Подшипниковая сталь — марки, ГОСТ, состав, твердость, аналоги

Короткий ответ: подшипниковая сталь — это высокоуглеродистая хромистая сталь для колец, шариков и роликов подшипников качения. Основная марка в России — ШХ15 (≈1% углерода, 1,3–1,65% хрома), для крупногабаритных подшипников — ШХ15СГ, также применяются ШХ4 и ШХ20СГ. С 1 августа 2023 года действует ГОСТ 801-2022 «Прокат из подшипниковой стали» (взамен ГОСТ 801-78). Твердость после закалки и низкого отпуска — 61–65 HRC. Нержавеющие марки — 95Х18 и 110Х18М-ШД. Зарубежные аналоги ШХ15: GCr15 (Китай), 100Cr6 (Европа), SUJ2 (Япония), 52100 (США). В статье — маркировка, химический состав по маркам, термообработка, требования к чистоте металла и выбор стали для подшипниковых узлов.

Что такое подшипниковая сталь и почему к ней особые требования

Подшипниковая сталь — отдельный класс конструкционных сталей, предназначенный для изготовления колец, шариков и роликов подшипников качения. Условия работы этих деталей уникальны: в пятне контакта шарика с дорожкой качения возникают циклические контактные напряжения до 3000–4000 МПа — на порядок выше, чем в большинстве машиностроительных деталей. При этом контакт повторяется миллионы и миллиарды раз за срок службы.

Отсюда ключевые требования к подшипниковой стали:

• Высокая твердость — 61–65 HRC после термообработки, иначе дорожки качения быстро сминаются и изнашиваются.
• Контактная выносливость — сопротивление усталостному выкрашиванию (питтингу) при циклических нагрузках.
• Высокая чистота металла — неметаллические включения (оксиды, сульфиды) являются концентраторами напряжений и очагами зарождения усталостных трещин. Именно поэтому подшипниковую сталь выплавляют в электропечах с вакуумированием или методом электрошлакового переплава.
• Однородная структура — равномерное распределение карбидов, отсутствие карбидной ликвации, полосчатости и карбидной сетки.
• Размерная стабильность — детали подшипников шлифуются в микронных допусках, сталь не должна «вести» со временем.

Этим требованиям отвечают высокоуглеродистые хромистые стали со структурой мартенсита и равномерно распределённых мелких карбидов после закалки. Именно такой класс сталей и был стандартизован в России как «стали марок ШХ».

Маркировка подшипниковых сталей — расшифровка

Маркировка подшипниковых сталей по ГОСТ отличается от общей системы маркировки легированных сталей:

• Ш (первая буква) — сталь шарикоподшипниковая;
• Х — легирована хромом;
• Цифра после Х — среднее содержание хрома в десятых долях процента (а не в целых процентах, как у обычных легированных сталей). ШХ15 — это ≈1,5% хрома, ШХ4 — ≈0,4%;
• СГ — дополнительное легирование кремнием (С) и марганцем (Г);
• -Ш (в конце марки, через дефис) — электрошлаковый переплав: ШХ15-Ш, ШХ15СГ-Ш;
• -В — выплавка с вакуумированием;
• -ВД — вакуумно-дуговой переплав;
• -ШД — электрошлаковый переплав с последующим вакуумно-дуговым (например, 110Х18М-ШД).

Содержание углерода в маркировке ШХ-сталей не указывается — у всех марок группы оно составляет около 1%. Пример полной расшифровки: ШХ15СГ-Ш — шарикоподшипниковая сталь, ≈1,5% хрома, легирована кремнием и марганцем, электрошлакового переплава.

ГОСТ на подшипниковую сталь: 801-2022 взамен 801-78

Более 40 лет главным стандартом отрасли был ГОСТ 801-78 «Сталь подшипниковая. Технические условия». Важно знать: приказом Росстандарта от 27 декабря 2022 г. № 1639-ст взамен него с 1 августа 2023 года введён в действие ГОСТ 801-2022 «Прокат из подшипниковой стали. Технические условия». Ссылаться в актуальной документации и заказах следует уже на новый стандарт.

ГОСТ 801 (в обеих редакциях) распространяется на горячекатаный прокат диаметром или толщиной до 250 мм, калиброванную сталь и сталь со специальной отделкой поверхности, предназначенные для изготовления колец, шариков и роликов подшипников. Стандарт нормирует химический состав, способы выплавки, твердость в состоянии поставки, макро- и микроструктуру, загрязнённость неметаллическими включениями, карбидную ликвацию и обезуглероженный слой.

