Подшипниковая сталь: марки, свойства, твёрдость и применение

Подшипниковая сталь — это группа сталей для колец, шариков, роликов и отдельных деталей подшипников, работающих при многократно повторяющихся контактных нагрузках. Материал должен сочетать высокую твёрдость, износостойкость, сопротивление контактной усталости, однородную структуру и стабильность размеров после термической обработки.

Наиболее известная российская марка — подшипниковая сталь ШХ15. Однако не все подшипники изготавливают только из неё. Для крупных сечений применяют стали с повышенной прокаливаемостью, для ударных нагрузок — цементуемые материалы с вязкой сердцевиной, для влажных и химически активных сред — коррозионностойкие марки, а для повышенной температуры — специальные теплостойкие стали.

Требования к российскому прокату, маркам ШХ4, ШХ7СГ, ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ, состоянию поставки и методам контроля подробно разобраны на странице ГОСТ 801-2022 — прокат из подшипниковой стали. Там же можно открыть действующий стандарт и предыдущую редакцию ГОСТ 801-78.

Какая сталь считается подшипниковой

Определение «подшипниковая» связано не только с химическим составом. Для контактной долговечности важны чистота металла, технология выплавки, способ разливки, макро- и микроструктура, состояние поверхности и правильная термическая обработка. Две заготовки с одинаковой записью марки могут различаться по назначению, если одна получена обычной выплавкой, а другая — вакуумированием или специальным переплавом.

От материала деталей качения обычно требуют:

• высокой контактной выносливости — сопротивления усталостному выкрашиванию дорожек;
• твёрдости и износостойкости — сохранения геометрии при качении и скольжении;
• прочности при сжатии — способности воспринимать высокие локальные напряжения;
• металлургической чистоты — минимального количества опасных неметаллических включений;
• однородной структуры — без недопустимой карбидной сетки, ликвации и полосчатости;
• прокаливаемости — получения требуемых свойств на рабочую глубину;
• размерной стабильности — ограничения изменений после закалки, отпуска и во время работы;
• качественной поверхности — отсутствия трещин, закатов, обезуглероживания и других дефектов.

Высокая твёрдость сама по себе не делает любую сталь подшипниковой. Например, инструментальный материал может быть твёрдым, но не отвечать требованиям по чистоте, прокаливаемости, размерной стабильности или контактной усталости, установленным для конкретного подшипника.

Основные группы подшипниковых сталей

Международный стандарт ISO 683-17 также разделяет подшипниковые стали на пять основных групп: сквозной прокаливаемости, цементуемые, индукционно закаливаемые, нержавеющие и высокотемпературные. Это удобная классификация, но конкретная поставка всегда оформляется по действующему стандарту, чертежу и полному обозначению материала.

Марки подшипниковой стали по ГОСТ 801-2022

Действующий ГОСТ 801-2022 содержит пять российских марок проката. Они различаются содержанием углерода, хрома, кремния и марганца, а также степенью прокаливаемости.

Полный химический состав, предельные отклонения, твёрдость поставляемого проката и методы контроля приведены на странице ГОСТ 801-2022 и ГОСТ 801-78 на подшипниковую сталь. Для закупки нельзя ограничиваться только названием марки: указывают способ выплавки или переплава, КМС1 либо КМС2, состояние поставки и назначение поверхности.

Подшипниковая сталь ШХ15

ШХ15 — высокоуглеродистая хромистая сталь сквозной прокаливаемости. По ГОСТ 801-2022 её плавочный состав включает 0,95–1,05% углерода и 1,30–1,65% хрома. Углерод необходим для получения высокой твёрдости, а хром влияет на прокаливаемость, карбидную фазу и износостойкость.

Обозначение расшифровывается следующим образом:

• Ш — подшипниковая сталь;
• Х — легирование хромом;
• 15 — среднее содержание хрома около 1,5%.

К базовой марке могут добавляться индексы способа получения: ШХ15-В означает внепечное вакуумирование, ШХ15-Ш — электрошлаковый переплав, ШХ15-ВД — вакуумно-дуговой переплав. Эти индексы нельзя удалять из заявки, если они предусмотрены чертежом или техническими условиями.

К стали ШХ15 по химическому составу близки 100Cr6, AISI 52100 и JIS SUJ2. Это полезные ориентиры при поиске импортного материала или подшипника, но не автоматические взаимозаменяемые обозначения. Перед заменой сравнивают стандарт поставки, состав, чистоту, прокаливаемость, термообработку, состояние поверхности и требования к готовой детали.

Твёрдость подшипниковой стали

У запроса «твёрдость подшипниковой стали» нет одного правильного числа: значение зависит от марки, состояния материала и стадии производства. Необходимо различать мягкий отожжённый прокат для обработки и готовую закалённую деталь подшипника.

