Не секрет, что залогом бесперебойной работы подшипника является высококачественная сталь, используемая для его изготовления. Ученые и инженеры различных стран не прекращают попыток улучшения характеристик применяемых марок сталей. Идут плодотворные поиски новых сортов с новыми характеристиками. Опыт ведущих подшипниковых фирм показывает необходимость постоянного поиска путей как улучшения качества применяемых сталей, так и попыток использования новых, в т.ч. и композиционных с использованием нанотехнологий.

Основной целью процесса выплавки является получение стали надлежащего химического состава с очень низким процентом включений, отрицательно влияющих на качество и ресурс эксплуатации подшипников.

Исходя из характера нагрузок срок службы подшипников, как и других деталей машин, во многом зависит от качества применяемых сталей. На основе накопленного опыта не вызывает сомнений, что одним из главных факторов, влияющих на срок службы подшипников и деталей машин, являются включения, представленные окислами алюминия и железа, сульфиды, силикаты в виде глобулей и избыточные карбиды и фазы в виде ликваций (скоплений), строчек и сетки.

Стали для изготовления подшипников выплавляются в электродуговых печах с основной футеровкой по следующей схеме (рисунок 1).

Рисунок 1

В состав шихты входит около 30% жидкого чугуна с содержанием серы менее 0,030%, остальное – отсортированный металлический лом. Сразу же после расплава шихты определяется содержание C, S, P, Cr, Ni, Mo, Cu. Вслед за этим приступают к выжиганию углерода, продувая расплавленный металл кислородом и засыпая в ванну окислы железа, что позволяет довести содержание углерода в расплаве до 1%. После чего опять контролируют содержание C, P, S, Mn, Cr и др. Далее полностью скачивают шлак и наводят новый введением в расплав извести CaC₂. Затем вводят феррохром, доведя содержание хрома до 1,5%, одновременно добавляя FeSi, поддерживая шлак карбидом кальция (СаС₂) и углеродом. В случае необходимости вслед за этим раскисляют металл алюминием. Часть жидкой стали (около 50%) сливается в ковш, из которого ее перемещают обратно в печь для интенсификации перемешивания стали со шлаком. По выполнении очередного контрольного анализа в сталь вводят разные добавки для корректировки до нормы химического состава ванны. Затем частично удаляют шлак и разливают сталь с одновременной дегазацией при вакууме менее 1 мм рт. столба. Вакуумирование стали позволяет значительно снизить содержание кислорода, азота и водорода. В период обработки металла в вакууме вводятся добавки FeSi для корректировки кремния в стали до установленной нормы. После разливки и охлаждения слитков проводятся контрольные анализы. Пробы берутся от слитка первой, средней и последней плавок из головной, средней и донной части слитка. С целью получения максимально высокого качества слитки впоследствии подвергаются переплавке различными способами. Всего их насчитывается более 21 вида, но для подшипниковых сталей используют электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплавы. Основная задача переплава стали – значительное снижение включений.

В зависимости от требований конструкции подшипника и производства на предприятии SKF Steel выплавляют металл трех уровней качества:

• SKF Q (Quality);                                    

• SKF MR BQ (Bearing Quality);

• SKF MR PBQ (Premium Bearing Quality).

Каждому уровню качества соответствует свой специальный технологический маршрут, для них установлены пределы на содержание кислорода, титана, макро- и микровключений. Сталь SKF MR PBQ предназначена непосредственно для замены сталей, получаемых методом электрошлакового переплава, и сталей вакуумно-дугового переплава.

В процесс выплавки сталей SKF MR PBQ включены аргонное перемешивание, индукционное перемешивание, вакуумная обработка, а также подогрев, необходимый для обеспечения стабильного и хорошо регулируемого раскисления в комбинации с эффективным удалением серы. Для удовлетворения действующих норм спецификаций фирмы SKF Steel в отношении сталей качества SKF MR PBQ суммарное содержание кислорода, титана и серы не должно превышать 0,008%. Основными методами оценки качества являются указанные в следующих спецификациях: ASTM A535, AMS 2300 и спецификация фирмы SKF Steel. Нормы спецификаций требуют проведения следующих исследований:

• магнитно-порошковая дефектоскопия;

• оценка микроскопических включений;

• определение размера аустенитного зерна;

• измерение размеров зерна на изломе и дефектов;

• макротравление.

