CC BY
168
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ ПОДШИПНИКОВ Пугачева Татьяна Михайловна, доцент, к.т.н. ([email protected]) Кутуков Вячеслав Алексеевич, студент ([email protected]) Самарский государственный технический университет, Россия
В работе приведены результаты сравнительного анализа химического состава, микроструктуры и свойств сталей марок 8Х4В9Ф2-Ш и М 50 VIMVAR, которые наиболее широко используются для изготовления теплостойких подшипников авиационного назначения соответственно в России и за рубежом. Установлено, что основное отличие химического состава заключается в содержании вольфрама и молибдена. Установлено, что зарубежная сталь М50VIMVAR имеет меньшую карбидную неоднородность и существенно более низкую красностойкость, чем отечественная сталь 8Х4В9Ф2-Ш.
Ключевые слова: теплостойкая сталь, подшипники, химический состав, микроструктура, механические свойства, красностойкость.
Требования к эксплуатационным характеристикам авиационных подшипников и материалу их изготовления непрерывно возрастают [1-3]. В России для изготовления специальных подшипников наиболее широко используют сталь марки 8Х4В9Ф2-Ш,за рубежом сталь М50 VIM VAR.
Цель работы - провести сравнительный анализ химического состава, структуры, физико-механических свойств и красностойкости конкурирующих марок сталей.
Сравнение химического состава
Поскольку от теплостойких сталей требуется максимальная красностойкость, большинство из них содержит значительное количество вольфрама или молибдена, ванадия и в ряде случаев углерода. Исследование сталей различного уровня легированности показало, что контактная выносливость уменьшается с увеличением содержания легирующих элементов в связи с развитием ликвации, увеличением анизотропии свойств и размеров первичных (ледебуритных) карбидов, снижением вязкости [4].
В таблице 1 приведен химический состав сталей 8Х4В9Ф2-Ш и М50 VIM VAR. Основное отличие химических составов изучаемых сталей состоит в содержании вольфрама и молибдена.
С углеродом вольфрам образует более стойкие, чем молибден, карбиды, которые способствуют формированию более дисперсных выделений, а также повышают эффект дисперсионного твердения после закалки и высокого отпуска. Карбиды вольфрама в большей степени, чем карбиды молибдена, препятствуют росту зерна аустенита при нагревании, уменьшают чувствительность стали к перегреву, замедляют процессы при отпуске, повышают температуру нагрева под закалку.
Таблица 1- Химический состав теплостойких сталей
Марка Элемент, % мас
C Cr Mo W V Mn Si
8Х4В9Ф2-Ш ТУ 14-1-2244 0,7-0,80 4,0-4,6 <0,30 8,5-9,5 1,4-1,7 <0,4 <0,4
М50 VIM VAR (8Х4М4Ф1) AMS 6491 0,8-0,85 3,75-4,25 4,0-4,50 - 0,9-1,10 0,15-0,35 <0,25
Исследование микроструктуры
Основными операциями упрочняющей термической обработки теплостойких сталей является закалка с двух-трехкратными отпусками.
Нагрев под закалку (аустенитизация), с одной стороны, должен обеспечить достаточное растворение специальных карбидов и насыщение аусте-нита углеродом и легирующими элементами, а с другой стороны, не должен вызывать чрезмерного роста аустенитного зерна. Излишне крупное аустенитное зерно приводит к образованию после закалки крупноигольчатого мартенсита, повышенному содержанию остаточного аустенита и в конечном итоге к значительному ухудшению механических и эксплуатационных свойств [4-7].
У стали 8Х4В9Ф2-Ш удовлетворительная теплопрочность в результате отпуска достигается в случае закалки от температур 1200 °С, для стали М50 VIM VAR эта температура ниже на 50-70 °С [4-7].
Основное назначение отпуска теплопрочной стали - выделение дисперсных специальных карбидов и разложение остаточного аустенита для формирования высокого комплекса механических свойств [4-7].
Температура пика твердости теплостойких сталей находится в районе 550°С, высота пика зависит от температуры закалки. Отпуск при более высоких температурах, вызывает коагуляцию вторичных карбидов, приводит к снижению твёрдости, тем более интенсивному, чем ниже была температура закалки. При температуре отпуска выше 500 °С из остаточного аусте-нита выделяются карбиды, он обедняется углеродом и легирующими элементами, и при охлаждении он превращается в мартенсит. После однократного отпуска количество остаточного аустенита ещё достаточно велико, поэтому требуется ещё один цикл отпуск для разложения аустенита и дополнительный цикл для отпуска образовавшегося мартенсита [7-9].
Как показало наше исследование, формируемая после закалки и двухкратного отпуска структура в сталях М50 VIM VAR и 8Х4В9Ф2-Ш, идентична - это мелкозернистый мартенсит отпуска с избыточными карбида-ми(рисунок 1).
