Содержание
К подшипниковым сталям, по сравнению с другими машиностроительными сталями, предъявляется ряд особенных требований. Особое значение имеет высокая локальная устойчивость к усталости металла в зоне контакта элементов качения. При этом поскольку динамические нагрузки в работающем подшипнике обычно относительно невелики, их можно изготавливать из довольно хрупких (по меркам машиностроения) высокоуглеродистых сталей, разумеется, с последующей закалкой и отпуском.
Условия работы подшипников: ключевой параметр — твердость!
Представим себе работающий подшипник качения. Нагрузка, воспринимаемая подшипником, передается от одного кольца к другому через шарики или ролики (т.н. тела качения). Давление тела качения на поверхность кольца может достигать колоссальных значений — до 4000 мПа в тяжелонагруженных подшипниках. Житейский пример: такое давление вы получите, если поставите КАМАЗ на ребро десятирублевой монеты.
В местах контакта возникают нормальные напряжения, в основном сжимающего характера, и растягивающие касательные напряжения; напряжения растут, когда подшипник вращается. Деформации в поверхностном слое металла создают еще и остаточные напряжения. В целом картина распределения напряжений чрезвычайно сложна. И достаточно лишь малейшего нарушения целостности поверхности, крошечной ямки, трещинки, чтобы эти напряжения начали постепенно уничтожать металл.
По мере перекатывания шариков или роликов, из зоны повреждения вырываются металлические фрагменты, образуются вторичные трещины и выкрашивается поверхность. Примечательно: если усталостное разрушение «запущено», то снимать нагрузку и облегчать подшипнику работу бессмысленно, он всё равно разрушится, это лишь вопрос времени.
Вот какой перед металлургами и машиностроителями вызов: подшипниковая сталь должна противостоять такого рода повреждениям. Ключевой параметр именно твердость, чтобы поверхность всегда оставалась гладкой, как зеркало!
Другие требования к подшипниковым сталям
Также подшипниковые стали должны обладать выдающейся размерной стабильностью. Подшипники долго хранятся и долго работают, причем в широком диапазоне температур, но уменьшение зазоров, ослабление посадочных натягов колец или изменение размеров шариков и роликов (которое приведет к перегрузке отдельных тел качения) — крайне нежелательные явления. Изменения размеров при эксплуатации должны быть меньше погрешности при изготовлении, то есть иметь порядок 10⁻⁴ мм/мм или даже меньше.
Если предполагается, что подшипник работает при высоких температурах, его детали изготавливают из низколегированных сталей повышенной теплостойкости. Такие сплавы сохраняют высокую твердость при температурах выше 120 градусов.
Есть место в подшипниковой индустрии и для нержавеющей стали: в химической промышленности, в ядерной энергетике, судостроении применяются коррозионностойкие подшипники. К слову, подшипники, работающие в бескислородной среде (условно, в вакууме), служат дольше, так как основная причина коррозии — именно кислород воздуха. И в целом коррозионностойкие стали служат дольше углеродистых, но, конечно, они и гораздо дороже.
Шарики и ролики делают из металлического прутка и проволоки; кольца, в зависимости от размера, — из прутка или трубного проката. Кольца упорных подшипников зачастую вырубают из металлической полосы.
Основные марки подшипниковых сталей
Сталь подшипниковая общего применения, наиболее распространенная у нас в стране, это ШХ15. За рубежом есть аналоги: американская 52100, японская SUJ2 и так далее. Из такой стали делают до 90% всех подшипников.
Сплав разработан более ста лет назад, но его прекрасная износостойкость, высокое сопротивление контактной усталости и доступность практически не оставляют альтернатив. По мере развития отрасли была разработана сталь ШХ15СГ (а затем ШХ20СГ) с повышенным содержанием кремния и марганца. Она глубже прокаливается, а значит подходит для более крупных деталей. После внедрения технологии поверхностной закалки с глубоким индукционным прогревом, стала применяться сталь ШХ4 (в ней элементов, влияющих на прокаливаемость, меньше, чем в ШХ15).
Коррозионностойкие и теплостойкие стали это сплавы высокохромистые. К примеру, 95Х18-Ш применяют для подшипников, работающих в растворах и парах азотной кислоты, хлористого натрия и других агрессивных средах. Из стали 11Х18М-ШД делают малогабаритные подшипники, работающие при температурах до 350 градусов!
Всего же разных подшипниковых сталей — сотни «сортов».
В отличие от конструкционных сталей, которые после закалки подвергают высокому отпуску — то есть нагревают и остужают для повышения пластичности и снятия закалочных напряжений — высокохромистая подшипниковая сталь используется в высокопрочном состоянии после низкого отпуска. Получается выше твердость, меньше пластичность (потому она и хрупкая). При этом сталь должна остаться пригодной для обработки, — резки и штамповки. Если твердость будет чрезмерно высока, то, конечно, при холодной штамповке значительно повышается риск трещин, а резание станет затруднено или невозможно.
Как долговечность и качество подшипников зависят от металлургов
Лучшие мировые образцы отличаются от продукции низкокачественной в первую очередь именно металлом: качеством и составом сплава, наличием металлических и неметаллических включений, закалкой поверхности и т.д. Ошибки в технологии выплавки приводят и к ухудшению обрабатываемости, неоднородности свойств, ухудшению износостойкости.
Даже разные металлургические заводы, работающие по сходным технологиям, могут давать однотипные стали с «разбросом» например, в скорости резания в 20-30%. В промышленном поточном производстве такие цифры — гигантский повод для беспокойства токарей. Улучшение обрабатываемости — еще одна точка роста для исследований новых подшипниковых сталей.
Заключение
Подшипниковые стали – это высокоуглеродистые или высокохромистые сплавы, которые должны одновременно обладать исключительной твёрдостью, сопротивлением контактной усталости и размерной стабильностью. Сочетание подобных свойств нечасто встречается в продукции машиностроения, которую можно условно назвать «привычной» или «повседневной». Большинство обыденных металлоконструкций, механизмов и машин не нуждается в столь выдающейся твердости. Отчасти близки по духу инструментальные стали: они тоже исключительно твердые, но работают в других условиях и зачастую более вязкие. Но, как известно, из подшипниковой стали нередко куют ножи! Правда, скорее всего, при перековке вручную характеристики стали непредсказуемо меняются...
Хотя классическая ШХ15 используется более века, и конца-края этому не видно, разработки новых материалов, в том числе композитов, не прекращались ни на минуту с того самого момента, как заработал первый подшипниковый завод. Найдется ли ей когда-нибудь полноценная замена, опережающая по всем качествам, но с сопоставимой ценой, — вопрос пока открытый.
