26.Подшипниковые сплавы. Стали для подшипников качения. Маркировка. Термообработка. Сплавы для подшипников скольжения. Строение, свойства, применение.
Подшипниковые сплавы.
В процессе работы детали подшипников (шарики, ролики, обоймы) испытывают высокие удельные знакопеременные нагрузки.
Стали для подшипников должны обладать высокой твёрдостью и износостойкостью в сочетании с высоким пределом контактной усталости. К сталям предъявляют требования по минимальному содержанию неметаллических включений, развитию карбидной неоднородности и пористости. Эти дефекты, находясь в поверхностном слое, становятся концентраторами напряжений и вызывают преждевременное усталостное разрушение. Долговечность сферических подшипников в значительной мере определяется отклонением от сферической формы, приводящим к биению. Эти отклонения тщательно контролируются.
Подшипниковые стали маркируют буквами Ш и Х, что означает шарикоподшипниковая и хромистая. Цифра после буквы показывает содержание хрома в десятых долях процента. Подшипники общего назначения изготавливают из сталей ШХ15, ШХ15СГ. Они проходят термообработку – закалку при 820–850 °С, охлаждение в масле. Перед отпуском детали охлаждают до 20–25 °С для обеспечения стабильности их работы (за счёт уменьшения количества остаточного аустенита). Отпуск проводят при 150–170 °С в течение одного – двух часов. После такой обработки структура стали состоит из мартенсита и мелких включений карбидов хрома и имеет твёрдость 60–64 HRC.
Подшипники, работающие в условиях агрессивных сред, изготавливаются из коррозионностойкой высокохромистой стали 95Х18–Ш, в которой содержится 0,95 % углерода и 18 % хрома.
Для изготовления высокоскоростных подшипников применяют стали после электрошлакового переплава (к марке таких сталей добавляют букву Ш, например ШХ15–Ш), отличающиеся наибольшей однородностью строения. Эти стали необходимы для изготовления высокоточных приборных подшипников, детали которых тщательно полируют с тем, чтобы обеспечить минимальный коэффициент трения.
Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой.
Стали для подшипников качения.
Подшипниковые стали (шарико-подшипниковые) представляют собой износостойкие высококачественные сплавы, которые хорошо противодействуют серьезным контактным нагрузкам. В таких сплавах всегда имеется хром и не менее 0,95 процентов углерода (до 1,15 процентов).
Не нужно быть большим специалистом в металлургическом деле, чтобы понять, что шарико-подшипниковые стальные композиции предназначаются для выпуска колец, роликов и шариков подшипников качения. Несмотря на такое узкое назначение интересующих нас сплавов, их номенклатура не столь уж и мала.
Все шарико-подшипниковые сплавы с высоким содержанием углерода обычно делят на две группы:
Для изделий качения, которые функционируют при повышенных температурах и в агрессивных по своим характеристикам средах. К ним относят тепло- и нержавеющие стали (коррозионностойкие).
Для изделий, которые используются в стандартных условиях. В данной группе находятся хромомарганцевые и хромистые составы, легированные молибденом и кремнием.
Популярные стали первой группы –11Х18М-ШД, 95Х18-Ш, 8Х4М4ВФ1-Ш и другие. В их маркировке литеры "ШД" означают, что сплав изготовлен по технологии вакуумно-дуговой переработки, а "Ш" – по технологии обычной электрошлаковой. Самыми же известными и востребованными сталями для шарико-подшипниковых изделий второй категории являются композиции ШХ15, ШХ20СГ и ШХ15СГ.
По ключевым свойствам и химическому составу (о нем будет подробнее рассказано ниже) любая подшипниковая сталь похожа на сплавы инструментальной группы. При этом сфера ее использования позволяет причислить шарико-подшипниковые материалы к специальным конструкционным.
При эксплуатации подшипники качения и их элементы (кольца, ролики, шарики) постоянно воспринимают знакопеременные повышенные напряжения. Многократное давление на любую зону этих компонентов распространяется по опорной поверхности, имеющей малую площадь. Из-за этого и появляются локальные напряжения с переменным знаком, которые растягивают поверхность у контура и сжимают ее в центре.
Величина упомянутых напряжений может достигать 500 кгс/см2, за счет чего возникает несущественная остаточная и упругая деформация изделия качения. Казалось бы, ничего страшного. Но ведь данное напряжение, как было сказано, воздействует на подшипник множество раз, что и становится причиной возникновения через некоторое время усталостных трещин, которые приводят к разрушению изделия.
Кроме того, шарико-подшипниковые детали склонны к истиранию, то есть к одному из видов разрушений металла механического характера. Оно обуславливается наличием напряжений, которые образуются при движении контактирующих поверхностей силами трения. Из-за истирания от изделий начинают отпадать небольшие металлические частички, это приводит к повышению величины зазора между телами качения и кольцами подшипников, а также к активизации процесса их абразивного износа.
Исходя из всего вышесказанного, становится понятным, что шарико-подшипниковые сплавы обязаны обладать:
-повышенной прочностью и стойкостью против механического износа;
-большой упругостью;
-незначительной хрупкостью в сочетании с повышенным показателем сопротивления физической усталости металла.
