ПОДШИПНИКОВАЯ СТАЛЬ
BEARING STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокоуглеродистым сталям, используемым для изготовления деталей подшипников, работающих в условиях воздействия высоких контактных нагрузок.
Подшипниковая сталь для изготовления деталей подшипников, работающих в условиях воздействия высоких контактных нагрузок, должна обладать высокой прочностью и износостойкостью, а также обладать удовлетворительной поперечной пластичностью.
Известна сталь для производства деталей подшипников, содержащая, мас.%:
углерод 0,85-1,05, хром 17,0-19,0, кремний 0,1-1,0, марганец 0,1-1,0, церий 0,005-0,1, кальций 0,005-0,1, иттрий 0,005-0,1, железо - остальное [1].
Данная сталь обладает удовлетворительной прочностью и износостойкостью, но при этом характеризуется наличием значительного количества избыточных карбидов, образующих, так называемую, карбидную неоднородность. Это снижает поперечную пластичность стали, вследствие чего она становится склонной к повышенному трещинообразованию. Также данная сталь характеризуется высокой себестоимостью ее производства, из-за содержания в ней церия и иттрия, а также высокого содержания хрома.
Наиболее близкой по своему химическому составу и свойствам к предлагаемой стали является сталь [2], принятая в качестве прототипа и содержащая, мас.%: углерод 0,60-1,50; кремний 0,05-1,20; марганец 0,20-1,50; хром 0,50-2,50; никель не более 0,20; медь не более 0,20; сера не более 0,02; фосфор не более 0,03; молибден не более 0,10; алюминий 0,01-0,03; железо и неизбежные примеси - остальное.
Данная сталь обладает удовлетворительной прочностью и износостойкостью, но при этом, так же как и аналог [1], характеризуется наличием значительного количества избыточных карбидов, что снижает поперечную пластичность стали.
Технический результат изобретения - повышение механических свойств стали, в частности поперечной пластичности, за счет уменьшения уровня карбидной неоднородности стали.
Для достижения технического результата сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор, молибден, дополнительно содержит ниобий и ванадий при следующем соотношении элементов, мас.%: углерод 0,6-0,95; кремний 0,35-0,7; марганец 0,9-1,5; хром 0,5-1,1; никель не более 0,25; медь не более 0,25; сера не более 0,020; фосфор не более 0,025; молибден 0,001-0,05; ниобий 0,001-0,15; ванадий 0,001-0,25; железо и неизбежные примеси остальное, в том числе кислород не более 0,002.
Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочность и износостойкость. Снижение содержания углерода менее 0,6% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,95% приводит к возрастанию уровня карбидной неоднородности, что ухудшает механические свойства стали.
Кремний упрочняет сталь. При содержании кремния менее 0,35% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,7% приводит к повышению склонности стали к трещинообразованию.
Марганец и хром увеличивают прочность и износостойкость стали. При содержании марганца менее 0,9% и хрома менее 0,5% требуемый эффект достигнут не будет. Увеличение марганца и хрома более 1,5 и 1,1% соответственно приводит к возрастанию уровня карбидной неоднородности стали, что в свою очередь способствует снижению ее поперечной пластичности.
Никель увеличивает ударную вязкость и прокаливаемость стали, но содержание его в количестве более 0,25% экономически нецелесообразно.
Увеличение содержания меди в шарикоподшипниковой стали ведет к увеличению образования поверхностных трещин и надрывов во время механической обработки. Поэтому содержание меди в стали должно быть не более 0,25%.
С увеличением содержания серы в стали повышается склонность стали к красноломкости, а также снижается устойчивость против истирания и усталостного разрушения. В связи с этим содержание серы в стали не должно превышать 0,020%.
Фосфор увеличивает склонность стали к образованию крупнозернистой структуры при нагреве, повышает ее хрупкость и уменьшает прочность на изгиб. В связи с этим содержание фосфора в металле не должно превышать 0,025%.
Введение молибдена, ниобия и ванадия в сталь способствует формированию мелкозернистой структуры, что повышает вязкость и прочность стали. При содержании данных элементов менее 0,001% каждого указанный эффект достигнут не будет. Увеличение содержания ниобия, ванадия и молибдена более заявляемых диапазонов не приводит к дальнейшему улучшению механических свойств стали, а лишь увеличивает затраты на легирующие материалы.
С увеличением содержания кислорода снижается вязкость и пластичность стали, а также растет содержание неметаллических включений. Для снижения негативного влияния кислорода его содержание в стали не должно превышать 0,002%.
Изобретение поясняется результатами экспериментов. В таблице 1 приведены химические составы сталей с различным содержанием легирующих элементов и примесей, а также параметры данных сталей.
Как следует из таблицы 1, стали предложенного состава (составы 1-3) характеризуются меньшей карбидной неоднородностью, вследствие чего будут обладать лучшими механическими свойствами, в частности поперечной пластичностью.
Таким образом, предложенная подшипниковая сталь обладает улучшенным комплексом механических свойств, что позволяет ее использовать для изготовления деталей подшипников, работающих в условиях воздействия высоких контактных нагрузок.
Литература
1. Патент РФ №2167215, МПК C22C 38/18, 1999.
2. Заявка JP 2004-190127 A, МПК C22C 38/44, 2004.