Подшипники нужны в любых узлах, в которых используется вращательное движение. Есть множество их типоразмеров, а основными видами считаются шариковые, роликовые и роликовые конические. Подшипники работают в разных условиях, поэтому и материалы для их изготовления могут различаться химическим составом и характеристиками.
Подшипники разных видов и размеров
Как устроены подшипники
Подшипники состоят из пары колец (наружного и внутреннего), между которыми размещены тела качения: ролики или шарики. Во время работы они двигаются по дорожкам качения (желобам), выполненным на поверхности колец. Чтобы ролики или шарики не смещались с дорожек качения и сохранялось расстояние между ними, тела качения помещают в специальные обоймы (сепараторы). Такую конструкцию имеет большинство подшипников, но некоторые типы работают без сепараторов (они отличаются большим количеством тел качения и высокой грузоподъемностью, но низкой максимальной частотой вращения).
Из этих деталей состоит подшипник: 1 – корпус, 2 – тела качения, 3 – обойма (сепаратор), 4 – желоб для тел качения, 5 – внутреннее кольцо
Для чего нужно измерять твёрдость подшипников?
На рынке существует масса производителей и поставщиков подшипников различного назначения и самого разного качества. Большие и маленькие подшипники – это незаменимый конструктивный элемент в турбинах ГЭС, железнодорожной технике, промышленном оборудовании, автомобилях, велосипедах, самокатах и еще во множестве машин и механизмов.
При закупке больших партий подшипников следует проверить их качество и соответствие нормам ГОСТа. Это позволит избежать финансовых потерь от приобретения некачественных (контрафактных) комплектующих, которые могут привести к перебоям в работе оборудования, а также обезопасит репутацию Вашей компании, если Вы являетесь поставщиком.
Какие общие требования предъявляют к материалам
У сепараторов, колец и тел качения разные задачи, поэтому и требования к ним предъявляют разные. Так, сепараторы должны быть прочными, износоустойчивыми, хорошо выдерживать вибрационные и ударные нагрузки, иметь низкий коэффициент трения и высокую размерную стабильность. Для их изготовления чаще всего используют низкоуглеродистые или нержавеющие стали, латунь или полимерные материалы.
Кольца и тела качения должны быть твердыми, прочными, износоустойчивыми, сохранять свои размеры при эксплуатации, иметь высокую размерную стабильность, хорошо выдерживать ударные нагрузки. Материал для их изготовления подбирают с учетом условий эксплуатации.
От чего зависит качество и надёжность подшипников?
В первую очередь, на рабочие характеристики изделий непосредственно влияет качество материалов, из которых изготовлены все его элементы. Как правило, стандартный подшипник качения включает следующие детали: внутреннее и наружное кольцо — 1 и 5, шарики или ролики (тело качения) — 2, сепаратор — 3 и дорожка качения — 4.
В зависимости от сферы применения, условий работы и назначения, элементы подшипников могут изготавливаться из разных материалов: высокоуглеродистая хромистая сталь, низкоуглеродистые сплавы стали, латунь, алюминиевые сплавы и пр. Основные сферы применения и свойства материалов, используемых отечественными производителями для изготовления подшипников, приведены в таблице.
