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.
В ряде стран используется инструментальная быстрорежущая сталь с практически одинаковым химическим составом, но с разными названиями. Разработчик этой инструментальной стали фирма Latrobe Steel Co, США. Сталь с более широкими пределами химического состава запатентована этой фирмой (см. патент США 3945821, опубл. 23.03.1976).
Наиболее очищенной от вредных примесей в этом перечне является UNST11350 (мас.%):
углерод
0,77-0,85
кобальт
0,25 макс.
хром
3,75-4,25
марганец
0,35 макс.
молибден
4,0-4,5
кремний
0,25 макс.
ванадий
0,9-1,1
вольфрам
0,25 макс.
никель
0,15 макс.
фосфор
0,015 макс.
сера
0,015 макс.
медь
0,1 макс.
железо
остальное
Из уровня техники (патент США №4004952, опубл. 25.01.1977) известна также 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
4,0-6,0
никель
2,5-3,5
железо
остальное
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.
В России для изготовления теплостойких подшипников используется теплостойкая сталь (см. патент РФ №2185458, опубл. 20.07.2002) 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
1,4-1,7
церий
0,005-0,10
кальций
0,005-0,10
иттрий
0,005-0,10
железо
остальное
6
Легирование стали не оптимально вследствие присутствия повышенного количества вольфрама, способствующего увеличению количества карбида МС, который при замедленном охлаждении сильно коагулирует, и в результате образуются крупные карбиды, имеющие угловатую и 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.
Известна (см. А.Г. Спектор, Б.М. Зельбет, С.А. Киселева. «Структура и свойства подшипниковых сталей». - М.: Металлургия, 1980, с. 16) 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
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.
В России разработана теплостойкая сталь для подшипников (см. патент РФ 2447183 C1, опубл. 10.04.2012) следующего химического состава, мас.%:
углерод
0,8-1,1
марганец
0,1-0,4
кремний
0,3-0,5
хром
4,5-5,5
вольфрам
1,0-1,5
ванадий
0,5-1,0
молибден
3,0-3,5
никель
0,15-0,4
ниобий
0,1-0,3
тантал
0,05-0,15
Недостаток этой стали заключается в чрезмерно высоком содержании углерода и наличии в составе тантала, температура солидус которого 3000°C. Он является наиболее сильным карбидообразователем в составе стали. Его карбиды образуются в начале кристаллизации расплава и нерастворимы при нагревах перед пластической деформацией стали, что приводит к образованию трещин и существенно усложняет технологию ковки и прокатки.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание теплостойкой подшипниковой стали, работающей до 500°C. Сталь должна обладать высокой технологичностью в металлургическом производстве и производстве подшипников.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение технологичности при горячей пластической деформации, недопущение дефектов при ковке и прокатке, получение высокой однородности структуры с мелким зерном и значительно более мелкими карбидами.
Для достижения поставленного технического результата предлагается теплостойкая подшипниковая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, вольфрам, ванадий, железо, которая дополнительно содержит молибден, никель, ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,7-0,85
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
железо
остальное
Предпочтительно, содержание углерода составляет 0,72-0,79.
Снижение содержания углерода, при одновременном исключении из состава стали сильного карбидообразователя тантала, при заявленном содержании вольфрама позволило получить значительно меньшую карбидную неоднородность и более высокие значения усталостной прочности, статической прочности при изгибе, ударной вязкости. Существенно повысилась технологичность при горячей пластической деформации.
Таким образом, при заявленном содержании и соотношении компонентов повышают механические свойства теплостойкой стали.
Примеры осуществления
В лабораторных условиях провели опробование предлагаемой стали (примеры 1-3), выплавленной в вакуумно-индукционной печи. Химический состав и механические свойства предлагаемой стали и стали, известной из прототипа, приведены в таблицах 1 и 2.
Слитки предлагаемой стали подвергали горячей пластической деформации по технологии стали, известной из прототипа. В изготовленных прутках трещины отсутствовали. В прутках стали, известной из прототипа, образовались трещины длиной 100-150 мм от торца. Твердость после полного цикла термической обработки образцов оказалась одинаковой.
В микроструктуре стали, известной из прототипа, выявлена карбидная сетка. В предлагаемой стали распределение карбидов равномерное, карбидной сетки нет. Ударная вязкость предлагаемой стали существенно выше, чем у стали, известной из прототипа. Технологичность предлагаемой стали гораздо выше и позволяет исключить дефекты при ковке и прокатке слитков и прутков. Применение предлагаемой стали позволит обеспечить технологичность изготовления подшипников, повысить их надежность и долговечность в эксплуатации и удешевить стоимость подшипниковой стали.
Как видно из таблицы 2, предлагаемая сталь превосходит сталь, известную из прототипа, по ударной вязкости, уменьшается карбидная неоднородность, которая, в отличие от стали, известной из прототипа, составляет менее 1 балла, а также отсутствуют дефекты при ковке и прокатке слитков и прутков.