Стали для изготовления подшипников качения специального назначения (обзор)

Введение

Подшипники качения, используемые в различных отраслях промышленности, являются ответственными деталями, которые испытывают различного рода напряженное состояние при эксплуатации в условиях циклических нагрузок. Качество деталей подшипников качения определяется их конструкцией, технологией изготовления и свойствами используемого материала. Требования, которые предъявляются в авиационной и космической промышленности к качеству материалов для специальных подшипников качения, значительно превосходят требования, предъявляемые к материалам, применяемым в других областях машиностроения.

Основной эксплуатационной характеристикой, определяющей долговечность авиационных подшипников, является контактная выносливость – способность материала сопротивляться контактной усталости при эксплуатации в условиях циклических нагрузок. Данная характеристика является структурно-чувствительной и во многом зависит от степени рафинированности (в особенности это касается силикатов и оксидов), карбидной неоднородности и окончательно сформированной микроструктуры стали.

Особые требования по структуре и неметаллическим включениям подшипниковых сталей вызвали необходимость применения в производстве вакуумно-индукционной выплавки с последующим вакуумно-дуговым переплавом (метод VIM VAR – Vacuum Induction Melting and Vacuum Arc Remelting), позволяющей значительно снизить загрязненность подшипниковых сталей.

Особое внимание в процессе производства деталей подшипников уделяется технологии термической обработки, поскольку получаемая микроструктура определяет качество готового изделия. Закалка с оптимальной температуры с достаточным временем выдержки, обеспечивающая заданные механические свойства, предусматривает формирование в подшипниковой стали структуры мартенсита со степенью дисперсности от скрытоигольчатого мартенсита до среднеигольчатого с мелкими избыточными фазами. Размеры и класс точности изготавливаемого подшипника качения во многом влияют на регламентированное количество аустенитной фазы, так как в процессе эксплуатации от этого зависит стабильность размеров опоры качения специального подшипника. Поэтому для реализации механизма распада с целью минимизации содержания аустенитной фазы в микроструктуре стали особенно важно контролировать тепловые режимы нагрева и колебания температурного поля при упрочняющей термической обработке.

Согласно данным научно-технической литературы [1–4], подшипниковые стали классифицируют в зависимости от условий эксплуатации:

– работающие в условиях невысоких температур (до 300 °С) и неагрессивных сред. К таким сталям обычно относят низко- и среднелегированные конструкционные стали;

– работающие в условиях агрессивных коррозионных сред и экстремальных температурных нагрузок (кратковременно при 500 °С). К таким сталям относят высоколегированные коррозионно- и теплостойкие подшипниковые стали.

Совершенствование двигателей, а также изделий гражданского и военного назначения нового поколения диктует необходимость постоянного улучшения конструкций подшипников, повышения их грузоподъемности, долговечности и надежности при работе в условиях многоциклового контактно-усталостного нагружения. В настоящее время при изготовлении деталей авиационных подшипников наряду с традиционно применяемыми сталями стали широко использоваться керамические материалы (в конструкциях гибридных подшипников). Исследование фрикционного взаимодействия разнородных материалов в условиях контактно-усталостного нагружения позволяет разрабатывать новые материалы и конструкции с такими свойствами, которые отвечают требованиям, необходимым при изготовлении агрегатов различного назначения и двигателей нового поколения.

Разработка новых конкурентоспособных отечественных сталей, используемых для изготовления подшипников различного назначения, является одной из приоритетных задач современного материаловедения. В настоящее время при реализации задач по импортозамещению в рамках «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ осуществляются исследования по разработке новых составов подшипниковых сталей [5–12].

Теплостойкие подшипниковые стали

Подшипники качения, которые эксплуатируются в температурном интервале 200–300 °С при условии постоянного присутствия смазочного материала в зоне контакта, должны обладать высокой теплостойкостью при работе в режиме «смазочного голодания». Внешние факторы, способствующие выдавливанию смазочного материала из зоны контакта, приводят к формированию экстремальных условий эксплуатации и повышению рабочей температуры до 500 °С. Для стабилизации структуры и свойств при данной температуре применяют комплексно-легированные теплостойкие стали, подвергаемые дисперсионному твердению. Температура, используемая при заключительной обработке данных сталей, как правило, составляет >500 °С, что обеспечивает высокую теплостойкость.