Рисунок 2 - Контроль на макровключения проводится по спецификациям ASTM A535 и SKF Steel на трехступенчатых образцах

Макровключения по спецификациям ASTM A535 и SKF Steel оцениваются по трехступенчатому образцу (рисунок 2) методом магнитно-порошковой дефектоскопии. При этом контроле образец подвергается трехступенчатой обработке с уменьшением диаметра от первоначального до 90%, 75% и 60%. После каждой ступени обработки поверхность проверяют, и все включения длиной более 0,5 мм регистрируются. Содержание включений оценивается как средняя общая длина включений на единицу площади для испытываемых образцов. При испытаниях требуется, чтобы на первой ступени (90% первоначального диаметра) площадь, подвергаемая контролю, составляла по меньшей мере 0,15 м². Таким образом, для заготовок любых размеров минимальная площадь, подвергаемая проверке, составляет 0,37 м² на образец. На плавку требуется 3 образца, а это означает, что общая контролируемая площадь составляет 1,12 м².

В спецификации AMS 2300 на контроль макровключений дается его методика и указаны требования в отношении содержания макровключений в сталях для критических областей применения. Метод оценки основан на использовании магнитно-порошковой дефектоскопии образцов, выточенных из половины диаметра (рисунок 3). Оценка качества по макровключениям осуществляется по двум показателям: частота (F) и степень серьезности (S). Частота (F) является средним числом дефектов на единицу площади контролируемых образцов. Степень серьезности (S) является произведением числа и средней длины дефектов в каждой группе и коэффициента степени серьезности на единицу площади образцов, подвергаемых исследованию.

Рисунок 3 - Контроль на макровключения по спецификации AMS 2300 на образцах

Из изложенного ясно, что спецификации для контроля металлопродукции, действующие на зарубежных металлургических заводах, несопоставимы между собой, а тем более с методами контроля качества металла в России.

Итоговое сравнение методов оценки макровключений представлено в таблице 1.

Таблица 1 - Оценка микровключений

Спецификация ASTM А535 дает оценку микровключений в сталях определенного уровня качества. По системе ASTM A535 качество металлопродукции оценивается по наихудшему образцу относительно пределов, указанных в спецификации. Применяемый метод оценки – это метод JK/ASTM с использованием серии шкал III (ASTM E 45). Контроль качества по микровключениям ведется дифференцированно по микровключениям тонкого сечения (Th) и микровключениям толстого сечения (He). Дополнительно к полю с наихудшей оценкой регистрируется ряд полей, содержащих включения с оценкой 1 и выше.

Таким образом, ASTM A535 определяет максимальные оценочные показатели в любом образце (таблица 2).

Таблица 2

Дополнительно для ряда подлежащих оценке полей (т.е. полей с оценкой ≥1) в каждом образце определены максимальные значения (таблица 3).

Таблица 3

Спецификация на микровключения фирмы SKF Steel применительно к сталям класса SKF MR PBQ при оценке качества металлопродукции руководствуется требованиями ASTM A535 и ASTM A295 в таблице 4.

Таблица 4

Фирма SKF Steel на основании опытных данных утверждает, что требования спецификаций по сталям класса SKF MR PBQ во всех отношениях удовлетворяют требованиям, предъявляемым к сталям вакуумно-дугового или электрошлакового переплава, а по макровключениям и микровключениям они значительно более строгие.

Обобщенные технические требования по чистоте металлопродукции фирмы SKF Steel представлены в таблице 5.

Таблица 5

Конечно, теоретически сопоставить нормы требований спецификаций фирмы SKF Steel с требованиями ГОСТ 801-78 невозможно. Это можно сделать, только проводя контроль качества металла на подшипниках, изготовленных той или иной фирмой. По накопленным фактическим материалам можно лишь приблизительно оценить качество сталей фирм Timken и SKF. Так, согласно результатам анализа деталей подшипников фирмы Timken, получены оценки качества металла (в баллах), приведенные в таблице 6.

Конечно, теоретически сопоставить нормы требований спецификаций фирмы SKF Steel с требованиями ГОСТ 801-78 невозможно. Это можно сделать, только проводя контроль качества металла на подшипниках, изготовленных той или иной фирмой. По накопленным фактическим материалам можно лишь приблизительно оценить качество сталей фирм Timken и SKF. Так, согласно результатам анализа деталей подшипников фирмы Timken, получены оценки качества металла (в баллах), приведенные в таблице 6.

Таблица 6

Вышеизложенные материалы приводят к выводу, что требуется кропотливая работа по сближению методик и критериев оценки качества металла, вызванная омологацией продукции российских фирм. Продвижение продукта на новом рынке обуславливается и новыми правилами. Кроме того, совершенно очевидны требования времени по усилению технической политики фирм – производителей подшипниковой продукции в области освоения новых современных марок сталей.

Анатолий Божков, ведущий инженер-конструктор НИЦ ЕПК, Россия

Сергей Ромашин, генеральный директор НИЦ ЕПК, Россия

Печатается с разрешения редакции журнала E-motion (ЕПК, Европейская подшипниковая компания)