ШХ15 (сталь)

ШХ15 — это марка легированной инструментальной стали, относящаяся к классу подшипниковых (шарикоподшипниковых) сталей. Основным легирующим элементом является хром (Cr) в количестве около 1,3–1,65 %, что обеспечивает материалу высокую твёрдость, износостойкость и контактную выносливость после термической обработки. Сталь ШХ15 широко применяется в машиностроении для изготовления тел качения (шариков, роликов, игл) и колец подшипников качения, а также для деталей, работающих в условиях высоких циклических нагрузок и трения.

История

Разработка хромистых подшипниковых сталей началась в конце XIX — начале XX века, когда с ростом скоростей и нагрузок в машиностроении потребовались материалы, способные выдерживать длительную работу в условиях точечного контакта. В СССР в 1930-х годах была создана система стандартизации марок сталей, и в 1940-х годах утверждён ГОСТ 801-47, регламентирующий состав и свойства стали ШХ15. Название расшифровывается как «Шарикоподшипниковая Хромистая 15» (цифра 15 указывает на среднее содержание хрома в десятых долях процента — около 1,5 %). Впоследствии марка стала базовой для подшипниковой отрасли в СССР и странах СНГ, а её модификации (ШХ15СГ, ШХ20) использовались для особых условий.

Химический состав и классификация

Химический состав стали ШХ15 регламентируется ГОСТ 801-78 (действующая редакция) и включает следующие основные элементы (в массовых процентах):

Высокое содержание углерода (около 1 %) обеспечивает возможность получения высокой твёрдости (до 60–66 HRC) после закалки и низкого отпуска. Хром повышает прокаливаемость, твёрдость и износостойкость, а также улучшает коррозионную стойкость в слабоагрессивных средах. Кремний и марганец вводятся как раскислители и упрочнители.

По структуре сталь ШХ15 относится к заэвтектоидным (содержание углерода выше 0,8 %), что после отжига приводит к образованию перлитной структуры с избыточными карбидами хрома. В зависимости от степени чистоты по неметаллическим включениям (оксиды, сульфиды, силикаты) сталь делится на категории: обыкновенного качества, повышенной чистоты (ШХ15-Ш) и особо высокой чистоты (ШХ15-ВШ, выплавленная вакуумно-шлаковым переплавом).

Технологические свойства и термическая обработка

Механические свойства в исходном состоянии (отожжённом)

• Твёрдость: 170–207 HB.
• Предел прочности при растяжении: 600–700 МПа.
• Относительное удлинение: 15–25 %.

Термическая обработка

Основной режим термообработки для достижения эксплуатационных свойств включает:

1. Отжиг (смягчающий) — нагрев до 780–800 °C, медленное охлаждение с печью. Цель — снижение твёрдости для облегчения механической обработки.
2. Закалка — нагрев до 830–860 °C (в зависимости от толщины детали), выдержка, охлаждение в масле или воде (для крупных сечений). После закалки структура состоит из мартенсита и остаточного аустенита.
3. Низкий отпуск — нагрев до 150–180 °C, выдержка 1–3 часа. Снимает внутренние напряжения, превращает остаточный аустенит в мартенсит, повышает твёрдость до 60–66 HRC.

Для улучшения вязкости и снижения хрупкости может применяться изотермическая закалка (ступенчатая) с выдержкой в среде с температурой 200–250 °C.

Обрабатываемость резанием

В отожжённом состоянии сталь ШХ15 удовлетворительно обрабатывается резанием (точение, фрезерование, сверление). После закалки обработка возможна только шлифованием, абразивными инструментами или электроэрозионным методом.

Применение

Основные области применения стали ШХ15:

• Подшипники качения — шарики, ролики, кольца подшипников всех типов (радиальных, упорных, конических). Детали работают в условиях высоких контактных напряжений (до 3000–5000 МПа) и циклических нагрузок.
• Инструмент — штампы холодного деформирования (вырубные, гибочные), пуансоны, матрицы, калибры, резьбонакатные ролики.
• Детали машин — плунжеры, клапаны, наконечники, оси, втулки, работающие в условиях трения без смазки или с ограниченной смазкой.
• Медицинское оборудование — хирургические инструменты (скальпели, иглы), детали эндопротезов (после дополнительной обработки).
• Электротехника — магнитопроводы реле и контакторов (в виде тонких листов после отжига).

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая твёрдость и износостойкость после термообработки.
• Хорошая прокаливаемость (до 30–40 мм в сечении).
• Устойчивость к контактной усталости.
• Относительно низкая стоимость по сравнению с легированными сталями (например, с быстрорежущими).
• Хорошая шлифуемость.

Недостатки

• Низкая ударная вязкость в закалённом состоянии (склонность к хрупкому разрушению при ударных нагрузках).
• Склонность к образованию трещин при резких перепадах температур (необходим медленный нагрев и охлаждение).
• Плохая свариваемость (сварка возможна только с предварительным подогревом и последующим отпуском).
• Ограниченная коррозионная стойкость (требуется защита от влаги и агрессивных сред).

Модификации и аналоги

Модификации по ГОСТ 801-78

• ШХ15СГ — с повышенным содержанием кремния (до 0,55–0,85 %) и марганца (до 0,70–1,00 %). Улучшенная прокаливаемость для крупных подшипников (диаметром более 100 мм).
• ШХ20 — с содержанием хрома до 2,0–2,5 %. Повышенная твёрдость и износостойкость, но сниженная вязкость.

Зарубежные аналоги

• AISI 52100 (США) — полный аналог по химическому составу и свойствам.
• 100Cr6 (DIN, Германия) — стандарт EN ISO 683-17.
• SUJ2 (JIS, Япония).
• GCr15 (GB, Китай).

Контроль качества и стандартизация

Производство стали ШХ15 регламентируется ГОСТ 801-78 «Сталь подшипниковая. Технические условия» и ГОСТ 4727-77 «Прутки и полосы из подшипниковой стали». Контроль включает:

• Химический анализ (спектральный или титриметрический).
• Определение макро- и микроструктуры (балл карбидной сетки, величина зерна).
• Оценка неметаллических включений (оксиды, сульфиды, силикаты) по шкалам ГОСТ 1778-70.
• Испытания на твёрдость, прокаливаемость (торцевая закалка по ГОСТ 5657-69).
• Магнитный контроль (для выявления трещин и поверхностных дефектов).

Интересные факты

• Сталь ШХ15 используется в качестве эталонного материала для калибровки твёрдомеров (образцы с известной твёрдостью).
• Из-за высокой твёрдости и износостойкости ШХ15 применяется в производстве шариков для шариковых ручек (массовое производство).
• В 1960-х годах в СССР были разработаны технологии вакуумно-дугового переплава (ВДП) и электрошлакового переплава (ЭШП) для получения стали ШХ15-ВШ с минимальным содержанием неметаллических включений, что позволило увеличить ресурс подшипников в 2–3 раза.

Источники

1. ГОСТ 801-78 «Сталь подшипниковая. Технические условия».
2. ГОСТ 4727-77 «Прутки и полосы из подшипниковой стали».
3. Арзамасов Б. Н., Макарова В. И., Мухин Г. Г. и др. «Материаловедение» — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008.
4. Геллер Ю. А. «Инструментальные стали» — М.: Металлургия, 1983.
5. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. «Материаловедение» — М.: Машиностроение, 1990.
6. EN ISO 683-17:2014 «Heat-treatable steels, alloy steels and free-cutting steels — Part 17: Ball and roller bearing steels».