Анализ номенклатуры основных теплостойких сталей, применяемых для изготовления подшипников газотурбинных двигателей, показал, что в отечественной авиационной промышленности наиболее часто используется инструментальная сталь мартенситного класса марки ЭИ347 (8Х4В9Ф2), за рубежом – сталь марки М50. Химический состав стали М50 практически без изменения взят за основу для разработки теплостойких подшипниковых сталей и в других странах. Например, во Франции это сталь 80DCV40 [13], в Германии – сталь 80МоCrV4216 [14].

Многолетний опыт исследования подшипников показывает, что сталь марки М50 зарекомендовала себя как материал с более высокой долговечностью по сравнению со сталью ЭИ347. Для производства конкурентоспособных теплостойких отечественных подшипников в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ создана новая теплостойкая подшипниковая сталь марки ВКС241 [15]. Составы указанных теплостойких подшипниковых сталей представлены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав теплостойких подшипниковых сталей [1, 16, 17]

Высокие значения теплостойкости представленных сталей (сохранение твердости ≥60 HRC после нагревов до 500 °С) обеспечиваются благодаря включению в состав стали тугоплавких легирующих элементов, таких как W и Mo. Например, в стали М50 основным тугоплавким элементом является молибден, в стали ЭИ347 – вольфрам, а в стали ВКС241 присутствуют оба элемента. Благодаря высокому содержанию вольфрама (9 % (по массе)) сталь ЭИ347, в отличие от сталей М50 и ВКС241, обладает красностойкостью (выдержка при температуре 620 °С в течение 4 ч снижает твердость на 1–2 ед.).

Однако наличие такого количества W в стали ЭИ347 способствует образованию в микроструктуре большой карбидной неоднородности. Вольфрам образует крупные скопления нерастворимых карбидов типа М₆С, которые сильно коагулируют при замедленном охлаждении и имеют существенную склонность к образованию угловатой формы, что снижает контактную выносливость и приводит к выкрашиванию рабочей поверхности подшипников в зоне контакта в процессе эксплуатации [2]. Кроме того, крупные сегрегации нерастворимых карбидов при производстве полуфабрикатов из стали ЭИ347 значительно усложняют процесс ковки. Сталь ВКС241 благодаря частичной замене вольфрама молибденом более пластична и технологична по сравнению со сталью ЭИ347, однако, аналогично стали М50, не обладает красностойкостью.

Схема упрочнения указанных сталей включает закалку с температур, обеспечивающих наиболее полное растворение избыточных фаз, и последующий многократный отпуск для снижения доли остаточного аустенита в структуре стали и выделения специальных карбидов. С целью исключения обезуглероживания и роста зерна закалку высокоуглеродистых подшипниковых сталей традиционно проводят в солевых ваннах [3]. Наиболее полного предохранения подшипниковых сталей от окисления и обезуглероживания достигают при вакуумном нагреве. Вакуумная термическая обработка является современной альтернативой классической технологии термической обработки подшипниковых сталей в солевых ваннах. Внедрение данной технологии в производство авиационных подшипников – одна из актуальных задач в авиационной промышленности.

Цементуемые теплостойкие подшипниковые стали

Для крупногабаритных подшипников, работающих в условиях динамических и ударных нагрузок при повышенных температурах, а также в случае применения посадок с большим натягом используются теплостойкие цементуемые стали, имеющие вязкую сердцевину и высокую твердость поверхности. Более того, применение низкоуглеродистых цементуемых сталей дает возможность использовать сварку для сложных деталей, которые могут содержать и подшипники, и шестерни, и детали крепежа, и т. п. [4].

Цементация подшипниковых сталей позволяет повысить износостойкость, предел выносливости, контактно-усталостную долговечность благодаря сжимающим напряжениям на поверхности изделий после термообработки, а также наличию в цементованном слое карбидной фазы, полученной при диффузионном насыщении, и спецкарбидов, образующихся при дисперсионном твердении.

За рубежом для крупногабаритных подшипников широко применяется цементуемая теплостойкая сталь М50NiL (США) с твердостью поверхности ≥60 HRC, твердостью сердцевины ≤45 HRC, которая работоспособна при температуре до 500 °С [2, 18]. За основу при создании стали М50NiL взят химический состав стали М50. Снижение углерода (аустенитообразователя) в составе стали М50NiL компенсировали соответствующим количеством никеля. Отечественная авиационная промышленность испытывает потребность в разработке цементуемых подшипниковых сталей, аналогичных зарубежному аналогу – стали М50NiL.