Требуемую твёрдость готового кольца, шарика или ролика берут из стандарта на изделие и конструкторской документации. Она может зависеть от размера сечения, способа термообработки, рабочей температуры и требований к размерной стабильности. Проверять готовый подшипник только по твёрдости также недостаточно: дефекты структуры или загрязнённость включениями могут присутствовать и при формально правильном показании твердомера.

Термическая обработка подшипниковой стали

Технологический маршрут зависит от конструкции и производителя, но обычно включает несколько стадий:

1. Сфероидизирующий отжиг проката. Формирует структуру, подходящую для резания, холодной высадки или штамповки.
2. Получение заготовки. Используют точение, ковку, горячую или холодную штамповку в зависимости от детали.
3. Закалка. Обеспечивает мартенситную структуру и высокую твёрдость рабочего слоя либо всего сечения.
4. Отпуск. Снижает внутренние напряжения и формирует требуемое сочетание твёрдости и стабильности.
5. Стабилизация. Для точных или температурных исполнений может применяться дополнительная обработка.
6. Шлифование и доводка. После термообработки получают точные размеры, форму и шероховатость дорожек качения.

Нельзя назначать режим закалки только по общему названию марки. Температура, выдержка, охлаждение и отпуск зависят от размера детали, оборудования, исходной структуры и требуемых свойств. Ошибка может привести к трещинам, избыточному остаточному аустениту, деформации, недостаточной прокаливаемости или снижению контактного ресурса.

Нержавеющая подшипниковая сталь

Для воды, пара, моющих растворов и отдельных химических сред применяют коррозионностойкие подшипниковые стали. В российских специальных исполнениях встречаются марки 95Х18-Ш и 110Х18М-ШД. В зарубежной документации распространены обозначения X90CrMoV18 и AISI 440C, а также фирменные высокоазотистые и специальные коррозионностойкие материалы.

Нержавеющий подшипник выбирают не только по марке колец. Необходимо проверить:

• материал колец и тел качения;
• материал сепаратора, уплотнений и крепежа;
• состав рабочей среды, её концентрацию и температуру;
• наличие моек, пара и периодов простоя во влажном состоянии;
• совместимость смазки с пищевыми или химическими требованиями;
• грузоподъёмность и допустимые обороты конкретного исполнения.

ШХ15 нельзя превратить в нержавеющую сталь только нанесением обычной консервационной смазки. Покрытие может повысить защиту внешних поверхностей, но не всегда подходит для дорожек качения и не заменяет специальный материал при постоянном контакте с агрессивной средой.

Специальные материалы и требования к отдельным подшипникам рассматриваются в разделе нормативной документации по подшипникам. Для заказа необходимо использовать обозначение из паспорта, ТУ или чертежа, а не подбирать «нержавеющий аналог» только по размерам.

Подшипниковый узел из нержавеющей стали: что именно должно быть нержавеющим

В готовом подшипниковом узле материал корпуса и материал самого подшипника могут различаться. Корпус выполняют из чугуна, стали, нержавеющей стали, пластика или другого материала, а вставной подшипник имеет собственные кольца, шарики, сепаратор, уплотнения и смазку.

Фраза «подшипниковый узел из нержавеющей стали» должна быть раскрыта в спецификации. Иногда нержавеющим является только корпус, тогда как подшипник остаётся стандартным. В других исполнениях из коррозионностойкой стали изготовлены кольца, шарики, корпус и крепёж, а смазка допущена для пищевого производства. Эти варианты неравнозначны по цене и стойкости.

Из какой стали делают кольца, шарики, ролики и сепараторы

Поэтому выражение «подшипник стальной» не означает, что все его детали изготовлены из одной марки. Материал сепаратора, уплотнений и смазки указывается отдельно и может ограничивать температуру или скорость раньше, чем стальные кольца.

Как выбрать марку подшипниковой стали

1. Определите деталь. Материал нужен для кольца, шарика, ролика, вала с дорожкой качения или корпуса узла.
2. Уточните нагрузку. Радиальная, осевая, комбинированная, ударная, вибрационная; минимальная и максимальная.
3. Проверьте размер сечения. Чем толще деталь, тем важнее прокаливаемость и технология получения равномерных свойств.
4. Укажите скорость и температуру. Нагрев влияет на твёрдость, отпуск и размерную стабильность.
5. Опишите среду. Вода, пар, вакуум, химические вещества, пыль, моющие средства и требования к чистоте.
6. Определите технологию. Точение, ковка, холодная высадка, штамповка, цементация или индукционная закалка.
7. Сверьте нормативный документ. ГОСТ 801 регулирует определённый прокат, но специальное изделие может изготавливаться по другому ГОСТ, ТУ или чертежу.
8. Согласуйте контроль. Химический состав, твёрдость, макро- и микроструктура, включения, прокаливаемость, УЗК и другие требования.

