Круглий прокат ф45 мм сталь ШХ15

Марка: ШХ15 (замінники: ШХ9, ШХ12, ШХ15СГ)
Тип постачання: сортовий прокат, зокрема фасонний: ГОСТ 801-78, ГОСТ 2590-2006, ГОСТ 2591-2006. Калібрований пруток: ГОСТ 7417-75. Шліфований пруток і срібнка: ГОСТ 14955-77. Смуга ГОСТ 103-2006. Дріт: ГОСТ 4727-83.
Клас: Сталь конструкційна підшипникова
Використання в промисловості: кульки діаметром до 150 мм, ролики діаметром до 23 мм, кільця підшипників із товщиною стінки до 14 мм, втулки плунжерів, плунжери, нагнітальні клапани, корпуси розпилювачів, ролики штовхачів та інші деталі, від яких вимагається висока твердість, зносостійкість і контактна міцність.





Хімічний склад в % сталі ШХ15


C
0,95 - 1,05



Si
0,17 — 0,37


Mn
0,2 - 0,4


Ni
до 0,3


S
до 0,02


P
до 0,027


Cr
1,3 - 1,65


Cu
до 0,25


Fe
~96





Заручні аналоги марки стали ШХ15


США
52100, G52986, J19965


Германия
1.3505, 100Cr6, 102Cr6


Японія
SUJ2, SUJ4


Франція
100C6, 100Cr6, 100Cr6RR


Англія
2S135, 534A99, 535A99


Євросоюз
1.3505, 100Cr6


Італія
100Cr6


Іспанія
100Cr6, F.1310


Китай
GCr15


Швеція
2258


Болгарія
SchCh15


Угорщина
GO3


Польща
LH15


Румунія
RUL1, RUL1v


Чехия
14100, 14109


Австралія
5210


Південь.Корея
STB2, STB4





Властивості та корисна інформація:




Питома вага: 7812 кг/м3
Термооброблення: Відпалювання 800oC, печь, 15 oC/год.
Температура кування, °С: початку 1150, кінця 800. Перерізи до 250 мм охолоджуються на повітрі, 251-350 мм у ямі.
Твердість матеріалу: HB 10 -1 = 179 - 207 МПа
Температура критичних точок: Ac1 = 724 , Ac3(Acm) = 900 , Ar3(Arcm) = 713 , Ar1 = 700 , Mn = 210
Оброблюваність різанням: у гарячковому стані за HB 202 ÷в=740 МПа, К ÷ ТВ. сп.=0,9 и К÷ б.ст=0,36
Зварюваність: спосіб зварювання КТС.
Флокеночутливість: чутлива.
Схильність до відпускної крихкості: схильна.
Шліфуємність: добра.





Механічні властивості сталі ШХ15


Стан постачання, режим термообробки
Переріз, мм
÷0,2 (МПа)
÷в(МПа)
δ5 (%)
ψ %
KCU (Дж/см2)
НВне більш ніж


Відпалювання 800 °C, піч до 730 °C, потім до 650 °C зі швидкістю 10-20 град/год, повітря
-
370-410
590-730
15-20
35-25
44
(179-207)


Загартування 810 °C, вода до 200 °C, потім олія. Відпустка 150 °C, повітря
30-60
1670
2160
-
-
5
62-65





Механічні властивості сталі ШХ15 залежно від температури відпустки


Температура відпуску, °C
÷0,2 (МПа)
÷в(МПа)
δ5 (%)
ψ %
KCU (Дж/см2)
HRCЕ (HB)


Загартування 840 °C, оливо


200
300
400
450
1960-2200
1670-1760
1270-1370
1180-1270
2160-2550
2300-2450
1810-1910
1620-1710
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
61-63
56-58
50-52
46-48


Загартування 860 °C, олива


400
500
550
600
650
-
1030
900
780
690
1570
1270
1080
930
780
-
8
8
10
16
-
34
36
40
48
15
20
24
34
54
480
400
360
325
280





Механічні властивості сталі ШХ15 за залежно від температури випробування


Температура випробувань, °С
÷0,2 (МПа)
÷в(МПа)
δ5 (%)
ψ %
KCU (Дж/см2)


Нагрівання за 1150 °C і охолодження до температур випробувань


800
900
1000
1100
-
-
-
-
130
88
59
39
35
43
42
40
43
50
50
50
-
-
-
-


Зразок діаметром 6 мм і завдовжки 30 мм, деформований і відпалений.
Швидкість деформування 16 мм/хв. Швидкість деформації 0,009 1/с