Рисунок 1- Микроструктура стали М 50 VIM-VAR (а) и стали8Х4В9Ф2-Ш
(б) после термической обработки
Распределение избыточных карбидов различается: у стали М50 VIM VAR карбидная неоднородностью меньше, у стали 8Х4В9Ф2-Ш - больше (рисунок 2).
Рисунок 2 - Карбидная неоднородность (балл 1по ГОСТ 5950) стали М 50
VIM-VAR
а б
Рисунок 3 - Карбидная неоднородность (а - балл 3, б - балл 4 поГОСТ
5950) стали 8Х4В9Ф2-Ш
Сравнение механических свойств
В таблице 2 приведены основные механические и физические свойства конкурирующих сталей [4,10,11].
Таблица 2 - Механические свойства теплостойких сталей
Уровень свойств
Наименование свойств 8Х4В9Ф2-Ш М50
(ЭИ347-Ш)
Твёрдость, ИЯС 59...65 60.65
Предел прочности ов, кгс/мм2 275...315 255.275
Ударная вязкость а, 3,5.5,8 11.14
кгс-м/см2
Плотность г /см3 8,3 7,8
Модуль упругости первого рода Е, кгс/мм2 2,1104 2,1 ■ 104
Контактная выносливость
N10 2,7 1,5
8,5 5,9
Как видно из таблицы, сталь ЭИ347 превосходит сталь М50 в пределе прочности и контактной выносливости, однако уступает в ударной вязкости.
Исследование красностойкости
Красностойкость является одним из определяющих свойств для теплостойких сталей. Красностойкость подшипниковых сталей определяютпо твердости после нагрева до температуры 620°С с выдержкой 4 часа и последующим охлаждением на воздухе (таблица 4).
Таблица 3 - Результаты исследования красностойкости
Марка стали Усредненная исходная твердость, HRC Усредненная твердость после нагрева, HRC Изменение твердости, лтс
М50 VIM-VAR 61,0 55,5 5,5
62,0 53,0 9,0
ЭИ-347-Ш 61,0 59,0 2,0
62,0 60,0 2,0
Нагрев при 620 °С в течение 4-х часов привел к существенному на 5,09,0 ИЯС понижению твердости стали М50 УГМ-УЛЕ.. В то же время твердость колец из стали 8Х4В9Ф2-Ш в таких же условиях снизилась лишь на 2,0 ИЯС. Соответственно сталь М50 обладает существенно более низкой красностойкостью.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследования было установлено: сталь 8Х4В9Ф2-Ш имеет большую прочность и красностойкость, а сталь М50 имеет большую вязкость и карбидную однородность.
Список литературы
1. Gloeckner, P. and Rodway, C. The Evolution of Reliability and Efficiency of Aerospace Bearing Systems. Engineering, 9, 962-991
2. Bhadeshia H.K.D.H. Steels for bearings Progress in Materials Science. Volume 57, Issue 2, February 2012, P 268-435
3. Pugacheva T.M. History of aviation bearing steels development and its treatment. Proceedings 26th IFHSE CONGRESS 2019. International Congress on Metal Science and Heat Treatment, Moscow: Metallurgizdat, 2019.-291-295 p.p.
4. Контер Л.Я. Стали для теплостойких подшипников. М:НИИНАвтопром, 1978,-78с.
5. Черменский О.Н. Подшипники качения. М: Машиностроение, 2003.- 575 с.
6. Зайцев А.М, Коросташевский Р.В. Авиационные подшипники качения, М: Обо-ронгиз, 1963.340 с.
7. Спришевский А.И. Подшипники качения. М: Машиностроение, 1969. - 632 с.
8. Спектор А.Г., Зельберт Б.М., Киселева С.А. Структура и свойства подшипниковых сталей. М: Металлургия, 1960.-264 с.
9. Воинов С.Г., Шалимов А.Г. Шарикоподшипниковая сталь М: ГНТИ,1962. 480 с.
10. Dongsheng Qian, Yuangeng He, Feng Wang, Yun Chen, Xiaohui Lu. Microstructure and Mechanical Properties of M50Steel by Combining Cold Rolling with Austempering, Wuhan: Wuhan University of Technology, 2020.-13 p.
11. https://www.techsteel.net/alloy/steel/m-50.
Pugacheva T.M., Associate Professor, Ph.D. (e-mail: [email protected]) Kutukov V. А. student ([email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia
STUDY OF THE HEATING INFLUENCE ON THE OXIDATION DEGREE AND HARDNESS OF SHKH15SG STEEL
Abstract. The paper presents the results of a comparative study of the chemical composition, microstructure and properties of steel grades 8X4V9F2-Sh and M 50 VIM VAR, which are most widely used for the manufacture of heat-resistant bearings for aviation purposes, respectively, in Russia and abroad.It is established that the main difference in chemical composition is the content of tungsten and molybdenum. It was established:t foreign steel M50VIMVAR has less carbide heterogeneity and significantly lower red resistance than domestic steel 8X4V9F2-Sh.
Key words: heat-resistant steel, bearings, chemical composition, microstructure, mechanical properties, red resistance.