Для выбора готового подшипника дополнительно учитывают конструкцию, размеры, класс точности, внутренний зазор, сепаратор, уплотнения и смазку. Общие требования к готовым изделиям рассмотрены на странице ГОСТ 520-2011 — подшипники качения.

Какие документы проверить при закупке

Маркировка ШХ15 на прутке или запись материала в названии подшипника не заменяет подтверждающие документы. Для ответственной поставки согласуют:

• полное условное обозначение проката или готового подшипника;
• стандарт, технические условия либо конструкторский документ;
• документ качества с номером партии и плавки;
• марку и способ выплавки или переплава;
• фактический химический состав, если он требуется договором;
• состояние поставки и результаты термической обработки;
• твёрдость, структуру, включения и дополнительные испытания;
• протокол УЗК или другого контроля, если он был предусмотрен;
• прослеживаемость партии от материала до готовой продукции.

ГОСТ 801-2022 требует сопровождать партию проката документом о качестве. Для готового подшипника состав документов зависит от производителя, стандарта, назначения и условий договора. Полезно заранее определить, достаточно ли паспорта изготовителя или требуются фактические результаты испытаний конкретной партии.

Частые ошибки при выборе подшипниковой стали

• Выбирать только по твёрдости. Контактный ресурс зависит также от структуры, включений, поверхности и остаточных напряжений.
• Считать ШХ15 нержавеющей. Для влажной среды нужна специальная защита или коррозионностойкое исполнение.
• Считать зарубежные обозначения полными аналогами. AISI 52100, 100Cr6, SUJ2 и ШХ15 близки, но поставляются по разным стандартам.
• Не указывать переплав. Индексы -В, -Ш, -ВД или -ШД могут быть обязательной частью материала.
• Игнорировать способ разливки. Прокат КМС2 по ГОСТ 801-2022 не предназначен для изготовления шариков.
• Переносить твёрдость проката на готовую деталь. 179–207 HB для отожжённой ШХ15 — не норма готового закалённого кольца.
• Заменять материал без согласования. Совпадение размеров подшипника не подтверждает равнозначность стали и термообработки.

Частые вопросы о подшипниковой стали

Какая марка подшипниковой стали самая распространённая?

Для стандартных колец, шариков и роликов в российской системе наиболее известна ШХ15. Но для крупных сечений, ударной нагрузки, коррозии или высокой температуры применяют другие материалы.

Какая твёрдость у подшипниковой стали ШХ15?

Отожжённый прокат ШХ15 по ГОСТ 801-2022 поставляют с твёрдостью 179–207 HB. После закалки и отпуска рабочие поверхности деталей имеют значительно более высокую твёрдость; конкретную норму HRC определяет стандарт или чертёж готового изделия.

ШХ15 — это нержавеющая сталь?

Нет. ШХ15 — высокоуглеродистая хромистая подшипниковая сталь, которая может корродировать при контакте с влагой. Для коррозионных условий используют специальные нержавеющие марки, покрытия, уплотнения и подходящую смазку.

Чем ШХ15 отличается от ШХ15СГ?

ШХ15СГ дополнительно содержит больше кремния и марганца и отличается повышенной прокаливаемостью. Марку выбирают по толщине сечения, технологии и документации детали.

Какой зарубежный аналог у ШХ15?

По составу близки 100Cr6, AISI 52100 и JIS SUJ2. Для замены необходимо сравнить полный стандарт поставки, качество металла, термообработку и требования к готовому подшипнику.

Из одной ли стали делают кольца и шарики?

Часто кольца и стальные тела качения изготовлены из близких подшипниковых сталей, но это не обязательное правило. В гибридном подшипнике шарики могут быть керамическими, а в специальном исполнении материалы колец и тел качения подбирают раздельно.

Какой ГОСТ действует на подшипниковую сталь?

Для горячекатаного, калиброванного проката и проката со специальной отделкой поверхности действует ГОСТ 801-2022. Он заменил ГОСТ 801-78 с 1 августа 2023 года.

Подобрать подшипник по материалу и условиям работы

«Первый Подшипник Групп» поставляет шариковые и роликовые подшипники для промышленного оборудования. Подберём исполнение по обозначению, размерам, чертежу, марке стали, температуре, нагрузке, рабочей среде и перечню документов.

Для расчёта направьте полное обозначение, фотографию маркировки, модель оборудования, количество и причину специального требования к материалу: коррозия, высокая температура, ударная нагрузка, вакуум, повышенная чистота или требования технического задания.