Химический состав [1, 16] теплостойкой цементуемой стали М50NiL, % (по массе):

Коррозионностойкие подшипниковые стали

Для изготовления подшипников, работающих в агрессивных средах, используют высокохромистые стали, которые сочетают высокую твердость с необходимым уровнем коррозионной стойкости. Химический состав наиболее применяемых коррозионностойких сталей для подшипников представлен в табл. 2 [1, 19].

Таблица 2

Химический состав коррозионностойких подшипниковых сталей

В настоящее время в России коррозионностойкие подшипники изготавливают из сталей 95Х18 и 110Х18М. Сталь 95Х18 после закалки и низкого отпуска обладает твердостью 58–60 HRC и удовлетворительной коррозионной стойкостью, однако при повышении температуры до 500 °С происходит существенное снижение твердости и коррозионной стойкости из-за дестабилизации сформированной структуры. На основе стали 95Х18 разработана сталь 110Х18М, обладающая большей теплостойкостью (при температуре до 400 °С) и высокой коррозионной стойкостью благодаря добавке молибдена [1].

За рубежом коррозионностойкие подшипники изготавливают из сталей 440B и 440С (440С Мodified), являющихся аналогами отечественных сталей 95Х18 и 110Х18М соответственно. Для более высоких температур (до 500 °С) используют коррозионностойкую низкоуглеродистую сталь СSS-42L, упрочняемую цементацией или азотированием, и менее легированную коррозионностойкую сталь Pyrowear 675. Вследствие низкого содержания углерода и высокого содержания кобальта, интенсифицирующего процессы диффузии и дисперсионного твердения, при температуре 500 °С в этих сталях происходит активное поверхностное упрочнение, формирующее высокую теплостойкость.

Основным направлением развития материалов нового поколения для коррозионностойких подшипников является разработка коррозионностойких подшипниковых сталей со сверхравновесным содержанием азота, превышающим предельную растворимость в нормальных условиях. Азот, аналогично углероду, упрочняет сталь, однако не вызывает при этом сильного охрупчивания. Кроме того, азот сдерживает образование δ-феррита, характерного для высокохромистых коррозионностойких сталей, который снижает пластичность. Введение азота в металл в количествах, превышающих его предельную растворимость, возможно при выплавке с избыточным давлением в рабочем пространстве печи. Наиболее широко применяемыми методами получения сталей со сверхравновесным содержанием азота являются электрошлаковый переплав под давлением, плазменно-дуговой переплав и выплавка стали в вакуумной индукционной печи под давлением методом большой сталеплавильной ванны [20–27].

Коррозионностойкие стали мартенситного класса со сверхравновесным содержанием азота применяют в основном для изготовления высокоточных приборных подшипников. Ввиду того, что в структуре формируются мелкодисперсные упрочняющие карбонитриды легирующих элементов хрома и ванадия, сталь обладает высокими показателями твердости (>58 HRC); при взаимодействии тела и опоры качения не происходит возрастания уровня шума и вибраций благодаря отсутствию в структуре стали крупных избыточных фаз.

За рубежом в авиакосмической отрасли применяют подшипники из высокоазотистых сталей марок Cronidur 30 (компания Energietechnik Essen GmbH, Германия), XD15NW (компания Aubert & Duval, Франция), N360 (компания Böhler International GmbH, Австрия), сочетающие высокие показатели механических и трибологических свойств с твердостью не менее 58 HRC и высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах [28–33].

В рамках реализации работ по импортозамещению в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработана новая сталь марки ВНС-78 со сверхравновесным содержанием азота [30]. Технология изготовления стали включает использование печи электрошлакового переплава под давлением – уникального оборудования, не имеющего аналогов в стране. Сверхравновесное содержание азота в стали марки ВНС-78 обеспечивает высокие прочностные характеристики, твердость ≥58 HRC, мелкозернистую структуру с равномерным распределением карбонитридов размером до 3 мкм в отличие от традиционно применяемых подшипниковых сталей типа 95Х18 с размером карбидов 20–25 мкм.

Химический состав коррозионностойких подшипниковых сталей со сверхравновесным содержанием азота представлен в табл. 3 [28–34].

