ШХ15 — высокоуглеродистая хромистая подшипниковая сталь (аналог 100Cr6/52100) для колец, тел качения и других деталей, работающих на контактную выносливость. Металлургическая специфика марки — высокая доля углерода и карбидов хрома: это диктует особые требования к сфероидизирующему отжигу, растворению карбидной фазы при аустенитизации, борьбе с обезуглероживанием и контролю остаточного аустенита. Ниже — практическое руководство для технологов и металлургов с уклоном в производимые режимы и контроль качества.
Нормативы и область применения
- Норматив на подшипниковую сталь: требования к макро-/микроструктуре, обезуглероживанию, твёрдости в отожжённом состоянии и методам контроля.
- Область: кольца, шарики, ролики, а также втулки плунжеров, клапанные детали и иные узлы с высокой износостойкостью и жёсткими допусками.
- Свариваемость — ограниченная; при необходимости применяют специальные процедуры с последующей термообработкой. Для большинства изделий сварка не используется.
Химический состав (ориентиры)
| Элемент | % | Роль |
|---|---|---|
| C | 0,95–1,05 | База твёрдости/износа |
| Cr | 1,30–1,65 | Карбиды, прокаливаемость |
| Si | 0,17–0,37 | Прочность матрицы |
| Mn | 0,20–0,40 | Дезокс., прокаливаемость |
| P, S | ≤0,027 / ≤0,020 | Надёжность, чистота |
| Ni, Cu | до 0,3 / до 0,25 | Допуски примесей |
Фактические допуски уточняют по сертификату плавки и действующей редакции стандарта на прокат из подшипниковой стали.
Критические точки и ковка
| Параметр | °C | Комментарий |
|---|---|---|
| Ac1 | ~720–740 | Старт аустенитизации |
| Acm | ~880–900 | Растворение карбидов |
| Ковка | ≈1150→800 | Начало→конец деформации |
Для гиперэвтектоидной ШХ15 ориентируются на Acm, а не на Ac3. Перегрев выше оптимума ведёт к росту остаточного аустенита и риску сетки карбидов; занижение — к недорастворению карбидной фазы и снижению твёрдости после закалки.
Металлургическая логика марки
- Сфероидизация: перевод цементита в зернистую форму для улучшения обрабатываемости и равномерного распада при последующем нагреве.
- Аустенитизация: «ровная» растворимость карбидов при контроле углеродного потенциала/атмосферы, чтобы обеспечить нужный уровень перенасыщения без избытка γост.
- Закалка: масляная (или полимерная) с контролем скорости охлаждения; водная допустима для мелких сечений при жёстком контроле трещинообразования.
- Отпуск: низкотемпературный (обычно 150–200 °C) 1–2 ч, часто двойной; цель — стабилизация размеров и износостойкость при сохранении 60–65 HRC.
- Крио: глубокое охлаждение (ниже −70 °C до −196 °C) между закалкой и отпуском для уменьшения γост, затем повторный отпуск.
Базовые режимы (производственные окна)
| Цель | Нагрев | Выдержка | Охлажд. | Эффект | Применение |
|---|---|---|---|---|---|
| Сфероидизирующий отжиг | ~770–790 °C → ступень 650 °C | 5–7 ч + 2–4 ч | С печью | Зернистый цементит, HB ≈ 179–207 | Перед мехобработкой |
| Закалка | ~830–860 °C | 10–30 мин (по сечению) | Масло/полимер | Мартенсит, минимум γост | Кольца, тела качения |
| Крио | −70…−196 °C | 0,5–2 ч | Воздух | Снижение γост → стабильность | Точная посадка/устойчивость |
| Отпуск низкий | 150–200 °C | 1–2 ч ×2 | Воздух | 60–65 HRC, износостойкость | Серийное исполнение |
Реальные температурно-временные диаграммы уточняют по типоразмерам, массе загрузки, атмосфере печи и требуемым свойствам. Для толстых сечений допустим двухступенчатый подогрев (например, 780–800 °C → аустенитизация), чтобы снизить термонапряжения.
Отпуск и твёрдость (ориентиры)
| t, °C | Время | HRC |
|---|---|---|
| 150–160 | 1–2 ч | 63–65 |
| 180–200 | 2 ч | 60–62 |
| 230–260 | 2 ч | 55–58 |
| 300–350 | 2 ч | 56–58→53–54 |
Практика для подшипниковых деталей — двойной отпуск (или отпуск после крио) с контролем HRC и размеров после каждого шага.
Атмосфера печей и обезуглероживание
- Для сфероидизирующего отжига и аустенитизации применяют нейтральные/контролируемые атмосферы (эндогаз, N2-метанол, вакуум с азотным охлаждением) с контролем потенциала углерода, чтобы исключить обезуглероживание и рост сетки карбидов.
- Допустимые глубины обезуглероживания зависят от вида проката и размера; для калиброванного — не более 1 % диаметра на сторону (и в пределах табличных значений для горячекатаного). Для проката со специальной отделкой обезуглероживание не допускается.
