Материалы подшипников

Подшипники качения применяют в разнообразных условиях: при отрицательных и положительных температурах; в нейтральных и агрессивных средах (морская вода, кислоты). В связи с этим детали подшипников изготавливают из различных материалов. Ниже приведены сведения только о наиболее распространенных

Подавляющее большинство колец и тел качения подшипников, предназначенных для работы в неагрессивных средах при температуре менее +120°С (иногда более высоких), изготавливают из высокоуглеродных хромистых сталей, химический состав которых приведен в табл.1. Наиболее распространенной из них является сталь ШХ15. Из этой стали изготавливают шарики всех размеров, кольца толщиной менее 10 мм и ролики диаметром до 22 мм. Ее аналогами являются: 100Cr6 - в Германии, 3 - в Швеции, 52100 - в США, SUJ2 - в Японии. Для колец подшипников толщиной менее 30 мм и роликов диаметром более 22 мм применяют сталь ШХ15СГ. По сравнению со сталью ШХ15 она (для повышения прокаливаемости) содержит несколько больше кремния и марганца. Для колец толщиной более 30 мм применяют сталь ШХ20СГ, которая содержит еще большее количество этих элементов, а для колец железнодорожных подшипников, подвергающихся индукционной закалке, - сталь ШХ4.

В процессе выплавки в сталь со шлаками и из футеровки попадают неметаллические включения. Вблизи крупных включений, особенно глобулярных оксидов, а также нитридов, в процессе работы подшипников зарождаются усталостные микротрещины, которые, сливаясь, проводят к выкрашиванию частиц металла. При различной степени металлургической загрязненности стали в допустимых стандартом пределах средняя долговечность партии подшипников может колебаться ориентировочно до 5 раз.

Для подшипников к которым предъявляются повышенные требования по долговечности и надежности, применяют стали подвергнутые специальным переплавам, уменьшающим содержание неметаллических включений (ШХ15-Ш), а также двойной переплав: электрошлаковый и вакуумно-дуговой (ШХ15-ШД).
Табл.1. Химический состав хромистых подшипниковых сталей типа ШХ (ГОСТ 801), %

Марка	C	Si	Mn	Cr	S	P	Ni	Cu	Ni+Cu
Марка	C	Si	Mn	Cr	Не более
ШХ15	0,95÷1,05	0,17÷0,37	0,20÷0,40	1,30÷1,65	0,02	0,027	0,30	0,25	0,50
ШХ15СГ	0,95÷1,05	0,40÷0,65	0,90÷1,20	1,30÷1,65	0,02	0,027	0,30	0,25	0,50
ШХ20СГ	0,90÷1,00	0,55÷0,85	1,40÷1,70	1,40÷1,70	0,02	0,027	0,30	0,25	0,50
ШХ4	0,95÷1,05	0,15÷0,30	0,15÷0,30	0,35÷0,50	0,02	0,027	0,30	0,25	0,50

Кроме сталей типа ШХ для колец и тел качения используют также цементуемые стали, которые после химико-термической обработки имеют твердый поверхностный слой (59 ... 66 HRC_э) и более мягкую сердцевину (около 36 HRC_э). Кольца роликовых подшипников - из стали 20Х2Н4А, а штампованные кольца роликовых игольчатых подшипников из сталей 15Г1, 15Х, 08, 10. Химический состав некоторых из перечисленных цементуемых сталей приведен в табл.2. Твердость поверхности деталей подшипников из наиболее часто применяемых сталей приведена в табл.3.
Табл.2. Химический состав сталей для деталей подшипников, подвергающихся химико-термической обработке, %

Марка	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo
15Г1	0.12÷0.19	0.17÷0.37	0.70÷1.00	-	-	-
18ХГТ	0.15÷1.21	0.17÷0.37	0.90÷1.20	0.90÷1.20	-	-
20Х2Н4А	0.16÷1.22	0.17÷0.37	0.30÷0.60	1.25÷1.65	3.25÷3.65	-

Табл.3. Твердость колец и роликов HRC_э, из сталей наиболее часто применяемых марок (ГОСТ 520), работающих при температуре до 100°С

Марка	Кольца с толщиной стенки до 35 мм и ролики диаметром до 55 мм.	Кольца с толщиной свыше 35 мм и ролики диаметром свыше 55 мм.
ШХ4	61 ÷ 64
ШХ15, ШХ15-Ш, ШХ15-В	62 ÷ 66	59 ÷ 63
ШХ15СГ, ШХ15СГ-В, ШХ15СГ-Ш, ШХ20СГ	61 ÷ 65	59 ÷ 63
15Г1	58 ÷ 62
18ХГТ	62 ÷ 66	59 ÷ 63
20Х2Н4А	59 ÷ 66