1000
1050
1100
1150
1200
32
28
20
17
18
42
48
29
25
22
61
62
72
61
76
100
100
100
100
100
-
-
-
-
-


Загартування 830 °C, олива. Відпустка 150 °C, 1,5 год


25
-25
-40
-
-
-
2550
2650
2600
-
-
-
-
-
-
88
69
64





Межі витривалості сталі ШХ15


÷-1, МПА
n
Термооброблення


333
804
652
106
НВ 192. Отжиг
НВ 616. Загартування 830 °C. Відпуск 150 °C, олива
÷0,2=1670 МПа, ÷в=2160 МПа, НВ 582-670





Теплостійкість сталі ШХ15




Температура, °С
Час, г
Твердість, HRCе


150-160
1
63





Прокачуваність сталі ШХ15


Відстань від торця, мм
Примітка


1,5
3
4,5
6
9
12
15
18
24
33
Загартування 850 °C


65,5-68,5
63-68
58,5-67,5
51,5-67
40-64
38-54
38-48,5
38-47
33-41,5
28-35,5
Твердість для смуг прокалюваності, HRC




Кількість мартенситу, %
Критична твердість, HRCе
Критичний діаметр у воді
Критичний діаметр у оливі


50
90
57
62
28-60
20-54
9-37
6-30





Фізичні властивості сталі ШХ15


T (Град)
E 10- 5 (МПа)
a 10 6 (1/Град)
l (Вт/(м·град))
r (кг/м3)
C (Дж/(кг·град))
R 10 9 (Ом·м)


