Шарикоподшипниковые стали

Основной причиной выхода из строя подшипников качения является контактная усталость металла, проявляющаяся в выкрашивании частиц и отслаивании тонких пластин с рабочих поверхностей деталей (явление шелушения). На контактных поверхностях возникают мелкие «язвы». Шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью, что достигается ее очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

Для изготовления подшипников широко используют шарикоподшипниковые (Ш) хромистые (Х) стали ШХ15 и ШХ15СГ (последующая цифра 15 указывает содержание хрома в десятых долях процента  1,5 %). Стали содержат по 1 % С. ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием (0,5 %) и марганцем (1,05 %) для повышения прокаливаемости.

Отжиг стали на твердость порядка 190 НВ обеспечивает обрабатываемость полуфабрикатов резанием и штампуемость деталей в холодном состоянии. Закалка в масле с температур 840…860 С и отпуск при 150…170 С обеспечивает твердость стали ШХ15 равную 61…65 НRC.

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95Х18, содержащая 0,95 % С и 18 % Cr.

6.3. Инструментальные стали

По характеру работы инструменты можно разделить на несколько групп: 1) измерительный; 2) режущий инструмент для легких условий работы (малые скорости резания); 3) режущий инструмент для тяжелых условий работы (большие скорости резания); 4) штампы.

Условия работы инструментов различных групп различаются существенно, поэтому и изготавливают их из различных сталей с нужными свойствами.

6.3.1. Стали для измерительных инструментов

Измерительные инструменты должны сохранять свою форму и размеры в течение продолжительного времени. Поэтому их следует изготавливать из сталей, имеющих высокую твердость и износостойкость. Стали должны сохранять постоянство формы и размеров в течение длительного срока службы. Кроме того, они должны хорошо обрабатываться для получения высокого класса шероховатости поверхности и иметь малую деформацию при термической обработке. Для измерительного инструмента применяют высокоуглеродистые стали У8…У12 и низколегированные стали марок Х, ХГС, ХВГ, 9ХГ, содержащие около 1 % Cu до 1,5 % Cr. Их твердость 60…64 HRC.

Для измерительных инструментов большого размера и сложной геометрии используют азотируемые стали типа 38Х2МЮА.

6.3.2. Стали для режущих инструментов

Независимо от условий работы первое требование к режущему инструменту  длительное сохранение высокой твердости режущей кромки. Поэтому состав стали и термическая обработка инструмента должны обеспечивать высокую твердость (не менее 60…62 HRC) при достаточной вязкости, исключающей возможность хрупкого разрушения при случайных ударных воздействиях.

В процессе резания между инструментом и обрабатываемым металлом возникает большое трение. Поэтому второе требование  высокая износостойкость, обеспечивающая сохранение режущей кромки в условиях трения.

В зависимости от скорости резания, сечения стружки и других факторов режущая кромка инструмента сильно нагревается. Третье требование к режущему инструменту  высокая красностойкость, т.е. способность сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве.

К инструментальным сталям относятся углеродистые стали, содержащие 0,7…1,2 % С и малолегированные, содержащие 1…1,5 % легирующих элементов.

Из сталей У7, 7ХФ изготавливают инструмент по дереву и ударный инструмент (пилы, зубила, долота, кузнечные штампы и т.д.), из сталей У8, 8ХФ  матрицы, пуансоны, керны, ножи. При увеличении содержания углерода увеличивается не только твердость стали, но и износостойкость. Из сталей У9, У10, В1 делают сверла, метчики, развертки, фрезы. Из стали У13, имеющей максимальную износоустойчивость в этой группе сталей, изготавливают напильники, металлорежущий и граверный инструмент. Особо следует выделить сталь ХВ5, называемую «алмазной». Эта сталь благодаря присутствию вольфрама имеет мелкодисперсную избыточную карбидную фазу, значительно повышающую ее твердость. После закалки в воде твердость достигает 69…70 HRC. Из этой стали делают инструмент, от которого требуется длительное сохранение острой режущей кромки.

Легированные инструментальные стали, содержащие до 5 % легирующих элементов закаливают в масле, что уменьшает возможность коробления и образования закалочных трещин.

Повышенное содержание марганца (ХВГ, 9ХВСГ) уменьшает деформацию инструмента при его закалке. Легирование хромом увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.

Из сталей этой группы изготавливают различные инструменты  от ударного до режущего. Стали 9ХС, ХВГ, ХВСГ используют для изготовления инструментов крупного сечения: сверл, разверток, протяжек диаметром 60…80 мм.

Красностойкость инструментов, как правило, не превышает 300 С, поэтому эти стали не используют для обработки с большими скоростями резания.

Быстрорежущие стали широко используют для изготовления режущего инструмента, обладающего большой твердостью и работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь относится к карбидному (ледебуритному) классу сталей. В их состав входят карбидообразующие элементы  хром, вольфрам, ванадий, кобальт, молибден.

Высокие режущие свойства инструментов, изготовленных из быстрорежущих сталей марок Р6, Р9, Р12, Р18 связаны с высокой теплостойкостью этих сталей до 600…620 С. Резцы из быстрорежущей стали позволяют увеличить скорость резания в 2…4 раза и стойкость инструментов в 10…30 раз по сравнению с теми же характеристиками инструментов из стали с низкой теплостойкостью. Твердость стали Р18 после закалки 62…63 HRC, а после отпуска она увеличивается до 63…65 HRC.

Основными легирующими элементами во всех марках являются вольфрам и хром. Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость. Кобальт повышает красностойкость, но ухудшает механические свойства. Наиболее распространенными марками быстрорежущих сталей являются Р18 и Р9.

Однако вольфрам является дефицитным элементом, поэтому часто заменяется менее дефицитным молибденом. В настоящее время около 80 % от общего производства быстрорежущих сталей приходится на сталь Р6М5. Стали с молибденом идут на изготовление сверл, фрез, метчиков и плашек, разверток и зенкеров.