шарикоподшипниковой стали за последние годы.

Подшипниковые стали выплавляют ещё с начала 20-го века (первой была сталь шх15, широко используемая и в настоящее время), и за это время в этой области было произведено множество исследований и экспериментов, направленных как на поиск закономерностей влияния химического состава, содержания и типа неметаллических включений, микро- и макроструктуры, так и на выявление зависимости качества готовых подшипников от способа их производства.

Среди металлургов и работников подшипниковой промышленности нет единого мнения о долевом влиянии технологических, конструктивных и металлургических факторов на долговечность подшипников, поскольку в большинстве исследований вопросы повышения качества подшипниковой стали решались в основном с точки зрения удовлетворения требований существующих стандартов без достаточной проверки связи между этими требованиями и долговечностью подшипников. Расхождение во мнениях объясняется тем, что испытание подшипников – это многофакторный эксперимент и очень трудно выделить влияние одного из действующих факторов. [8]

Разные исследователи по-разному оценивают уровень влияния различных факторов на качество подшипников.

Так, например, в совместной работе Первого государственного подшипникового завода (ПГПЗ) и запорожского машиностроительного института было установлено, что долговечность L₉₀ подшипников типа 76210 шведской фирмы СКФ в 6 раз превосходит аналогичный показатель отечественных, австрийских и итальянских подшипников.

В то же время совместными исследованиями ВНИШ и УкрНИИспецстали по испытанию подшипников, изготовленных из металла шведской фирмы СКФ и отечественного производства по существующей на подшипниковых заводах технологии, установлено, что долговечность (L₉₀) подшипников типа 76210 из шведской стали выше, чем из отечественной (завода «Днепроспецсталь»), всего на 30-45%.

Исследование подшипников после стендовых испытаний позволило сделать вывод, что качество металла отечественного производства и шведской фирмы СКФ по многим показателям одинаково.

Анализ результатов испытаний подшипников позволил сделать вывод, что влияние конструктивных параметров и технологических факторов (чистота поверхности, точность сборки, гранность тел качения и т.д.) значительно выше, чем влияние металлургического качества металла, в том числе природы и количества неметаллических включений. Высказанное положение может быть также подтверждено результатами испытаний долговечности различных типов подшипников, приведенных В.П. Жевтуновым (ВНИПП) на Всесоюзной конференции по подшипниковым сталям в г. Запорожье (1974г.). [8]

По мнению А. Кравчика (Польша), основным критерием оценки качества материала подшипников является усталостная контактная прочность, которая отражает стойкость материала против возникновения поверхностного выкрошивания “питтинг” на рабочих поверхностях подшипников. Механизм возникновения этих выкрошиваний является предметом противоречивых гипотез. По вопросу же о причинах, вызывающих наступление усталостного износа в случае усталости качения, как и при других видах усталостной прочности, вредное влияние оказывают разного рода неоднородности и несплошности материала, которые, выполняя роль концентраторов напряжений, вызывают их неравномерное распределение в соседних микрообластях, что ведёт к ускоренному разрушению материала. [9] Т.е. более важным он считает качество металла, из которого изготовлен подшипник.

Наряду с технологией выплавки одним из важнейших факторов, влияющих на макроструктуру и степень чистоты стали, является масса слитка. Разливку изложницы производят только сифонным способом. Масса слитка сталей ШХ15 и ШХ4 колеблется от 0,6 до 5,2 т, а сталей типа ШХ15СГ – от0,6 до3,8 т. По данным других источников, во всех странах используют слитки массой 2-5 т. Увеличение массы слитков до 5-6 т, вызванное стремлением интенсифицировать процесс разливки при увеличении ёмкости печей, ухудшает макроструктуру стали, степень её загрязнения. Очень малая масса слитка (0,5-1,0 т) не позволяет полностью устранить дендритную ликвацию и выровнять химическую неоднородность вследствие недостаточного обжатия при получении крупных заготовок.[1]

Очень перспективным направлением в этом плане является внедрение машин непрерывного литья заготовок. В этом случае, особенно при использовании метода «плавка на плавку», т.е. в случае, если сталеплавильные агрегаты имеют большую ёмкость и производительность, на предприятии можно ожидать существенного увеличения производительности, особенно за счёт уменьшения потерь с литниками и уменьшения количества дефектов в заготовках.

Существенного улучшения технико-экономических показателей производства можно добиться путём широкого применения и дальнейшего совершенствования методов и средств неразрушающего контроля качества заготовок и готовых изделий.

