100Cr6

100Cr6 — это марка высокоуглеродистой хромсодержащей стали, предназначенной для изготовления подшипников качения, а также деталей, работающих в условиях высоких контактных напряжений и износа. Относится к классу подшипниковых сталей, характеризуется высокой твёрдостью, износостойкостью и стабильностью размеров после термической обработки. В международной классификации аналогом является сталь марки AISI 52100 (по стандарту США) или DIN 1.3505 (по немецкому стандарту). В России и странах бывшего СССР широко применяется под обозначением ШХ15 (сталь шароподшипниковая хромистая).

История

Разработка хромистых подшипниковых сталей началась в конце XIX — начале XX века в связи с ростом потребности в надёжных подшипниках для железнодорожного транспорта и промышленного оборудования. Первые патенты на легированные хромом стали для шариков и роликов были получены в Германии и США. В 1905 году американский инженер Эрнест Генри Браун предложил состав, близкий к современной стали 52100, содержащей около 1 % углерода и 1,5 % хрома. В СССР стандартизация подшипниковых сталей произошла в 1930-е годы, когда была разработана марка ШХ15, химический состав которой практически идентичен 100Cr6. В послевоенные десятилетия технология производства совершенствовалась: были внедрены вакуумная дегазация, электрошлаковый переплав и методы контроля неметаллических включений.

Химический состав

Химический состав стали 100Cr6 регламентируется европейским стандартом EN 10084 и немецким DIN 17230 (заменён на EN ISO 683-17). Основные легирующие элементы — углерод и хром. Типичный диапазон содержания элементов (в процентах по массе):

Высокое содержание углерода обеспечивает возможность закалки до высокой твёрдости (58–65 HRC). Хром повышает прокаливаемость, износостойкость и коррозионную стойкость в слабоагрессивных средах. Марганец и кремний добавляют для раскисления и улучшения механических свойств.

Свойства

Физические свойства

• Плотность: около 7,81 г/см³ при 20 °C.
• Температура плавления: примерно 1420–1450 °C.
• Коэффициент линейного теплового расширения: 11,5·10⁻⁶ K⁻¹ (в интервале 20–100 °C).
• Теплопроводность: 40–45 Вт/(м·K) при комнатной температуре.
• Модуль упругости: 210 ГПа.

Механические свойства (после закалки и низкого отпуска)

• Твёрдость: 60–65 HRC (типично 62–64 HRC).
• Предел прочности при растяжении: 2000–2400 МПа.
• Предел текучести: 1700–2100 МПа.
• Относительное удлинение: менее 5 % (хрупкое состояние).
• Ударная вязкость: 5–15 Дж/см².

Технологические свойства

Сталь 100Cr6 обладает удовлетворительной обрабатываемостью резанием в отожжённом состоянии (твёрдость 170–207 HB). Хорошо поддаётся шлифованию и полировке после закалки. Свариваемость ограничена из-за склонности к образованию трещин; сварка обычно не применяется. Чувствительна к концентраторам напряжений.

Термическая обработка

Для достижения требуемых эксплуатационных свойств сталь 100Cr6 подвергается обязательной термической обработке, включающей:

1. Отжиг — для снятия напряжений после ковки или прокатки и подготовки к механической обработке. Проводится при 780–820 °C с медленным охлаждением.
2. Закалка — нагрев до 830–860 °C, выдержка для растворения карбидов, затем охлаждение в масле или в солевом растворе. Скорость охлаждения должна быть достаточной для получения мартенситной структуры.
3. Низкий отпуск — нагрев до 150–200 °C для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров. Твёрдость после отпуска снижается незначительно (на 1–3 HRC).
4. Обработка холодом (опционально) — для преобразования остаточного аустенита в мартенсит, что повышает стабильность размеров. Проводится при –70...–80 °C.

Применение

Основное применение стали 100Cr6 — изготовление деталей подшипников качения:

• шарики (диаметром от 0,5 мм до нескольких десятков миллиметров);
• ролики (цилиндрические, конические, игольчатые);
• кольца подшипников (внутренние и наружные);
• сепараторы (реже, обычно из латуни или полимеров).

Кроме подшипников, сталь используется для:

• пресс-форм и штампов (при умеренных нагрузках);
• измерительного инструмента (калибры, шаблоны);
• деталей топливной аппаратуры (плунжерные пары);
• роликов цепей и конвейеров;
• шариков для шариковых ручек и клапанов.

Аналоги и заменители

В разных странах сталь 100Cr6 имеет следующие обозначения:

В качестве заменителей могут применяться стали с повышенным содержанием хрома (например, ШХ15СГ с добавлением кремния) или с добавлением молибдена (100CrMo7), однако они имеют отличия в прокаливаемости и стоимости.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, сталь 100Cr6 имеет ряд недостатков:

• Ограниченная прокаливаемость — при толщине стенки более 20–25 мм требуется более интенсивное охлаждение или использование легированных аналогов.
• Чувствительность к неметаллическим включениям — оксиды, сульфиды и силикаты снижают усталостную долговечность подшипников.
• Коррозионная стойкость — сталь не является нержавеющей; в условиях повышенной влажности или агрессивных сред требуется защитное покрытие или использование коррозионно-стойких марок (например, 95Cr18).
• Хрупкость — после закалки сталь практически не деформируется пластически, что ограничивает её применение в динамически нагруженных конструкциях.

Интересные факты

• Сталь 100Cr6 (ШХ15) использовалась при изготовлении первых советских шарикоподшипников на Государственном подшипниковом заводе № 1 (ГПЗ-1) в Москве, запущенном в 1932 году.
• Из-за высокой твёрдости и износостойкости 100Cr6 иногда применяется для изготовления клинков ножей и бритв, хотя уступает специализированным инструментальным сталям по ударной вязкости.
• В 2020-х годах ведутся исследования по замене 100Cr6 в подшипниках на керамические материалы (например, нитрид кремния) для повышения ресурса в экстремальных условиях.

Источники

• ГОСТ 801-78 «Сталь подшипниковая. Технические условия».
• EN ISO 683-17:2014 «Heat-treatable steels, alloy steels and free-cutting steels — Part 17: Ball and roller bearing steels».
• Марочник сталей и сплавов / Под ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989.
• Справочник по металловедению и термической обработке стали / Под ред. М. Л. Бернштейна. — М.: Металлургия, 1983.
• Технические данные производителей (Schaeffler, SKF, NSK).