Смежные стандарты, которые полезно знать:

• ГОСТ 21022 — сталь хромистая для прецизионных подшипников (ШХ15-ШД и др.);
• ГОСТ 800 — трубы подшипниковые (заготовка колец);
• ГОСТ 4727 — проволока из подшипниковой стали (заготовка шариков и роликов);
• ГОСТ 5632 — нержавеющие стали, включая подшипниковую 95Х18;
• ГОСТ 520 — общие технические условия на сами подшипники качения.

Марки подшипниковой стали и их применение

На практике более 90% всех подшипников качения массового применения изготавливаются из стали ШХ15 и её аналогов — именно поэтому «подшипниковая сталь» и «ШХ15» в обиходе часто употребляются как синонимы.

Химический состав подшипниковых сталей

Химический состав основных марок по ГОСТ 801 (массовая доля элементов, %):

Роль элементов в составе:

• Углерод (~1%) — обеспечивает высокую твердость мартенсита и образование износостойких карбидов;
• Хром — повышает прокаливаемость, образует твёрдые карбиды (Fe,Cr)₃C, измельчает структуру;
• Кремний и марганец (в ШХ15СГ, ШХ20СГ) — дополнительно увеличивают прокаливаемость для крупных сечений;
• Сера и фосфор — жёстко ограничиваются (S ≤ 0,020%, P ≤ 0,027%), так как сульфиды и фосфидные сегрегации снижают контактную выносливость;
• Никель и медь — контролируются как примеси (Ni ≤ 0,30%, Cu ≤ 0,25%).

Не менее важен, чем состав, способ выплавки: сталь изготавливается в электродуговых печах с вакуумированием, без вакуумирования (по согласованию с потребителем) или методом электрошлакового переплава. Переплавные процессы (ЭШП, ВДП) дают минимальную загрязнённость включениями — такая сталь (ШХ15-Ш, ШХ15-ШД) идёт на прецизионные и высокоресурсные подшипники.

Твердость и термообработка подшипниковой стали

Свои свойства подшипниковая сталь получает после термообработки. Типовой цикл для ШХ15:

• Состояние поставки — сфероидизирующий отжиг, твердость 179–207 HB. Структура — зернистый перлит, сталь хорошо обрабатывается резанием, из неё точат кольца и штампуют заготовки тел качения.
• Закалка — нагрев до 830–860 °C, охлаждение в масле. Образуется мартенсит с нерастворёнными мелкими карбидами.
• Низкий отпуск — 150–200 °C, 1–2 часа. Снимает закалочные напряжения при сохранении твердости.
• Обработка холодом (для прецизионных подшипников) — минус 70…минус 80 °C для превращения остаточного аустенита и стабилизации размеров.

Итоговая твердость деталей подшипников:

Важный нюанс: обычная закалённая ШХ15 сохраняет твердость только до рабочих температур 150–180 °C. Для подшипников с рабочей температурой выше применяют специальный отпуск (индексы S0–S4 у зарубежных производителей) с некоторой потерей твердости либо теплостойкие стали.

Характеристики стали ШХ15

Ключевые характеристики базовой подшипниковой стали ШХ15:

• Плотность: ≈7,81 г/см³;
• Твердость после отжига: 179–207 HB; после закалки и отпуска: 61–65 HRC;
• Предел прочности после термообработки: ≈2200 МПа и выше (при испытании на сжатие/изгиб закалённых образцов);
• Критические точки: Ac1 ≈ 735 °C, Ac3(Acm) ≈ 900 °C;
• Температура ковки: 800–1150 °C;
• Обрабатываемость резанием: хорошая в отожжённом состоянии;
• Свариваемость: не сваривается (высокий углерод — трещины в зоне сварки);
• Флокеночувствительность: чувствительна, требуется противофлокенная обработка;
• Склонность к отпускной хрупкости: малосклонна.

Помимо подшипников, из ШХ15 изготавливают детали, где нужна высокая твердость и износостойкость при умеренной стоимости: ролики, оси, кулачки, втулки плунжеров, нагруженные валики, а в частном порядке — ножи (структура стали даёт стойкую режущую кромку, хотя коррозионная стойкость низкая).