Одним из существенных элементов современной прогрессивной технологи производства подшипниковых сталей является широкое применение неразрушающих испытаний, которые придают выходному контролю высокую надёжность и обеспечивают полную и непрерывную информацию о качестве продукции в процессе её изготовления. Благодаря этому появляется возможность своевременно корректировать технологические процессы и поддерживать на заданном уровне показатели качества.

Основная область применения неразрушающих испытаний качества проката подшипниковых сталей – проверка макроструктуры, дефектов поверхности и изменений химического состава в поверхностных слоях.

Проверка качества этими методами носит в настоящее время дополнительный характер. И внедрение неразрушающих методов контроля в качестве основных, а также разработка более эффективных и прогрессивных технологий контроля, является в настоящее время одним из основных путей совершенствования производства подшипниковой стали как за рубежом, так и на Украине. Так в проект новых ГОСТов на подшипниковую сталь уже включены ультразвуковые методы контроля.

В настоящее время проводятся работы по создания критериев оценки качества при автоматизированном 100-%-ном неразрушающем контроле качества поверхности калиброванной стали. [8]

Следует также упомянуть высокие технико-экономические показатели, получаемые предприятиями при внедрении вакуумшлакового рафинирования металла. В стали, обработанной на промышленной УВСШ (установка рафинирования в столбе шлака), содержание кислорода ниже, чем в металле, обработанном синтетическим шлаком, в 2 раза (до 0,002% и менее), серы – в 2 раза (до 0,003% и менее), водорода в 1-1,5 раза (до 2,5-3,0см³/100г). Количество неметаллических включений после обработки шлаком рационального состава на УВСШ снижается в 3-5 раз по сравнению с металлом, обработанным по другим технологиям.

Эффективность использования способа вакуумирования стали с обработкой в столбе шлака определяется соотношением дополнительных затрат в металлургии, связанных с внедрением способа. И экономического эффекта от замены у потребителей металла обычной выплавки металлом, выплавленным с вакуумшлаковой обработкой.

Непосредственно на металлургическом заводе экономический эффект может быть получен за счёт увеличения производительности печей, доплат за качество металла, а также за счёт сокращения или устранения противофлокенной обработки проката. Народно-хозяйственный эффект же выразится главным образом в увеличении долговечности подшипников.

Сравнивая данные о стоимости внепечной обработки стали при использовании различных способов рафинирования (рисунок 2), можно сделать вывод о том. Что при достижении проектной производительности УВСШ удорожание металла не будет значительно превышать стоимость обработки на установках RH и DH и будет значительно ниже, чем при использовании способа ASEA-SKF (слив металла в ковш, вакуумная дегазация, электромагнитное перемешивание, дополнительный подогрев металла дугой и слив). В то же время способ ВСШ, как ни один из известных способов внепечной обработки, позволяет за короткое время комплексно решать проблему рафинирования стали, осуществляя её десульфурацию, раскисление, дегазацию и очищение от неметаллических включений. При соответствующем конструктивном оформлении установка ВСШ не сложнее в работе, чем установки типа RH и DH, а тепловые потери металла могут быть такими же, как на установках указанного типа.

Использование способа ВСШ для обработки конструкционных сталей других марок также может быть весьма эффективно, так как именно на этих сталях важно провести весь комплекс рафинирования металла от серы, газов и неметаллических включений, позволяющий значительно повысить механические и служебные свойства сталей, уменьшить металлоёмкость деталей машин и конструкций. Реализация процесса обработки стали в вакууме в столбе шлака позволит достигнуть качественно нового уровня свойств металла.

Рисунок 2 – Изменение затрат на вакуумную обработку в зависимости от количества обрабатываемого металла и применяемых способов обработки: 1-6 – способы вакуумирования: 1 – при обычной разливке, 2 – в ковше, 3- RH и DH, 4 – Финкл, 5 – ASEA-SKF, 6 – ВСШ

        Следует отметить, что возможности способа вакуумшлакового рафинирования не ограничиваются только стандартным вариантом обработки. Большие преимущества могут быть получены также при совмещении данного способа рафинирования с горизонтальными и радиальными МНЛЗ, с модифицированием металла редкоземельными и щелочноземельными металлами, при работе установки ВСШ в комплексе со сталеплавильными агрегатами (конвертор, САНД), обладающими повышенной производительностью. Снабжение установки приспособлением для подогрева металла в процессе или после обработки позволит вывести вакуумшлаковое рафинирование по эффективности на один уровень с дорогостоящим способом ASEA-SKF при значительно меньших затратах. [10]

