ТЕПЛОСТОЙКАЯ ПОДШИПНИКОВАЯ СТАЛЬ
HEAT-RESISTANT BEARING STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию теплостойких сталей для подшипников, работающих при температуре до 500°C и используемых, например, для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и редукторов вертолетов.
Известна теплостойкая подшипниковая сталь марки 8Х4М4В2Ф1Ш следующего химического состава, мас.%:
углерод
0,75-0,85
марганец
≤0,40
кремний
≤0,40
хром
3,9-4,4
вольфрам
1,5-2,0
ванадий
0,9-1,2
молибден
3,9-4,4
никель
не более 0,35
железо
остальное
А.Г.Спектор, Б.М.Зельбет, С.А.Киселева. Структура и свойства подшипниковых сталей. М.: Металлургия, 1980, с.16.
Недостатком известной стали является повышенное обезуглероживание при температурах горячей деформации, отжига и закалки и повышенная чувствительность к окислению, а также нестабильность значений по ударной вязкости.
Известна также теплостойкая подшипниковая сталь марки М50 следующего химического состава, мас.%:
углерод
0,77-0,85
марганец
≤0,35
кремний
≤0,25
хром
3,75-4,25
ванадий
0,9-1,10
молибден
4,0-4,50
железо
остальное
А.Г.Спектор, Б.М.Зельбет, С.А.Киселева. Структура и свойства подшипниковых сталей. М.: Металлургия, 1980, с.16.
Недостатком стали является низкая теплостойкость при длительных нагревах до 500°C. Сталь склонна к росту зерна, обладает недостаточной ударной вязкостью и чувствительна к обезуглероживанию и окислению.
Известна низкоуглеродистая цементуемая сталь для крупногабаритных подшипников следующего химического состава, мас.%:
углерод
0,1-0,3
марганец
0,2-1,0
кремний
0,2-0,6
хром
не более 1,2
ванадий
0,25-0,85
молибден
4-6
никель
2,5-3,5
железо
остальное (Патент США №4004952)
Увеличение содержания молибдена в известной стали до 6% способствует формированию насыщенной карбидной зоны на поверхности, препятствующей диффузии углерода вглубь слоя и понижающей ее статическую прочность при изгибе и усталостную прочность.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является теплостойкая подшипниковая сталь следующего химического состава, мас.%:
углерод
0,7-0,8
марганец
0,05-0,4
кремний
0,05-0,4
хром
4,0-4,6
вольфрам
8,5-9,5
ванадий
1,40-1,70
церий
0,005-0,10
кальций
0,005-0,10
иттрий
0,005-0,10
железо
остальное (Патент РФ №2185458)
6
Микролегирование стали неоптимально вследствие присутствия повышенного количества вольфрама, способствующего увеличению количества карбида MC, который при замедленном охлаждении сильно коагулирует, и в результате образуются крупные карбиды, имеющие угловатую или квадратную форму. Такие карбиды, в отличие от обычных более мелких и округлых, меньше задерживают рост зерна при нагреве под закалку, и закаленная сталь оказывается более крупнозернистой, что ведет к снижению статической прочности при изгибе, усталостной прочности, ударной вязкости и повышению уровня карбидной неоднородности по ГОСТ 19265. Карбидная неоднородность способствует выкрашиванию рабочей поверхности подшипников.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание теплостойкой подшипниковой стали, работающей до 500°C, обладающей повышенными характеристиками усталостной прочности, статической прочности при изгибе, высокой однородностью структуры с мелким зерном и значительно более мелкими карбидами, обеспечивающими высокие значения ударной вязкости.
Для решения поставленной задачи предлагается теплостойкая подшипниковая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, вольфрам, ванадий, железо, которая дополнительно содержит молибден, никель, ниобий и тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,8-1,1
марганец
0,1-0,4
кремний
0,3-0,5
хром
4,5-5,5
вольфрам
1-1,5
ванадий
0,5-1,0
молибден
3-3,5
никель
0,15-0,4
ниобий
0,1-0,3
тантал
0,05-0,15
железо
остальное
Легирование стали молибденом при заявленном содержании вольфрама позволило получить значительно меньшую карбидную неоднородность и более высокие значения усталостной прочности, статической прочности при изгибе, ударной вязкости. Дополнительное легирование стали никелем позволило повысить вязкость α-матрицы, что также способствовало повышению ударной вязкости.
Введение ниобия и тантала позволило получить очень устойчивые карбиды (NbC, Tac), которые практически не растворимы в аустените, задерживающие рост зерна при нагреве под закалку. Измельчение зерна способствует повышению ударной вязкости и упрочнению.
Таким образом, снижение количества вольфрама, легирование молибденом, никелем, а также микролегирование ниобием и танталом при заявленном содержании и соотношении компонентов повышают механические свойства теплостойкой подшипниковой стали.
Примеры осуществления
В опытных лабораторных условиях проводили опробование предлагаемой стали (примеры 1-3), выплавленной в вакуумно-индукционной печи с применением электрошлакового переплава. Химический состав и механические свойства предлагаемой стали и стали-прототипа (пример 4) приведены в таблицах 1, 2.
Слитки предлагаемой стали подвергали горячей пластической деформации (ковке) с получением прутков различного сечения. После отжига из прутков изготавливали образцы для определения механических свойств. На образцах после закалки и отпусков дисперсионного твердения обеспечивалась твердость 60-65 HRC. Сталь-прототип после термической обработки обладала твердостью 59-63 HRC.
Как видно из таблицы 2, предлагаемая сталь превосходит сталь-прототип по статической прочности при изгибе ~ на 15%, ударной вязкости ~ в 2,5-3 раза, усталостной прочности ~ на 15%.
Карбидная неоднородность предлагаемой стали составляет 1 балл вместо 4 согласно прототипу, а размер карбидов 10 мкм вместо 20 мкм.
Предлагаемая сталь технологична в производстве. Возможность изготовления подшипников путем прокатки из трубной заготовки вместо ковки снижает трудоемкость на 25-30%.
Применение теплостойкой подшипниковой стали позволит повысить надежность и ресурс работы ГТД.
Таблица №1
№ стали
Содержание элементов, (мас.%)
C
Mn
Si
Cr
W
V
Мо
Ni
Nb
Ta
Ce
Са
Y
Fe
1
0,8
од
0,3
4,5
1,0
0,5
3,0
0,15
0,1
0,05
-
-
-
остальное
2
0,9
0,3
0,4
5,0
1,3
0,8
3,2
0,3
0,2
0,10
-
-
-
-//-
3
1,1
0,4
0,5
5,5
1,5
1,0
3,5
0,4
0,3
0,15
-
-
-
-//-
прототип
0,7
0,2
0,2
4,3
9,0
1,5
-
-
-
-
0,1
0,1
0,1
-//-
Таблица №2
№ п/п
Механические свойства
Балл карбидной неоднородности
Размер карбидов, мкм
Величина зерна, балл
Статическая прочность при изгибе σ<sub>в</sub> <sup>изг</sup>, МПа
Ударная вязкость КС, Дж/см<sup>2</sup>
Усталостная прочность σ<sub>-1</sub> на базе 2×10<sup>7</sup> циклов, МПа
прототип
2100
2
700
4
20
5
1
2400
5
800
1
10
9
2
2500
5
820
1
10
10
3
2600
6
850
1
10
10