20
2.11


7812




100

11.9

7790

390


200

15.1
40
7750

470


300

15.5

7720

520


400

15.6
37
7680




500

15.7
32
7640





Розшифрування марки ШХ15: з літери Ш починається маркування підшипникових сталей, Х означає ледження сталі хромом, який є в кількості 1,5%.
Особливості та застосування стали ШХ15: для відповідальних деталей приладів і машин у ряді випадків застосовують загартовані сталі з високою твердістю, зміцнені мартенситним перетворенням.
В умовах експлуатації, особливо під напругою, у метастабільній структурі загартованої сталі можуть проходити чималі зміни, що призводять до порушення геометричних розмірів виробів. Вже в ненавантажених загартованих деталях спостерігаються істотні зміни обсягу та розмірів у часі. Ці зміни зумовлені дифузійними процесами переміщення атомів вуглецю в березнінсіті, що супроводжуються зменшенням розмірів, і процесами розпаду залишкового аустеніту — зі збільшенням розмірів.
За допомогою спостережень за змінами розмірів загартованих зразків у процесі відпустки та рентгенівськими дослідженнями встановлено, що для стабілізації мартенситу загартовування за кімнатної температури досить 2-4-годинної відпустки за 150 °C. Для стабілізації мартенситу під час експлуатації в умовах підвищених температур необхідно, щоб температура відпускання перевищувала експлуатаційну на 50-100 °C.
Основною причиною зміни розмірів загартованої та підданої низькому відпустку сталі є залишковий аустеніт. Перетворення 1% аустеніту в мартенсит призводить до зміни розмірів сталі на 1 •10-4, що становить 10 мкм на кожні 100 мм розміру. Є критична кількість залишкового аустеніту, нижче якого стабільність розмірів сталі в межах 1.10-5 за мінусової та кімнатної температур зберігається. Критична кількість аустеніту змінюється пропорційно логариту часу зберігання й підвищується зі зростанням температури загартування й подальшого
відпуску, що йде. Наприклад, критична кількість аустеніту, що зберігає стабільність розмірів сталі ШХ15 упродовж 3-5 років у межах 1-106становить після загартування за 840 і 880 °C і відпустці 100 °C відповідно 5 і 10%, після відпустки 150 °C — відповідно 10 і 19%.
Відпустка за 150 °C, стабілізувальний мартенсит за кімнатної температури, є малоефективною з погляду стабілізації залишкового аустеніту. Збільшення розмірів зразків, що свідчить про процес аустенітно-мартенситного перетворення, починається лише через 20 год витримки за 150 °C. Початок інтенсивного розпаду аустеніту спостерігається тільки за 200 °C. Водночас твердість загартованої сталі знижується до HRC60. У тих випадках, коли подібне зниження твердості неприпустиме, основним способом зниження вмісту залишкового аустеніту в структурі загартованої сталі є обробка за температури нижче нуля, що пов'язано з положенням точки кінця мартенситного перетворення. Потреба оброблення холодом для стабілізації розмірів точного мірного інструменту та підшипників прецизійних приладів показана в низці радянських і закордонних робіт. Однак знизити вміст залишкового аустеніту за допомогою оброблення холодом нижче 4-5% для більшості інструментальних і підшипникових сталей не вдається. Тому деякі дослідники рекомендують поєднувати оброблення холодом із подальшим тривалим низьким відпустком, який для сталі типу ШХ15 має становити не менш ніж 10 000 год за 100 °C, 160 год за 150 °C і 50 год за 180 °C.
За підвищених температур швидкість перетворення аустеніту не залежить від температури відпустки та пропорційна лише його кількості. В умовах експлуатації за підвищених температур перетворення аустеніту відбувається через бейнітний механізм і ефект стабілізації залишкового аустеніту немає. Сумарний ефект зміни розмірів за підвищених температур визначається відносною стійкістю до мартенситу та залишкового аустеніту. Для виробів, що працюють за температури приблизно 150 °C, для зниження кількості залишкового аустеніту обов'язкове оброблення холодом. Оброблення холодом за -70 °C стабілізує розміри впродовж 10000 год за робочої температури 120о З в межах 5.10-6, а за 120-150 °C у межах 10.10-5. Подальше підвищення розмірної стабільності може бути досягнуто за допомогою відпустки за температур, що забезпечують необхідну повноту розпаду залишкового аустеніту, і стабілізації мартенситу. Для сталі ШХ15 ці температури становлять не менш ніж 225-250 °C.
Оскільки найповнішими характеристиками розмірної стабільності матеріалу є показники опору мікропластичним деформаціям, кому було цікаво оцінити залежність цих характеристик від режимів термообробки загартованої сталі.
Під напругою в загартованій сталі одночасно проходять процеси фазових перетворень і мікропластичних деформацій. Водночас мікропластичні деформації прискорюють процеси фазових перетворень. Одночасно останні призводять до різкого зниження опору початковим стадіям пластичної деформації. Зниження опору пластичному деформуванню в умовах протікання фазових і структурних перетворень у літературу дістала назву кінетичної пластичності або кінітичного зміни властивостей. Вказане явище характерне для сталі, загартованої на високу твердість, і веде до активного зміни розмірів унаслідок розвитку процесів повзучості та релаксації напруг. Опір мікропластичним деформаціям характеризує не тільки розмірну стабільність матеріалу, але й відбиває його опір зношуванню, оскільки останній за сучасними уявленнями має чималою мірою втомлену природу та виникає в Результатом розвитку в металі мікропластичних деформацій.
В умовах метастабільного фазового та структурного стану кінетика релаксації напруги безпосередньо контролюється процесами фазових і структурних перетворень, що проходять в умовах випробувань. У загартованих сталях типу ШХ15 кінетика процесу релаксації напруги в інтервалі 100-200 °C визначається нестабільністю мартенситу. Про це свідчить збіг ергій активації процесів релаксації напруги та зменшення питомого об'єму внаслідок перетворення мартенситного складника, а також відповідність цих змін ступеням релаксації напруги в широкому діапазоні температур і тривалості випробувань.