Многие исследования, проводимые в настоящее время, направлены уже даже не на совершенствование существующих технологий, а на разработку совершенно новых. Так в Японии находит ограниченное применение труднообрабатываемая жаропрочная быстрорежущая сталь SKH4A (18%W, 4%Cr, 1%Vn, 10%Co). [1] В США в последние годы создан новый жаропрочный материал для подшипников из нитрида кремния, долговечность которого на 300-800% выше долговечности обычных подшипниковых материалов, работающих в условиях высоких температур и в коррозионных средах. Исследования, выполненные в Америке, показали, что нитрид кремния, спрессованный в горячем состоянии, обеспечивает долговечность 5,7 вместо 1,8 млн. циклов в случае быстрорежущей инструментальной стали вакуумного переплава. Подшипник из нитрида кремния успешно работал при 900⁰С и скорости вращения вала 30 000 об/мин. [7]

В конечном итоге, в настоящее время очень важным для подшипниковой промышленности является максимальное объединение усилий учёных и технологов различных отраслей: химиков, физиков, металлургов, конструкторов, и в первую очередь экономистов, как нашего государства, так и других стран для обеспечения неуклонного роста производства и дальнейшего развития технологии производства недорогих, и самое главное высококачественных и долговечных подшипников, как металлических, так и на основе композиционных материалов, и, в будущем, создания практически вечных подшипников, срок службы которых будет измеряться не десятками лет, а столетиями.

4. Выбор и рекомендации по использованию новых прогрессивных разработок в технологии выплавки шарикоподшипниковых сталей.

Постоянно растущие требования к качеству стали могут сыть удовлетворены лишь при производстве металла с низкими содержаниями серы, кислорода, водорода и неметаллических включений. Но это связано со значительными трудностями: лишь способ обработки, получивший название ASEA-SKF (по названию двух разработавших его шведских фирм), позволяет комплексно рафинировать сталь, но это весьма дорогой и трудоемкий процесс.

УкрНИИспецсталью совместно с заводом «Днепроспецсталь» и другими организациями разработаны способ и устройства для вакуумирования стали с одновременной обработкой в столбе синтетического шлака (УВСШ). Способ позволяет вакуумировать сталь в широком диапазоне, сочетая преимущества процессов вакуумирования и обработки металла синтетическим шлаком при сравнительно невысоких затратах.

Сущность способа состоит в следующем: металл, выплавленный в сталеплавильном агрегате, подвергается вакуумированию в струе, а затем рафинируется в шлаке, проходя через столб шлакового расплава высотой свыше 3м. Столб шлака формируется за счёт разности атмосферного и остаточного давления в вакуумной камере. Количество шлака определяется барометрической высотой и поперечным сечением шлакового столба. Схема выплавки металла с вакуумшлаковой обработкой приведена на рисунке 3.

Следуя схеме, металл из сталеплавильного агрегата поступает в передаточный ковш, который устанавливается на вакуум-камеру, после чего начинается донный выпуск с дегазацией металла в струе. Распылённый металл стекает на дно вакуум-камеры и попадает в шлаковый рукав, заполненный шлаком, и, спускаясь сквозь слой шлака вниз, рафинируется. В вакуумную камеру шлак поступает из приёмного ковша шлакоплавильной печи. Под шлаковым рукавом располагается приёмный ковш, из которого металл поступает непосредственно на разливку, которая производится либо в изложницы, либо, что предпочтительнее, в машину непрерывного литья заготовок.

Рисунок 3 – Схема способа вакуумирования с обработкой в столбе          шлака: 1- сталеплавильная печь, 2 - передаточный ковш с исходным металлом, 3 - вакуумная камера, 4 – шлаковый рукав, 5 – столб жидкого шлака, 6 – приёмный ковш с синтетическим шлаком, 7- шлакоплавильная печь, 8- изложницы, 9- МНЛЗ.

Как было установлено проведенными исследованиями, способ вакуумирования с одновременной обработкой в столбе шлака имеет ряд кинетических преимуществ перед другими способами обработки. Так, при вакуумировании наряду с дегазацией в струе наблюдается плёночное, капельное, или в виде мелких струй течение металла по стенкам и коническому днищу вакуумной камеры, что повышает эффективность дегазации. При движении металла через столб шлака происходит образование шлакометаллической эмульсии, в которой дисперсная фаза – металл – имеет размеры частиц в пределах 0,05-1,0 см, а максимальная масса капель имеет фракции размером 0,3-0,6 см.