Таблица 3

Химический состав коррозионностойких подшипниковых сталей

со сверхравновесным содержанием азота [28–34]

Гибридные подшипники с разнородными материалами тел и опор качения

Важным шагом в производстве подшипников качения является применение конструкционных керамик. Основные свойства керамического материала – высокие прочность, твердость, коррозионная стойкость и низкая плотность, что позволяет подшипникам работать при более высоких скоростях вращения и температурах при сниженной массе. В то же время ресурс может быть повышен благодаря тепловыделению, а также снижению напряжения материалов и износа подшипников. Даже относительно небольшое уменьшение массы тел качения и вращающейся обоймы при высоких угловых скоростях существенно снижает уровень центробежных нагрузок (вибрации), что в свою очередь позволяет снижать уровни преднатяга (сборочные допуски) и в результате получить значительное преимущество по массогабаритным характеристикам узла без снижения его надежности [35].

Широкое применение при изготовлении прецизионных подшипников получили керамические материалы на основе нитрида кремния (Si₃N₄). В меньшей степени используются оксидные керамики (ZrO₂, Al₂O₃,).

Нитрид кремния, применяемый для изготовления тел качения, обладает высокими усталостными свойствами, трещиностойкостью и низкой плотностью [36]. Кроме того, в работе [31] установлено, что при сухом трении величина износа тел качения из нитрида кремния меньше, чем у прочих материалов – подшипниковой стали, карбида кремния и оксида алюминия.

Подшипники, тела качения и кольца которых изготовлены из керамики, имеют крайне малое сопротивление качения, низкую плотность, повышенные коррозионную стойкость и твердость, высокие рабочие температуры и низкий абразивный износ.

В авиакосмической отрасли в специфических условиях эксплуатации, связанных с повышенными либо, наоборот, криогенными температурами, химически агрессивными средами, воздействием вакуума и излучений, высокими удельными нагрузками и скоростями (в подшипниках ГТД, турбонасосах криогенных ракетных топлив и т.д.), особые свойства конструкционных керамик могут быть реализованы наиболее полно.

Тем не менее при всех положительных свойствах керамических материалов основной проблемой их использования остаются недостаточная ударная вязкость и катастрофический характер распространения трещин в материале. Поэтому, вероятно, в обозримом будущем полностью керамические подшипники будут находить узкое и потому ограниченное применение в авиакосмической промышленности.

Компромиссным решением являются гибридные подшипники, кольца которых изготавливают из высококачественной легированной стали, а элементы качения – из керамики. В условиях недостаточной смазки или ее отсутствия при невысоких скоростях вращения, а также в условиях достаточной смазки при высоких скоростях вращения гибридные подшипники демонстрируют практически те же свойства, что и керамические. Этот тип подшипников имеет резерв для дальнейшего совершенствования как конструкции (ее оптимизации), так и материалов – сталей и керамик.

Заключения

В настоящее время для изготовления подшипников специального назначения в зависимости от условий эксплуатации наиболее часто используют тепло-, коррозионностойкие и цементуемые стали, а также керамические материалы. С целью обеспечения высокой износостойкости и контактной выносливости для крупногабаритных подшипников авиационного назначения за рубежом применяют теплостойкие стали марок М50 и M50NiL. В рамках реализации программы по импортозамещению в России разработан аналог стали М50 – комплексно-легированная высокоуглеродистая сталь марки ВКС241.

Для эксплуатации в условиях агрессивных коррозионных сред в России используют коррозионностойкие стали марок 95Х18 и 110Х18М, за рубежом – стали марок 440B и 440С (440С Modified). Несмотря на высокую концентрацию углерода в их составе, содержание хрома в количестве 18 % (по массе) обеспечивает достаточную коррозионную стойкость при высоком уровне механических характеристик.

Актуальным направлением в разработке подшипниковых сталей является использование азота в качестве легирующего элемента, однако его введение в твердый раствор связано с рядом трудностей и требует специального оборудования. Тем не менее в современном машиностроении широкое применение нашли подшипниковые стали со сверхравновесным содержанием азота (Cronidur 30, XD15NW и N360) благодаря формированию в их структуре мелкодисперсных избыточных фаз, что снижает уровень шума и вибраций при эксплуатации подшипника качения. В России разработан аналог стали со сверхравновесным содержанием азота – сталь марки ВНС-78.

Современное развитие машиностроительной промышленности требует модернизации разработанных технологий и изделий. Одним из перспективных направлений при изготовлении подшипников является применение разнородных материалов для опор и тел качения. Гибридные подшипники, включающие стальную опору и керамические тела качения, могут работать при более высоких скоростях благодаря сниженной плотности тел качения и в условиях отсутствия смазочного материала в зоне контакта из-за высокой стойкости тела качения к износу.