработка холодом.

НО достаточную теплостойкость и износостойкость и коррозионную стойкость стали. В табл. 19 приведены режимы термической обработки некоторых нержавеющ,их и теплостойких подшипниковых сталей.

Склонность стали 8Х4В9Ф2Ш к разнозернистости аустенита требует кратковременного нагрева под закалку в соляных ваннах, а также индивидуального для каждой плавки подбора режимов закалки.

Сталь 8Х4В9Ф2Ш относится к дисперсионнотвердею-щим. На рис. 107 представлено изменение твердости при отпуске этой стали. Нагрев до 300-350 °С приводит к снижению твердости из-за распада мартенсита и выделения карбидов МвзС, которые при повышении температуры пре-вращаются в карбиды типа МегзСб. При температурах отпуска выше 400°С начинается вторичное твердение; максимум твердости достигается при 500-550 °С. Последующее интенсивное разупрочнение связано с коагуляцией карбидной фазы (550-650 °С) и карбидным превращением Ме2С->--МевС (выше 650 С).

Для деталей подшипииков, работающих при повышенных температурах, наряду с высокохромистыми сталями применяют стали типа быстрорежущих, в которых обеспечивается горячая твердость HRC 56-58. Необходимо только еще pis отметить, что применение любых сталей в том числе быстрорежущих, требует применения шлакового или другого рафинирующего переплава.

. Производство деталей подшипииков является весьма дорогостоящим, поскольку велики расходы металла при обработке резанием. В настоящее время внедряется производство деталей подшипииков метода-

ми порошковой металлургии. Это позволяет резко снизить металлоемкость производства в некоторых случаях без заметного снижения качества подшипников.

Глава XVII

МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИЕ СТАЛИ

Разработанные сравнительно недавно (в начале 60-х годов), мартенситно-стареющие стали получили в настоящее время достаточно широкое распространение вследствие удачного сочетания высоких прочностных и пластических свойств, хорошей тепло- и хладостойкости, достаточного сопротивления хрупкому разрушению, размерной стабильности при термической обработке.

В настоящее время разработан весьма широкий ряд мартенситно-стареющих сталей не только на основе системы Fe-Ni, но и на основе тройных систем (Fe-Ni-Со, Fe-Ni-Сг, Fe-Сг-Со), дополнительно легированных Мо, <Зо, Ti, Al и др. Общей особенностью сплавов этого класса

Рис. 108. Структура мар-геиситио-стареющих сталей после закалки:

а - световой микроскоп, Х240; б - электронный микроскоп, X16 ООО

является то, что они практически безуглеродистые (С 0,03 %) и их матрица после закалки представляет собой а-твердый раствор, пересыщенный элементами замещения. При распаде а-твердого раствора при старении сплавов происходит выделение упрочняющих интерметаллидных фаз.

Структура мартенситно-стареющих сталей после закалки представляет собой так называемый массивный или реечный мартенсит (рис. 108), имеющий высокую плотность дефектов кристаллической решетки (см. гл. VIII, п. 5). Электронно-микроскопические исследования тонкой структуры такого мартенсита показали, что основная масса кристаллов имеет неправильную форму. Наиболее крупные кристаллы имеют среднюю полосу-мидриб, представляющую собой сгущения двойников. Остальная часть кристалла имеет дислокационную структуру.

1. Классификация и принципы легирования

Мартенситно-стареющие стали можно разделить на стали общего и специального назначения (нержавеющие стали). Как правило, мартенситно-стареющие стали, являются высокопрочными и характеризуются высоким значением параметра Kic при одновременно высоком значении предела текучести. Вязкость разрушения мартенситно-стареющих сталей Kic при одинаковом пределе текучести значительно превышает значение этого параметра для высокопрочных дисперсионно-твердеющих сталей (рис. 109).

Составы мартенситно-стареющих сталей регламентируются обычно соответствующими техническими условиями (ТУ). В табл. 20 приведены химические составы и свойства некоторых мартенситно-стареющих сталей, применяемых в СССР.

Высокая стоимость . мартенситно-стареющих сталей привела к созданию целого ряда экономнолегированных сталей с повышенным содержанием углерода и пониженным содержанием легирующих элементов, в первую очередь никеля и особенно кобальта. В то же время имеются высокопрочные (сгв=2000-2500 МПа) и сверхпрочные (ав=2500-3500 МПа) мартенситно-стареющие

Г200

Z000 гвоо

Рнс. 109. Зависимость вязкости разрушения К\с от предела текучести а 2 для мартенситно-стареющих (/) и дисперсиоииотвердею-щих - 40Х5МСФ (2) сталей (Артингер)