Поверхность контакта металла со шлаком в процессе обработки в столбе шлака составляет более 300 м²/т стали, что на много превышает аналогичный показатель для обработки синтетическим шлаком в ковше.

Обработку в столбе шлака можно охарактеризовать как взаимодействие фаз при противотоке в случае, когда скорость движения одной из фаз (в данном случае шлака) близка к нулю. Поэтому эффективность удаления растворимых примесей из металла при обработке в столбе шлака выше, чем при традиционном перемешивании фаз в объёме (например, при обработке синтетическим шлаком в ковше). Повышению эффективности рафинирования способствует также тот факт, что металл после обработки не контактирует с загрязнённым шлаком, чем затрудняется обратный переход примесей из шлака в металл.

На установке завода «Днепроспецсталь» обрабатывали подшипниковую сталь. Её выплавляли в 60-т печах переплавом отходов с продувкой кислородом, шлак в период доводки не раскисляли и перед выпуском металла из печи не удаляли. Все проведенные эксперименты и анализы плавок дали положительные результаты. [10]

Экономический и народнохозяйственный эффекты применения данной технологии приведены выше.

Учитывая все преимущества данной технологии перед остальными, можно считать, что в данный момент она является наиболее передовой и перспективной, а значит, следует предпринять все необходимые меры для быстрого и эффективного внедрения данной технологии на крупных промышленных предприятиях Украины, что позволит им успешно конкурировать с зарубежными металлургическими предприятиями, такими, например, как ASEA-SKF.

Выводы.

Проанализировав весь рассмотренный материал можно сделать следующие выводы:

1. Необходимо совершенствование критериев оценки качества металла и готовых изделий, а также повсеместное применение неразрушающих методов контроля.

2. Необходимо разработать и применять единую методику для оценки эксплуатационных свойств подшипниковых сталей, согласованную между представителями металлургической и подшипниковой промышленности.

3. Сортамент существующих подшипниковых сталей целесообразно совершенствовать путём введения в стандарт новых марок с молибденом и ванадием.

4. Наиболее перспективными в плане повышения качества стали в настоящее время являются специальные способы производства (ЭШП, ВДП, ЭЛП, ВСШ и др.).

5. Самой прогрессивной технологией, обладающей наилучшим соотношением цена-качество является способ вакуумирования металла в столбе жидкого шлака.

                Перечень ссылок.

1. Структура и свойства подшипниковых сталей / Спектор А.Г., Зельбет Б.П., Киселёва С.А. – М.: «Металлургия», 1980г. – 264с.

2. Электрометаллургия стали и ферросплавов / Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Рысс М.А., Строганов А.И., Ярцев М.А. – Учебник для вузов. Изд. 2-е, переработ. И доп. – М.: «Металлургия», 1984г. – 568с.

3. Сборник технологических инструкций по выплавке стали в основных дуговых электропечах: [Сборник] / Министерство металлургии СССР, завод «Днепроспецсталь» - Запорожье, Типография издательства «Коммунар», 1977г. -480с.

4. Машиностроительные стали. Изд. 2-е., переработанное и дополненное / Журавлев В.Н., Николаева О.И., - М.: «Машиностроение», 1968г.-332с.

5. Шепеляковский К.З., Фонштейн Н.М., Девяткин В.П. и др. – МиТОМ, 1976, №5, с. 40-44.

6. Повышение качества и улучшение сортамента подшипниковой стали в странах-членах СЭВ–М.: Ин-т «Черметинформация».1979г., ч.1, с.27-37.

7. Mullins Peter J. – IAMI, 1972, v. 11,№ 11, p.25-29.

8. Повышение качества и улучшение сортамента подшипниковой стали в странах-членах СЭВ–М.: Ин-т «Черметинформация».1979г.,ч.1, с. 3-26.

9. Повышение качества и улучшение сортамента подшипниковой стали в странах-членах СЭВ–М.: Ин-т «Черметинформация».1979г.,ч.1, с. 38-47.

10. Повышение качества и улучшение сортамента подшипниковой стали в странах-членах СЭВ–М.: Ин-т «Черметинформация».1979г.,ч.1,с.92-102.

11. Руководство по оформлению курсовых, дипломных работ и проектов / В.В. Лебедев, В.В Беренда, А.Я. Жук.- Запорожье, ЗГИА, 1999 – 18с.

12. Методические указания к выполнению курсовой работы по курсу «Технология производства специальных сталей и сплавов» / С.А. Воденников.- Запорожье, ЗГИА, 2002 – 8с.