Введение

Разработка теплостойких сталей для авиационных подшипников – одна из важнейших задач современного материаловедения. Во ФГУП «ВИАМ» исследования по разработке составов, технологий производства полуфабрикатов и термической обработки теплостойких подшипниковых сталей проводятся в рамках «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [1–4].

В авиационной технике подшипники работают в сложных условиях. В зоне контакта тел качения и колец подшипников в результате многократно повторяющегося нагружения возникают высокие контактные нагрузки, приводящие к интенсивному изнашиванию. Кроме того, детали испытывают знакопеременные и ударно-вибрационные нагрузки, воздействие коррозионных сред и повышенных температур. Для обеспечения высокой работоспособности и надежности авиационных подшипников, стали, из которых изготавливаются тела качения и кольца, должны иметь:

– высокую прочность и сопротивление пластической деформации;

– высокую износостойкость, которая определяется твердостью, а также количеством и формой специальных карбидов;

– высокое контактное сопротивление усталости, которое зависит от микроструктуры стали и карбидной однородности;

– размерную стабильность;

– хорошую прокаливаемость [5–7].

Подшипниковые стали классифицируются по условиям работы. Различают стали общего назначения, используемые для изготовления деталей подшипников, работающих при температурах от -60 до +300°С в неагрессивных средах, и стали специального назначения для изготовления теплостойких и коррозионностойких подшипников [8].

Опыт изготовления полуфабрикатов из подшипниковых сталей показывает, что для получения повышенного комплекса механических свойств необходимо:

– использование металла высокого качества по газонасыщенности (N₂, O₂, Н₂), чистоте по неметаллическим включениям, отсутствию вредных примесей (As, Pb, Sn), в связи с чем выплавка сталей должна проводиться с применением вакуумных технологий;

– при горячем переделе металла степень его деформации (проработки) должна быть максимально возможной;

– термическая обработка деталей подшипников должна проводиться на специализированном оборудовании, обеспечивающем точное поддержание температуры и исключающем обезуглероживание поверхности.

Для изготовления теплостойких подшипников, работающих в условиях смазки при температуре 200–300°С, а в экстремальных ситуациях – до 500°С, применяют дисперсионно-твердеющие стали, разработанные на основе инструментальных быстрорежущих сталей. За рубежом в основном применяется сталь марки М50, разработанная в США фирмой General Electric Company, которая по способу термической обработки относится к сталям с дисперсионно-карбидным упрочнением. Сталь марки М50 зарекомендовала себя как материал с высокой долговечностью, что объясняется однородностью структуры и отсутствием крупных карбидных включений, негативно влияющих на контактную выносливость. Химический состав стали М50 взят за основу для разработки теплостойких подшипниковых сталей и в других странах. Так, во Франции – это сталь марки 80DCV40, в Германии – марки 80МоCrV4216.

В России для изготовления теплостойких авиационных подшипников используют сталь ЭИ347 (8Х4В9Ф2-Ш), которая обладает высокой прочностью и хорошей твердостью (не ниже 56 HRC) при работе в условиях – до 500°С [8]. Однако в отличие от стали М50, сталь ЭИ347 имеет бо́льшую карбидную неоднородность, что объясняется присутствием в ее составе вольфрама, образующего крупные скопления нерастворимых при нагревах (вплоть до температур плавления) карбидов, которые являются очагами выкрашивания рабочей поверхности подшипников в процессе эксплуатации. Кроме того, крупные сегрегации нерастворимых карбидов при производстве полуфабрикатов из стали ЭИ347 существенно усложняют процесс ковки и исключают прокатку.

Химический состав сталей, чаще всего применяемых для изготовления деталей подшипников, представлен в табл. 1 [8].

Таблица 1

Химический состав сталей для изготовления подшипников качения

Следует отметить, что за рубежом, несмотря на разнообразие разработанных подшипниковых сталей, основным материалом для изготовления авиационных подшипников является сталь М50 и цементуемая сталь марки М50Nil.

Для производства конкурентоспособных теплостойких отечественных подшипников во ФГУП «ВИАМ» создана новая теплостойкая подшипниковая сталь, не уступающая по свойствам стали М50 и превосходящая по карбидной однородности сталь ЭИ347. В табл. 2 приведены сравнительные свойства вышеперечисленных сталей.

Таблица 2

Сравнительные свойства теплостойких подшипниковых сталей

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 8.3. «Высокопрочные наноструктурированные конструкционные стали и диффузионные покрытия, получаемые методами химико-термической обработки» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Материалы и методы

Для исследования механических свойств и микроструктуры новой стали использовали образцы, изготовленные из слитков, поковок (заготовок) и прутков в состоянии до и после термической обработки. Определение химического состава стали проводили в соответствии с ГОСТ Р 55079–2012, ГОСТ 12344–2003 и ГОСТ 12345–2001 на оборудовании фирмы Leco. Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе Olympus GX-51, оснащенном фотокамерой и программой анализа изображений Analysis в соответствии с ГОСТ 8233–56, ГОСТ 1778–70, ГОСТ 5950–2000 и ГОСТ 5639–82 на металлографических шлифах после травления в 4%-ном спиртовом растворе HNO₃. Измерение твердости осуществляли на твердомере DuraVision 300 по ГОСТ 9013–59 по методу Роквелла, определение механических свойств – в соответствии с ГОСТ 1497–84, ГОСТ 9454–78 и ГОСТ 25.502–79 на испытательном оборудовании фирмы Walter+Bai.