Материалы, применяемые при производстве отечественных подшипников
| Наименование, марка | Основные свойства | Применение |
| Хромистая сталь ШХ15 | Высокоуглеродистая хромистая, T≤120°C | Подавляющее большинство колец и тел качения, кольца толщиной менее 10 мм, ролики до 22 мм |
| Хромистая сталь ШХ15СТ | Повышенная прокаливаемость, содержит больше кремния и марганца | Кольца толщиной менее 30 мм и ролики диаметром более 22 мм |
| Хромистая сталь ШХ20СТ | Содержит еще больше кремния и марганца, чем ШХ15СТ | Кольца толщиной более 30 мм |
| Хромистая сталь ШХ4 | Индукционная закалка | Железнодорожные подшипники |
| Хромистые стали ШХ15-Ш, ШХ15ШД | Уменьшенное содержание неметаллических включений | Подшипники повышенной долговечности и надежности |
| Цементуемая сталь 18ХГТ | Поверхностный сплав повышенной твердости и мягкая сердцевина после термической обработки | Кольца роликовых подшипников |
| Цементуемая сталь 20Х2Н4А | Поверхностный сплав повышенной твердости и мягкая сердцевина после термической обработки | Кольца и ролики крупногабаритных подшипников |
| Цементуемые стали 15Г1, 15Х, 08, 10 | Позволяют проводить химико-термическую обработку деталей | Штампованные кольца роликовых игольчатых подшипников |
| Низколегированная сталь 55ХФА | Содержание углерода 0.45 — 0.55%, закалка рабочих поверхностей токами сверхвысокой частоты | Кольца поворотных опор, кранов и экскаваторов |
| Сталь 95Х18-Ш | Коррозионно-стойкая, T≤350°C | Тела качения средних и крупных размеров |
| Сталь 110Х18М-ШД | Коррозионно-стойкая, с уменьшенным содержанием неметаллических включений | Приборные подшипники |
| Сталь 08кп, 08пс, 10кп, 10пс | Низкоуглеродистые | Штампованные сепараторы подшипников общего применения |
| Стали 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т | Коррозионно-стойкие, теплопрочные | Для изготовления теплостойких и коррозийностойких подшипников |
| Латуни ЛС59-1, ЛС59-1Л | — | Массивные сепараторы для подшипников |
| Бронзы БрАЖМЦ10-3-1,5, БрАЖН10-4,4 | — | Массивные сепараторы |
| Алюминиевые сплавы Д1, Д6 и АК4 | — | Массивные сепараторы |
| Нитрид кремния Si3N4 | Повышенная теплопрочность и контактная долговечность | Шарики для подшипников высокоскоростных узлов |
Как изготавливают подшипники
Меньше всего по времени занимает изготовление сепараторов: до 5 дней. Для этого используют разные способы:
- Стальные чаще всего получают штамповкой (исключение составляют сепараторы для крупногабаритных подшипников, которые изготавливают механической обработкой). Для этого из листа вырезают заготовки, пробивают в них отверстия для тел качения, затем с помощью штампа придают нужную форму и шлифуют.
- Полимерные сепараторы получают литьем под давлением. Их главный плюс – сочетание упругости и прочности.
- Латунные сепараторы получают в результате механической обработки заготовки. Их достоинства – способность работать в тяжелых условиях или при высоких температурах.
Тела качения, в зависимости от точности исполнения, изготавливают до 25 дней. При этом шарики изготавливать сложнее, чем ролики. Сначала стальной пруток разрезают на части, затем заготовки обрабатывают с помощью пресса для придания им шарообразной формы, потом шлифуют и термообрабатывают.
На изготовление колец может уйти до 1 месяца. Для этого сначала нарезают стальную трубу для получения заготовок, затем их формуют, термообрабатывают, шлифуют и полируют.
Что ухудшает характеристики подшипников
Наиболее заметно характеристики подшипников ухудшают сера, фосфор и кислород. Они могут попадать в стали из руды или огнеупорных материалов плавильных печей и затем остаются в материале, вступая в реакцию с компонентами металла. Чтобы вывести вредные включения, подшипниковые стали подвергают дополнительной обработке. В этом плане хорошо себя проявили вакуумный или электрошлаковый переплавы.
Подшипниковые стали
К конструкционным сталям особой группы относят подшипниковые стали
, применяемые для изготовления подшипников качения (шариковых и роликовых). По химическому составу и свойствам эти стали близки к заэвтектоидным инструментальным сталям.
При работе подшипников под воздействием нагрузки в зоне контакта возникают напряжения сжатия в поверхностных слоях деталей. В случае циклических контактных нагрузок последовательно развиваются стадии повреждаемости материала: пластическая деформация, исчерпание запаса прочности, образование микротрещин в приповерхностном слое, распространение трещин вглубь и скалывание частиц металла (выкрашивание). В результате такого процесса на поверхности детали образуется дефект, называемый питтингом (результат усталостного выкрашивания).
Контактная усталость
— процесс постепенного повреждения поверхностных слоев деталей (выкрашивание), работающих в условиях циклических контактных нагрузок высокой частоты.
Сопротивление материала контактной усталости называют контактной выносливостью
, количественно она оценивается пределом контактной выносливости оR. Испытания на контактную усталость разнообразны, поэтому весьма часто используют такую характеристику, как контактное напряжение ок, при котором образец выдерживает определенное базовое число циклов: Nц = 10в6 (или 10в7).