- Измерение глубины обезуглероженного слоя — по установленным методикам; при разногласиях — металлографический контроль.
Контроль качества и приёмка
| Показатель | Метод | Ориентир |
|---|---|---|
| HB (отжиг) | Бринелль | ~179–207 |
| HRC (после ТО) | Роквелл C | 60–65 |
| Ударная вязкость | Шарпи | По ТЗ/температуре |
| Прокаливаемость | Торец | Критерий HRC 61 |
| Микроструктура | Металлография | Зернистый перлит (отжиг), без сетки |
| Обезуглероживание | Металлография | В пределах норм |
Для деталей высокой точности критично контролировать γост (рет. аустенит) по дифрактометрии/металлографии; для серийных партий допускается косвенный контроль стабильности через повторные замеры HRC/размеров после цикла «закалка → крио → двойной отпуск».
Типовые ошибки и риски
- Перегрев при аустенитизации → избыточный γост, рост склонности к шлифожогу и нестабильность размеров. Решение: держать температуру в узком окне, минимальная выдержка по сечению, крио + повторный отпуск.
- Недорастворение карбидов → недобор HRC/неравномерность. Решение: корректировка t/τ, контроль равномерности нагрева (термопары в массиве).
- Обезуглероживание → мягкая приповерхностная зона. Решение: защитная атмосфера/упаковка, контроль потенциала, шлифсъём припуска.
- Сетка карбидов после ковки/нормализации → падение контактной выносливости. Решение: корректная деформация и обязательная сфероидизация с выдержкой.
- Шлифожог при финише → локальная разупрочнённая белая полоса. Решение: режимы резания/охлаждения, контроль шлифожога, низкий отпуск после шлифования.
Практические карты режима (пример)
Для колец подшипников
| Этап | Параметры | Контроль |
|---|---|---|
| Отжиг | 770–790 °C → 650 °C, 5–7 ч + 2–4 ч, охлаждение с печью | HB 179–207; карбидная сетка — не допускается |
| Аустенитизация | 845–855 °C, 10–20 мин в контролируемой атмосфере | t по термопарам; отсутствие обезуглероживания |
| Закалка | Масло/полимер, интенсивность по сечению | HRC после закалки; трещины — недопустимы |
| Крио | −80…−196 °C, 0,5–2 ч | Стабильность размеров |
| Отпуск ×2 | 150–180 °C, 1–2 ч каждый цикл | 60–65 HRC; геометрия в допуске |
Ответы на частые возражения
- «Можно без крио?» Для точных посадок и тяжёлых режимов трения крио резко снижает γост и дрейф размеров. Без крио — только при подтверждённой стабильности партии.
- «Почему отпуск такой низкий?» Подшипниковая пара требует максимальной износостойкости: низкий отпуск сохраняет 60–65 HRC при приемлемой вязкости.
- «Единый режим для всех размеров?» Нет. Время и выбор среды закалки зависят от эквивалентного диаметра, массы и конфигурации; для толстых сечений — ступенчатые нагревы.
Замечания по испытаниям и отчётности
- В отожжённом состоянии — твёрдость по Бринеллю; после ТО — по Роквеллу (шкала C).
- Прокаливаемость — торцовой закалкой с критерием HRC 61.
- Ударная вязкость — по образцам Шарпи при заданной температуре.
- Полная трассировка ТО: графики нагрева/охлаждения, атмосфера/углеродный потенциал, результаты НК и микроструктуры.
Резюме для технолога
Ключ к ресурсу детали из ШХ15 — качественная сфероидизация, узко контролируемая аустенитизация в защитной атмосфере, корректная закалка, крио и двойной низкий отпуск с обязательным контролем HRC, структуры и размеров. Любая экономия на атмосфере и крио выходит боком: обезуглероженная корка и γост неизбежно «съедают» ресурс и точность.
Источники
- ГОСТ 801-78/2022: подшипниковая сталь, требования к структуре, прокаливаемости, допустимому обезуглероживанию и методам контроля.
- ГОСТ Р 56299-2014: прокат из подшипниковой стали (сортамент, ссылки на методы контроля). :
- Справочники по ШХ15: состав, критические точки, ковка и ориентирные режимы отжига/закалки/отпуска.
- Сфероидизирующий отжиг ШХ15: методика и эффекты зернистого цементита. :contentReference[oaicite:3]{index=3}
- Рекомендации по аустенитизации и отпуску для 52100/100Cr6 (аналог ШХ15): диапазоны 830–860 °C и 150–200 °C; двойной отпуск.
- Криогенная обработка: снижение γост, влияние на износ и коррозионную стойкость для 52100.
- Методы контроля: Бринелль, Роквелл, Шарпи — требования и область применения.
Примечание: приведённые температурно-временные окна — производственные ориентиры. Окончательные параметры назначаются по техпроцессу предприятия с учётом размеров, атмосферы печей, требуемой геометрической стабильности и подтверждаются протоколами контроля.