Подшипники качения применяются в различных условиях: при низких и высоких температурах, в нейтральных и агрессивных средах (морская вода, кислоты и т.п.). И в связи с этим элементы подшипников изготавливаются из различных материалов. Ниже приведены сведения только о наиболее применяемых материалах.
Термическая обработка деталей подшипников из сталей.
Предварительная термическая обработка поковок – смягчающий сфероидизирующий отжиг, при котором обеспечивается растворение определенной части карбидной фазы в аустените и образование зернистого перлита. Сталь со структурой зернистого перлита обеспечивает хорошую производительность резания и качество обрабатываемой поверхности при обработке заготовок на станках–автоматах. Однородный мелкозернистый перлит является оптимальной исходной структурой для последующей закалки, т.к. глобулярная форма и равномерное распределение карбидов наилучшим образом соответствует оптимальному по прочности и вязкости структурному состоянию стали после закалки (мелкие карбидные глобули равномерно распределенные в мартенсите). Твердость после отжига сталей ШХ15, ШХ4 находится в пределах НВ179-207, а сталей ШХ15СГ и ШХ20СГ НВ 179-217.
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 аустените, а с другой – не допустить чрезмерного роста зерна аустенита. Кроме того, повышение температуры закалки приводит к существенному снижению мартенситной точки Мн 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 °C. Для марганецсодержащих сталей изотермическую закалку не применяют из-за чрезмерно высокой устойчивости переохлажденного аустенита в бейнитной области. Весьма перспективно применение для закалки деталей подшипников индукционного нагрева. Это увеличивает производительность и экономичность термических агрегатов, а также позволяет получить полностью закаленный поверхностный слой с сохранением высокой вязкости сердцевины. Твердость поверхности при любом способе закалки должна быть на уровне HRC 60–66.
Окончательной операцией термической обработки подшипниковых сталей является низкотемпературный отпуск, цель которого уменьшение закалочных напряжений. Благодаря ему достигается повышение вязкости (за счет уменьшения тетрагональности мартенсита и внутренних напряжений), размерная и структурная стабильность деталей. Отпуск деталей подшипников из стали ШХ15 осуществляют при 150–165 ºС, а из сталей ШХ15СГ и ШХ20СГ – при 165–175 ºС. После окончательной термообработки твердость колец и роликов из стали ШХ15 должна быть в пределах HRC 61–65, а из стали ШХ15СГ – в пределах HRC 60–64. Микроструктура представляет собой скрытокристаллический мартенсит отпуска и равномерно распределенные глобулярные избыточные карбиды хрома. Содержание остаточного аустенита должно быть минимальным.
Сплавы для подшипников скольжения.
Работоспособность подшипника скольжения в значительной степени определяется материалом вкладышей. Материал вкладыша должен быть выбран так, чтобы в сочетании с материалом цапфы была образована антифрикционная пара. В свою очередь, подшипники работают тем надежнее, чем выше твердость поверхностей цапф.
К подшипниковым материалам могут быть предъявлены следующие комплексные требования, соответствующие основным критериям работоспособности подшипников:
а) низкий коэффициент трения;
б) высокая сопротивляемость изнашиванию и заеданию;
в) достаточная усталостная прочность (при пульсирующей нагрузке).
Для обеспечения этих требований наиболее важны следующие основные свойства подшипниковых материалов:
а) теплопроводность, обеспечивающая интенсивный теплоотвод от поверхностей трения, и малый коэффициент линейного расширения во избежание больших изменений зазоров в подшипниках;
б) прирабатываемоcть, обеспечивающая умень-шение кромочных и местных давлений, связанных с упругими деформациями и погрешностями изготовления;
в) хорошая смачиваемость маслом и способность образовывать на поверхностях стойкие и быстро восстанавливаемые масляные пленки;
г) коррозионная стойкость.
Кроме того, существенное значение имеют технологические свойства: литейные, хорошая обрабатываемость резанием и т. д. Хорошим антифрикционным свойствам материала благоприятствует структура, характеризуемая пластической основой и более твердыми вкрапленными в неё составляющими.
Подшипниковые антифрикционные материалы по своему химическому составу делятся на следующие группы: баббиты, бронзы, сплавы на цинковой основе, сплавы на алюминиевой основе, антифрикционные сплавы на железной основе.
Материалы выбирают с учетом работы в паре со стальными шейками вала, которые как правило закаливают. Предъявляются требования: низкий коэффициент трения в паре со сталью, быть износостойкими, обладать высоким сопротивлением усталости. Работоспособность подшипника скольжения зависит от твердости шеек валов, поэтому их, как правило ,закаливают.
К подшипниковым материалом представляют комплексные требования, соответствующие основным критериям работоспособности подшипников скольжения. Они должны иметь низкий коэффициент трения в паре со стальной шейкой вала, быть износостойкими и обладать высоким сопротивлением усталости.
Первому критерию удовлетворяют антифрикционные металлические, металлокерамические и некоторые не металлические материалы.
К металлическим материалам, наиболее распространенным в машиностроении, относят :антифрикционный чугун, бронзу (оловянистую и безоловянистую) и цинковые сплавы.