Требования повышенной контактной выносливости предъявляют к материалам таких деталей, как подшипники качения и зубчатые колеса — широко распространенным ответственным деталям: от их надежности и долговечности зависит работоспособность узлов и механизмов, например металлорежущих станков, электродвигателей, автомобилей, тракторов, вагонов и других конструкций.
Подшипниковые стали предназначены для изготовления шариковых и роликовых подшипников. Эти сплавы имеют специальную маркировку: первая буква в марке стали данной группы — заглавная Ш, далее следует буква X, соответствующая хрому, и цифра, которая указывает процентное содержание хрома, умноженное на 10. Например, в сталях П1Х15 и ШХ20СГ содержится 1,5 % и 2,0 % Cr соответственно. Буквы С, Г обозначают наличие кремния и марганца.
Требования к свойствам и структуре подшипниковых сталей зависят от конструкции подшипника (шариковый, роликовый), условий эксплуатации и размеров. В табл. 14.12 приведены данные для шариковых подшипников диаметром <60 мм, работающих без динамических нагрузок при температурах -60…+300 °С.
Стали марок ШХ15, ШХ15СГ, ШХ4, ШХ20, ШХ20СГ предназначены для подшипников общего назначения; химический состав сталей регламентируется ГОСТ 801—78. Содержание углерода во всех сталях составляет около 1 %.
Применение легирующих компонентов в подшипниковых сталях объясняется тем, что:
• высокое содержание углерода (0,90…1,10 %) обеспечивает твердость после закалки и низкого отпуска, образование большого количества цементита;
• хром (1,3…1,7 %) повышает твердость и наряду с кремнием и марганцем обеспечивает прокаливаемость.
Термообработка подшипниковых сталей является типичной для заэвтектоидных сталей и осуществляется в несколько этапов:
1) сфероидизирующий отжиг;
2) закалка от температур 820…900 °С;
3) обработка холодом при температурах -70…-80 °С;
4) низкий отпуск при 170…200 °С.
После данной многоступенчатой термообработки стали имеют мелкое зерно, их фазовый состав включает мартенсит отпуска с частицами цементита сферической формы (зернистый). Такое структурно-фазовое состояние подшипниковых сталей обеспечивает твердость 61…65 HRC и высокую контактную выносливость.
Прокаливаемость сталей увеличивается по мере повышения концентрации легирующих компонентов. Так, сталь ШХ15 предназначена для изготовления шариковых подшипников поперечным сечением 10…20 мм; более легированные стали ШX15СГ, ШХ20СГ — для деталей диаметром свыше 30 мм. Для подшипников другой формы и размеров, работающих при иных нагрузках, применяют специальные стали.
При изготовлении высокоскоростных подшипников
обязательно используют электрошлаковый переплав (ЭШП) для повышения чистоты стали благодаря минимизации неметаллических включений. В этом случае в маркировке сталей после дефиса добавляют букву Ш, например ШХ15-Ш.
Железнодорожные роликовые подшипники
испытывают динамические нагрузки, поэтому для них нельзя применять сквозную закалку. Для таких деталей разработана сталь с пониженной про-каливаемостью — ШХ4. Детали из этой стали подвергают закалке ТВЧ, после которой получают высокотвердый поверхностный слой глубиной 2…3 мм и вязкую сердцевину.
Для производства крупногабаритных роликовых подшипников диаметром до 2 м
применяют цементуемые низкоуглеродистые легированные стали (18ХГТ, 20ХНМА и др.): твердость сердцевины составляет не менее 35…45 HRC, что предотвращает продавливание цементованного слоя при контактных нагрузках во время эксплуатации.
Для подшипников, работающих в агрессивных средах, используют коррозионно-стойкую высокохромистую сталь 95X18.
Методы определения твёрдости подшипника
Твёрдость подшипника определяет его грузоподъёмность, стабильность и прочность в контактах качения. Замеры осуществляются по трём основным методам: Бринелля, Роквелла и Виккерса. С их подробным описанием Вы можете ознакомиться в статье «Краткая характеристика методов измерения твердости».
Контроль выполняют при помощи стационарных или портативных твердомеров. Рассмотрим подробнее, как измерить твёрдость подшипников ультразвуковым твердомером серии ТКМ производства НПП Машпроект.