Результаты и обсуждение

Состав новой теплостойкой подшипниковой стали разработан на основании опыта ФГУП «ВИАМ» по созданию теплостойких дисперсионно-твердеющих цементуемых сталей и изучения тенденций легирования теплостойких подшипниковых сталей.

Выбрана система легирования, повышающая технологичность стали при пластической деформации и упрочнении. При высоком содержании углерода варьировали содержание основных карбидообразующих элементов: Cr, Mo, W, V, обеспечивающих вторичную твердость стали при отпуске.

Эффект упрочнения при вторичном твердении обусловлен выделением дисперсных карбидов, таких как Ме₇С₃, Ме₂₃С₆ (на базе хрома), Ме₂С (молибдена) и МеС (ванадия), а также основного карбида теплостойких сталей М₆С (на базе вольфрама и молибдена). Карбид М₆С, в котором присутствуют вольфрам и молибден одновременно, в отличие от карбида, где присутствует только вольфрам, имеет меньшие размеры и растворяется при более низких температурах, что благоприятно для снижения балла карбидной неоднородности [8]. В связи с этим при выборе системы легирования в состав стали вводили молибден и вольфрам в различных соотношениях. Для обеспечения мелкозернистой структуры в сталь вводили также ниобий и тантал, которые образуют устойчивые карбиды (NbC, TaC), практически не растворимые в аустените, и являются дополнительными центрами кристаллизации, сдерживающими рост зерна при нагреве под закалку, что положительно влияет на сопротивление хрупкому разрушению и одновременно способствует упрочнению.

Определили также влияние некарбидообразующих элементов (Ni, Mn и Si) на процессы упрочнения и технологичность стали. Никель увеличивает устойчивость аустенита, из которого при отпуске выделяются субмелкодисперсные спецкарбиды, но при содержании ˃0,4% (по массе) никель затрудняет получение при отжиге твердости ≤30 HRC, необходимой для дальнейшей механической обработки полуфабрикатов.

Марганец и кремний использовали как раскислители. Кроме того, кремний вводился как элемент, оказывающий положительное влияние на повышение твердости при дисперсионном твердении в процессе отпуска. Однако его содержание было ограничено, так как известно, что при содержании ˃0,5% (по массе) кремний затрудняет горячую пластическую деформацию, препятствует росту карбидов при отпуске и сдвигает процессы отпуска в сторону более высоких температур.

Содержание углерода варьировали в пределах от 0,7 до 1,0% (по массе). Исследования показали, что количество углерода ˃0,85% (по массе) недопустимо, поскольку в литой микроструктуре слитков обнаружены зернограничные фрагменты эвтектической кристаллизации карбидов. Наличие таких структурных составляющих нежелательно, так как они нерастворимы при нагреве до температуры ковки и тем более до температуры нагрева под закалку.

Выбранная система легирования позволила длительно обеспечить теплостойкость новой стали до 500°С (твердость 61–63 HRC). Необходимо отметить, что разработанная сталь содержит значительно меньшее количество дорогого легирующего элемента вольфрама в сравнении с российским аналогом – сталью ЭИ347 (1 вместо 9% (по массе)), и на 1% (по массе) меньше молибдена, чем зарубежный аналог – сталь М50.

В виду того, что работоспособность подшипников определяет сопротивление усталости материалов в зоне контакта элементов качения, при разработке технологии изготовления полуфабрикатов большое внимание уделено обеспечению чистоты металла по неметаллическим включениям (особенно сульфидным и оксидным) и карбидной неоднородности: сетке карбидов, строчечным включениям, наличию угловатых карбидов. При наличии большого количества вышеперечисленных включений в процессе передела полуфабрикатов и термической обработки изделий, вследствие различия температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) металла и включений, возникают микронапряжения противоположных знаков. При деформационных нагрузках (прокатка, ковка, знакопеременные нагрузки в процессе эксплуатации) неметаллические включения выступают в качестве концентраторов напряжений, а также являются барьером, где скапливаются дислокации. Эти скопления могут стать началом трещин и последующего контактно-усталостного разрушения подшипника [9–11].

Для обеспечения чистоты металла выплавку стали проводили в вакуумно-индукционной печи с последующим вакуумно-дуговым переплавом. В результате чего достигнуто существенное уменьшение загрязненности металла неметаллическими включениями (до 1 балла по ГОСТ 1778–70).