Нержавеющая подшипниковая сталь

Обычная ШХ15 ржавеет — для влажных и агрессивных сред применяют коррозионностойкие подшипниковые стали:

• 95Х18 (ГОСТ 5632) — основная нержавеющая подшипниковая марка: 0,90–1,00% углерода, 17–19% хрома. Твердость после закалки с 1000–1050 °C и низкого отпуска — 58–60 HRC. Из неё делают кольца и тела качения нержавеющих подшипников, а также валы, втулки, ножи.
• 110Х18М-ШД — улучшенная марка двойного переплава (ЭШП + ВДП) с молибденом, повышенной чистоты. Применяется в прецизионных нержавеющих подшипниках для авиации, приборостроения, медицины.
• Зарубежные аналоги: AISI 440C (США), X105CrMo17 / 1.4125 (Европа), SUS440C (Япония). В маркировке нержавеющих подшипников встречаются префиксы/суффиксы S, SS, W, HCH (например, SS6204, S6001).

Компромисс нержавеющих подшипников: коррозионная стойкость в обмен на сниженную на 15–20% грузоподъемность и более высокую цену. Для слабоагрессивных сред альтернативой может быть обычный подшипник из ШХ15 с улучшенными уплотнениями и стойкой смазкой.

Зарубежные аналоги: GCr15, 100Cr6, SUJ2, 52100

Во всех промышленных странах базовая подшипниковая сталь имеет практически одинаковый состав «1% C + 1,5% Cr» — различаются только обозначения:

GCr15 — самый частый вопрос в этой теме, поскольку из неё сделано большинство подшипников китайского производства. В китайской маркировке G означает «подшипниковая» (гунчэн-группа Gǔn — качение), Cr — хром, 15 — те же 1,5% хрома в десятых долях процента, что и в ШХ15. Состав GCr15: 0,95–1,05% C, 1,40–1,65% Cr, 0,25–0,45% Mn, 0,15–0,35% Si — эквивалент ШХ15.

Практический вывод: марка стали у брендового европейского подшипника из 100Cr6 и дешёвого noname из GCr15 фактически одна и та же. Разницу в ресурсе создают чистота выплавки (уровень оксидных включений), стабильность термообработки и точность шлифовки — то, что не видно в сертификате на марку стали.

Сталь для подшипниковых узлов

Подшипниковый узел — это подшипник плюс корпус, вал и сопутствующие детали. Стали в нём применяются разные:

• Кольца и тела качения вставного подшипника — ШХ15 / GCr15 / 100Cr6, для нержавеющих узлов — 95Х18 / 440C;
• Корпуса узлов (UCP, UCF, UCFL и др.) — чаще всего серый чугун СЧ15–СЧ20; в ответственных и ударных применениях — стальные литые или штампованные корпуса; в пищевой промышленности — нержавеющая сталь или термопластик;
• Валы под подшипниковые узлы — конструкционные стали 45, 40Х с улучшением; посадочные шейки часто закаливают ТВЧ до 45–55 HRC;
• Крупные роликовые подшипники ударного нагружения (ж/д буксы, прокатные станы) — цементуемые стали 18ХГТ, 20Х2Н4А, 12ХН3А: цементация даёт твёрдый поверхностный слой 58–62 HRC при вязкой сердцевине, которая гасит удары.

При подборе узла в спецификациях встречается формулировка «корпус — сталь» (steel housing) в противовес чугунному: стальной корпус выбирают при ударных нагрузках и риске раскола чугуна, например на вибрационном оборудовании.

Как выбрать подшипниковую сталь — краткий алгоритм

• Обычные условия, размеры до ~30 мм стенки → ШХ15 (или аналоги GCr15 / 100Cr6 / SUJ2 / 52100);
• Крупногабаритные кольца и ролики → ШХ15СГ, ШХ20СГ;
• Ударные нагрузки, крупные ролики → цементуемые 18ХГТ, 20Х2Н4А;
• Влага, пищевая/химическая среда → 95Х18, 110Х18М-ШД (440C);
• Рабочая температура выше 180–250 °C → стабилизированный отпуск (S1–S4) или теплостойкая 8Х4В9Ф2-Ш;
• Прецизионные и высокоресурсные узлы → стали переплавных процессов: ШХ15-Ш, ШХ15-ШД.

Вопросы и ответы о подшипниковой стали