Шарикоподшипниковые стали
Шарикоподшипниковая сталь прежде всего должна обладать высокой твердостью, поэтому применяют высокоуглеродистые стали типа инструментальной (иногда низкоуглеродистые в цементованном состоянии). Чтобы шарикоподшипниковая сталь легко принимала закалку (т.е. итмела низкую критическую скорость закалки) и в качестве закалочной среды для нее можно было бы применять масло, сталь легируют (обычно) хромом. Государственный стандарт предусматривает четыре основные марки шарикоподшипниковой стали (табл. 2.7.):
Таблица 2.7.
Состав шарикоподшипниковой стали
Стали |
С, % |
Cr, % |
Mn, % |
Si, % |
ШХ6 |
1,05 – 1,15 |
0,4 – 0,7 |
0,20 – 0,40 |
0,17 – 0,37 |
ШХ9 |
1,05 – 1,10 |
0,9 – 1,2 |
0,20 – 0,40 |
0,17 – 0,37 |
ШХ15 |
0,95 – 1,05 |
1,3 – 1,65 |
0,20 – 0,40 |
0,17 – 0,37 |
ШХ15СГ |
0,95 – 1,05 |
1,3 – 1,65 |
0,90 – 1,20 |
0,40 – 0,65 |
Примечание: Во всех сталях S<0,020%, P<0,027%, Ni<0,3%, Cu<0,25%. |
||||
Обозначение марки надо расшифровывать так: шарикоподшипниковая хромистая; цифра показывает примерное содержание хрома в десятых долях процента. Чем меньше размер закаливаемой детали подшипника, тем меньше может быть содержание хрома в стали.
Рекомендуется шарики и ролики диаметром до 13,5 и 10 мм изготавливать из стали ШХ9, шарики диаметром 13,5 – 22,5 мм и ролики диаметром 10 – 15 мм – из стали ШХ12 и, наконец, шарики диаметром 22,5 мм и ролики диаметром 15 – 30 мм – из стали ШХ15. Из этой же стали следует изготавливать кольца всех размеров за исключением очень крупных; ролики диаметром свыше 30 мм и кольца с толщиной стенки свыше 15 мм – из стали марки ШХ15СГ, в которую, кроме хрома, вводят легирующие элементы – кремний и марганец, увеличивающие прокаливаемость.
К шарикоподшипниковым сталям предъявляют весьма высокие требования в отношении чистоты по неметаллическим включениям. Дело в том, что нагрузка в шарикоподшипнике является локальной, и если в точках касания шарика или ролика и кольца в загрязненной или неоднородной стали окажется то или иное включение, то может произойти местное разрушение, а вследствие этого долговечность работы подшипника резко снизится. Поэтому согласно ГОСТу каждая плавка в любом профиле проката тщательно контролируется на наличие пористости, неметаллических включений, строчечность, сетку. Для всех этих дефектов составлены шкалы, по которым оценивается пригодность стали.
Инструментальные стали и их свойства
К инструментальным относят стали, применяемые для обработки материалов резанием и давлением и обладающие определенными свойствами (твердостью, теплостойкостью, износостойкостью и др.) в условиях эксплуатации.
Основным требованием, предъявляемым к сталям для режущего инструмента, является сохранение режущей кромки в течении длительного времени. В работе режущее лезвие инструмента тупится, изнашивается. В отличие от изнашивающихся частей деталей машин (валы, кулачки и т.д.) у режущего инструмента работает на износ очень тонкая полоска металла при значительных удельных давлениях на нее. Чтобы эта полоска была устойчивой против истирания, она должна иметь высокую твердость, как правило выше HRC 60.
Если обрабатывается мягкий материал (дерево, пластмассы, цветные металлы) или при обработке стали и чугуна применяются малые скорости резания и стружка имеет малое сечение, то в единицу времени на процесс резания затрачивается мало энергии. Если обработка происходит при больших скоростях резания, обрабатываются твердые металлы и стружка имеет большое сечение, то в этих случаях в единицу времени затрачивается много энергии. Механическая энергия в процессе резания превращается в тепловую, режущая кромка инструмента сильно нагревается (до красного каления) при тяжелых условиях резания. Для такого инструмента главное требование – сохранение твердости при длительном нагреве, т.е. сталь должна обладать красностойкостью.
Условия работы измерительного инструмента в известной мере приближаются к условиям работы режущего инструмента при легких режимах резания, различия составляют лишь значительно меньшие удельные давления на рабочие поверхности.
Сталь в штампах испытывает значительно тепловые и ударные нагрузки, распределенные по сравнительно большой поверхности. Здесь большую роль играет вязкость. Наилучшей сталью является та, у которой при температурах, соответствующих условиям работы штампа, имеется наилучшее сочетание твердости и вязкости.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что для разных видов инструмента применяют стали разного типа. В свою очередь, инструментальные стали делятся на четыре типа:
пониженной прокаливаемости (преимущественно углеродистые)
повышенной прокаливаемости (легированные);
штамповые;
быстрорежущие.
В особую группу инструментальных материалов входят так называемые твердые сплавы, применяемые для инструмента, работающего на особо высоких скоростях резания
Основными свойствами инструментальных сталей, имеющих значение практически для всех видов инструментов являются:
твердость,
вязкость,
износостойкость,
теплостойкость (красностойкость),
прокаливаемость.
Кроме того, для некоторых видов инструмента большое значение имеют такие свойства, как:
теплопроводность,
разгаростойкость,
окалиностойкость,
устойчивость против схватывания (адгезия) и налипание,
некоторые механические свойства и др.