Исследования карбидной неоднородности полуфабрикатов выбранного состава из новой подшипниковой стали проводили на продольных микрошлифах после термической обработки (закалки и высокого отпуска). Как видно из рис. 1, карбиды в прутках из новой стали диаметром 100 мм располагаются в виде узких полос с остатками сильнодеформированной разорванной сетки, что соответствует 5–6 баллу шкалы ГОСТ 5950–2000. Карбиды внутри полос раздробленные. Увеличение степени обжатия при горячей пластической деформации стали с получением прутков диаметром 55 мм снижает карбидную неоднородность стали до 2–3 балла. Карбиды располагаются в направлении прокатки в виде разорванных полос. В прутках диаметром 10 мм карбидная фаза располагается равномерно и соответствует 1 баллу. Угловатые карбиды не обнаружены ни в одном сорте. Таким образом, с увеличением диаметра проката повышается балл карбидной неоднородности, что объясняется меньшим обжатием слитка.

Рис. 1. Карбидная неоднородность (×100) прутков из новой подшипниковой стали диаметром 10 (а), 55 (б) и 100 мм (в)

В связи с этим, помимо оптимизации состава подшипниковой стали, одним из эффективных методов уменьшения карбидной неоднородности является применение для изготовления полуфабрикатов из подшипниковой стали слитков большой массы, поскольку для стали, используемой в виде полуфабрикатов крупного профиля, необходимо достичь степени деформации, достаточной для существенного улучшения условий распределения карбидов. Однако увеличение массы слитка усиливает ликвацию и центральную пористость, поэтому это целесообразно до определенных пределов [9, 12]. На основании проведенного анализа и опыта работы для получения прутков новой теплостойкой подшипниковой стали диаметром до 100 мм с минимальной карбидной неоднородностью выбрана оптимальная масса слитка 600–700 кг.

Сравнение полуфабрикатов из новой стали с полуфабрикатами того же размера из стали ЭИ347 показывает, что распределение карбидной фазы выгодно отличается по строению, количеству и характеру расположения карбидов от распределения карбидной фазы в стали ЭИ347. Так, в структуре прутков из стали ЭИ347 диаметром 100 мм наблюдается деформированная сетка эвтектических карбидов со скоплениями, разорванная в отдельных местах, что соответствует 7–8 баллу по шкале ГОСТ 5950–2000, аналогичный полуфабрикат из новой стали имеет 5–6 балл (рис. 2). Кроме того, в стали ЭИ347, вследствие присутствия в составе повышенного количества вольфрама (9% (по массе)), размер карбидных включений превосходит размер карбидов в новой стали. В микроструктуре стали ЭИ347 присутствуют крупные карбиды угловатой формы, которые снижают контактную долговечность материала. В составе разработанной стали карбиды угловатой формы отсутствуют по причине того, что часть вольфрама заменена на молибден. Молибден и вольфрам замещают друг друга в карбиде в соотношении, равном их содержанию в стали. Такие карбиды обладают значительно меньшей способностью к образованию угловатой формы. Кроме того, имеют меньшие размеры и растворяются при более низких температурах [9].

Рис. 2. Карбидная неоднородность (×100) прутков из стали ЭИ347 диаметром 100 мм

Рис. 3. Микроструктура (×500) образцов прутков диаметром 55 мм из новой подшипниковой стали после упрочняющей термической обработки

В технологию упрочнения теплостойкой стали для подшипников заложены процессы, протекающие при термической обработке быстрорежущих сталей, – это предельно возможное растворение карбидов при нагреве под закалку и перевод в твердый раствор (аустенит) углерода и карбидообразующих элементов. При последующих отпусках происходит выделение субмелкодисперсных карбидов по всему объему зерна, обеспечивающих дисперсионное твердение стали с повышением теплостойкости [9, 13, 14]. Таким образом, упрочняющая термическая обработка новой теплостойкой стали для подшипников обеспечивает в изделиях формирование равномерной мелкозернистой структуры (10 балл) мартенсита отпуска с избыточными карбидами (рис. 3), при которой достигаются высокие значения предела прочности при растяжении σ_в=2270–2340 МПа, твердости 61–63 HRC и теплостойкости 500°С. Содержание остаточного аустенита в микроструктуре стали составляет ≤2%, тем самым обеспечивается размерная стабильность, что особенно важно для подшипников, установленных в ответственных узлах изделия [15, 16].

Заключения

Во ФГУП «ВИАМ» разработана новая теплостойкая подшипниковая сталь, не уступающая по эксплуатационным характеристикам зарубежному аналогу марки М50 и превосходящая по карбидной однородности и технологичности при горячей пластической деформации отечественную сталь марки ЭИ347.

Применение новой теплостойкой подшипниковой стали для перспективных самолетов и вертолетов взамен стали ЭИ347 позволит повысить контактно-усталостную прочность, надежность и ресурс работы теплостойких подшипников путем повышения чистоты металла и снижения балла карбидной неоднородности. Кроме того, при производстве полуфабрикатов из стали наряду с ковкой возможно применять технологию раскатки, тем самым снизив трудоемкость производства.