Кольца подшипников, предназначенных для поворотных опор кранов, экскаваторов и некоторых других механизмов, получают обычно из низколегированных сталей с содержанием углерода 0,45 - 0,55%, например из стали 55ХФА. Рабочую поверхность закаливают после нагрева ТВЧ (иногда пламенной горелкой). Детали подшипников, предназначенных для работы в агрессивных средах, изготавливают из коррозийно-стойких сталей (табл.4.) В России кольца и тела качения средних и крупных размеров производят из стали 95Х18-Ш, приборные подшипники - из стали 11ОХ18М-ШД. Твердость колец и тел качения из коррозийнно-стойких сталей обычно близка к 55 ÷ 61 HRC_э. Подшипники из этих сталей могут использоваться при температурах до 350°С. Для колец и тел качения теплопрочных подшипников используется сталь 8Х4В9Ф2-Ш или 8Х4М4В2Ф1-Ш, которая содержит меньшее количество дефицитного вольфрама, но обладает лучшими механическими свойствами, чем сталь 8Х4В9Ф2-Ш и более технологична в термообработке. Подшипники из сталей могут использоваться при температуре до 500°С. Химический состав некоторых теплопрочных подшипниковых сталей дан в табл.5. Твердость колец и тел качения теплопрочных подшипников обычно составляет 60 ÷ 65 HRC_э.
Табл.4. Химический состав коррозийно-стойких подшипниковых сталей, %

Страна	Марка	C	Cr	Mo	V	Si	Mn	Ni
Россия	95Х18-Ш	0,90÷1,00	17,0÷19,0	-	-	Менее 0,80	Менее 0,70	-
Россия	110Х18М-ШД	1,10÷1,20	16,5÷18,0	0,50÷0,80	-	0,53÷0,93	0,50÷1,00	-
США	440С	0,95÷1,20	16,0÷18,0	Менее 0,75	-	Менее 1,00	Менее 1,00	-
США	440СМ	0,95÷1,20	13,0÷14,5	3,80÷4,50	-	-	-	-
Германия	Х45Cr 13	0,42÷0,50	12,5÷14,5	-	-	-	Не более 1,0	-
	X102CrMo 17	0,95÷1,10	16,0÷18,0	0,35÷0,75	-	Не более 1,00	Не более 1,00	Не более 0,50
	X90CrMoV 18	0,85÷0,95	17,0÷19,0	0,90÷1,30	0,07 ..0,12	-	-	-

Табл.5. Химический состав теплопрочных подшипниковых сталей, %

Страна	Марка	C	Cr	Mo	W	V
Россия	8Х4В9Ф2-Ш	0,70÷0,80	4,00÷4,60	Менее 0,30	8,5÷9,5	1,40÷1,70
Россия	8Х4М4В2Ф1-Ш	0,75÷0,85	3,90÷4,40	3,90÷4,40	1,5÷2,0	0,90÷1,20
США	М50	0,77÷0,85	3,75÷4,25	4,00÷4,50	-	0,90÷1,10
Германия	80MoCrV 42 16	0.77÷0.85	3.75÷4.25	4.00÷4.50	-	0.90÷1.10
	82WMoCrV 6 5 4	0.78÷0.86	3.80÷4.50	4.70÷5.20	6.0÷6.7	1.70÷2.00
	X75 WCrV 18 4 1	0.70÷0.78	3.80÷4.50	Менее 0,60	17,5÷18,5	1,00÷1,20

Все большее распространение получают подшипники с шариками из нитрида кремния Si₃N₄. Этот материал обладает значительно более высокой, чем применяемые стали, теплопрочностью и контактной долговечностью. Плотность нитрида кремния составляет около 3,2/см³ (закаленной стали ШХ15 7,8 г/см³. Благодаря этому при высокой частоте вращения развиваются меньшие центробежные силы. Коэффициенттрения пары нитрид кремния-сталь меньше, чем пары сталь- сталь. Поэтому тепловыделение при работе таких подшипников меньше, чем стальных. Подшипники с шариками из нитрида кремния находят применение в высокоскоростных узлах.

Штампованные сепараторы подшипников общего применения изготовляют главным образом из низкоуглеродистых сталей 08кп, 08пс, 10кп, 10пс, реже из латуней ЛС 63 и ЛС 59-1, а коррозийно-стойких и теплопрочных подшипников - из сталей 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т. Массивные сепараторы получают из труб, прутков и штампованных заготовок. Наиболее употребимыми материалами являются: латуни ЛС 59-1, ЛС 59-1Л, сталь 30, бронзы БрАЖМц 10-3-1-5 и БрАЖН 10-4-4, алюминиевые сплавы Д 1, Д 6, АК 4, текстолит. Значительное количество высокотехнологичных с хорошими звукопоглощающими свойствами сепараторов получают литьем из термопластов. Заклепки и распорки сепараторов. изготавливают главным образом из сталей 15 и 20.

К подшипниковым материалам для колец и тел качения предъявляют жесткие требования по металлургической загрязненности, наличию дефектов, структурной неоднородности и др. Детали машин, несущие одновременно функции наружного или внутреннего колец подшипников, рекомендуется изготавливать из подшипниковых сталей.