Твердость является главным показателем качества инструмента. В зависимости от назначения инструмента устанавливает значение его твердости. Возможность получения той или иной твердости определяется химическим составом стали (прежде всего углерода) и применяемой термической обработкой. При содержании 0,4 – 0,7 % С достигается твердость инструмента HRC 40 – 55, а при 0,8 – 1,5 % С – HRC 58 – 65. Однако во многом твердость зависит и от получаемой структуры: избыточная карбидная фаза и мартенсит увеличивают ее, а остаточный аустенит уменьшает.
Вязкость инструментальной стали может определяться такими показателями, как KCU, KCV, KIc и др; и характеризует эксплуатационную надежность инструмента. Однако, для инструментальных сталей вязкость, кроме структуры, количества примесей, неметаллических включений, карбидной неоднородности, зависит прежде всего от твердости. Твердость и вязкость – противоположные свойства инструментальных сталей. Чаще всего повышение твердости вызывает понижение вязкости и наоборот.
По твердости и вязкости инструментальные стали классифицируются на стали высокой твердости (HRC 58 – 65), но пониженной вязкости и стали повышенной вязкости, но пониженной твердости (HRC 40 – 55).
Износостойкость инструментальной стали, т.е. способность ее сопротивляться различным видам изнашивания поверхности, является характеристикой долговечности работы инструмента. Она определяется составом, структурой и свойствами стали, а также свойствами обрабатываемого изделия, условиями эксплуатации инструмента и т.п. Последние определяют характер износа: абразивный, эрозионный, адгезионный, диффузионный и др. Сталь одной и той же марки может обладать различной износостойкостью в зависимости от технологии ее обработки и условий эксплуатации. Износостойкость инструмента при абразивном изнашивании, которое происходит при эксплуатации большинства инструментов (режущий, измерительный, штамповый инструмент), определяется в первую очередь твердостью и структурой стали (количеством и дисперсностью карбидной фазы, количеством мартенсита и содержанием углерода в нем и т.п.). На рис. 2.22 приведена зависимость износостойкости быстрорежущей стали от твердости. Повышение твердости сильно уменьшает износ резцов. Однако чрезмерное повышение твердости (более HRC 64), вызывающее уменьшение вязкости, не является благоприятным для износостойкости, так как наряду с абразивным износом происходит хрупкое выкрашивание кромок инструмента. Из рисунка видно, что увеличение количества карбидной фазы в стали с 18% W по сравнения со сталью 12 % W приводит также к повышению износостойкости. Износ быстрорежущих сталей, обработанных на одинаковую твердость, но имеющих разную карбидную фазу, будет существенно снижаться при увеличении содержании карбида ванадия (рис. 2.23), являющегося наиболее твердым по сравнению с другими карбидами (Ме23С6; Ме6С и др.). Общей классификации сталей по износостойкости нет, так как она определяется не только маркой стали, но и условиями эксплуатации инструмента.
Рис. 2.22. Зависимость износостойкости быстрорежущей стали при разном содержании вольфрама от твердости.
Теплостойкость или красностойкость инструментальных сталей характеризуется температурой до которой сохраняется заданная высокая твердость, прочность и износостойкость стали, т.е. обеспечиваются свойства инструмента необходимые для резания или деформирования. Следовательно, теплостойкость характеризует способность инструмента сопротивляться изменению структуры и свойств рабочей кромки инструмента при разогреве в процессе эксплуатации. Теплостойкость также определяет стойкость стали против отпуска.
По теплостойкости стали разделяют на:
нетеплостойкие,
полутеплостойкие,
теплостойкие.
Нетеплостойкие стали сохраняют высокую твердость и другие свойства до температуры нагрева 200 – 300 °С, полутеплостойкие до 400 – 500 °С, а теплостойкие выше 550 – 600 °С. Увеличение температуры теплостойкости существенно повышает срок службы инструмента. Так, повышение температуры теплостойкости быстрорежущей стали с 610 до 640 °С увеличивает срок службы режущего инструмента в 2 – 3 раза, а до 700 °С в 10 – 15 раз.
Рис. 2.23. Зависимость износостойкости быстрорежущей стали при разной твердости от содержания карбида ванадия.
Прокаливаемость инструментальных сталей характеризует твердость инструмента по сечению; она определяется устойчивостью переохлажденного аустенита. От прокаливаемости стали во многом зависит и ее закаливаемость, т.е. твердость на поверхности инструмента после закалки.
По прокаливаемости инструментальные стали делят на:
стали неглубокой прокаливаемости (углеродистые и низколегированные),
стали глубокой прокаливаемости (легированные и высоколегированные).
Кроме перечисленной классификации по свойствам инструментальные стали классифицируют также по составу, структуре и назначению.
По составу инструментальные стали, как и другие, подразделяют на:
углеродистые,
низколегированные,
легированные,
высоколегированные.
По структуре в равновесном состоянии, определяемой составом сталей – на:
доэвтектоидные,
заэвтектоидные,
ледебуритные.
Большинство инструментальных сталей являются заэвтектоидными и ледебуритными. Как правило, такие стали имеют высокую твердость и низкую вязкость. Меньшее число инструментальных сталей являются доэвтектоидными. Они обладают повышенной твердостью и повышенной вязкостью.
По назначению инструментальные стали делят на:
стали для режущих инструментов,
штамповые стали для холодного деформирования;
штамповые стали для горячего деформирования,
стали для измерительного инструмента.
При дальнейшем рассмотрении инструментальных сталей классификация по назначению принята в качестве основной