Залежність межі пружності від температури відпусток загартованої сталі змінюється за кривою з максимумом, аналогічно до межі пружності наклеплених металів від температури дорекристалізаційного відпалювання. Представлена зазначена залежність для різних за складом сталей — вуглецевих, конструкційних легованих, підшипникових і неіржавких, які широко поширені в прецизійному машинобудуванні та приладобудуванні. Як видно з представлених даних, після оптимальної відпустки межа пружності зростає для різних сталей від 30% до 3-4 разів.
Поряд із підвищенням межі пружності під час дорекристалізаційного запалювання зростає релаксаційній стійкості загартованої сталі. Максимальна релаксуційна стійкість спостерігається після відпустки за тих самих температур, що й максимальна межа пружності, наприклад, для сталей ШХ15 і 11х18М за 250 і 350-400 °C відповідно.
Очевидно, що відбувається ріст опору мікропластичним деформаціям із підвищенням температури відпустки зумовлений процесами стабілізації мартенситу та залишкового аустеніту, а також розпадом останнього.
Особливий інтерес представляє доцільність використання для стабілізації розмірів загартованих сталевих виробів багаторазового оброблення холодом, що чергується з низькою відпусткою. Деякі автори вважають, що таке оброблення забезпечує повніше перетворення залишкового аустеніту, порівнюючи з одноразовим охолодженням і нагріванням. За даними роботи весь процес стабілізації складається з 5-6 циклів охолодження до -85 °C, кожен із яких супроводжується низькою відпусткою. Передбачається, що під час кожного подальшого охолодження відбувається додаткове перетворення частини залишкового аустеніту на мартенсит, а відпустка після охолодження знімає викликані внаслідок вказаного перетворення і різкого охолодження внутрішні напруги. У Японії запатентований метод термічного оброблення підшипникової сталі, що полягає в проведенні після загартування багаторазових теплосменів в інтервалі -50 +150 °C. Підвищення стабільності розмірів унаслідок зниження кількості залишкового аустеніту після повторення циклу «оброблення холодом-відпустка».
Багаторазове оброблення холодом, що чергується з відпусткою, дає змогу підвищити опір мікропластичним деформаціям і стабільність розмірів загартованої високовуглецевої сталі.
Внаслідок багаторазового термоциклічного оброблення істотно зменшується вміст залишкового аустеніту в сталі, на відміну від одноразового оброблення холодом і відпусткою. Водночас підвищується межа пружності. Після 6-кратного оброблення за -70 і +150 °C (режим 2) межа пружності під час вигинання ÷0,001 становить 155 кгс/мм2 проти 137 кгс/мм2 після одноразового оброблення (режим 3), тобто підвищився приблизно на 13%.
Істотно зросла також і релаксаційній стійкості сталі.
Розглянемо можливий механізм впливу багаторазового оброблення за циклом «охолодження нижче нуля — низькотемпературне нагрівання» на структуру загартованої сталі.
У разі охолодження сталі до мінусової температури підвищується різність вільних ергій аустеніту та мартенситу і у зв'язку з цим відбувається додатковий розпад аустеніту, На кінетику розпаду аустеніту великий вплив мають поля напруги, що утворюються в стали під час її охолодження до мінусових температур після загартування. Після загартування залишковий аустеніт є під впливом всебічного стиснення, яке затримує мартенситне перетворення. У зв'язку з різницею в коефіцієнтах лінійного розширення аустеніту та мартенсіту величина цього тиску на аустеніт зменшується в міру охолодження до негативних температур, що сприяє прискоренню мартен-ситного перетворення. Перетворення триватиме доти, поки виграш у вільній енергії через зміну решітки не буде поглинений енергією пружної деформації, що виникає в процесі утворення мартенситу або поки не утворюється гранично для цієї температури кількість мартенситу, що відповідає мінімуму загальної вільної енергії.
У процесі нагрівання сталі до верхньої температури циклу та витримці за цієї температури додатково відбуватиметься мартенситне перетворення. Порушення будови аустеніту навколо утворених за низької температури кристалів мартенситу полегшують подальше перетворення за вищої температури. Отримані у разі попереднього перетворення пружні спотворення на аустеніті полегшуватимуть зародження наступних мартенситних кристалів.
Водночас чим більше пружні спотворення внаслідок попереднього мартенитного перетворення під час охолодження до негативної температури, тим вища швидкість перетворення під час подальшого нагрівання.
Мартенситне перетворення під час нагрівання триватиме доти, поки в нових умовах значення пружної енергії деформації, що виникла в процесі утворення мартенситу, не стане рівною різниці вільних енергій решіток аустеніту та мартенситу. Водночас на кінетику зародження нових кристалів мартенситу неабияк впливають чинники стабілізації аустеніту та різність коефіцієнтів лінійного розширення мартенситу й аустеніту. Ці чинники зменшують швидкість мартенситного перетворення під час нагрівання. Стабілізація аустеніту зумовлена процесами відпочинку металу під час нагрівання: зменшенням перенапруг у мікрооб'ємах, зменшенням щільності дислокацій у скупченнях, загальним перерозподіленням дислокацій і точкових дефектів. У зв'язку з різністю в коефіцієнтах лінійного розширення аустеніту та мартенситу під час нагрівання в аустеніті можуть з'являтися додаткові стискальні напруги, що зменшують швидкість перетворення. Під час нагрівання від мінусової до верхньої температури циклу процеси відпочинку проходять також і в березнінсите з перерозподіненням дислокацій і точкових дефектів, зменшенням локальних скупчень дислокацій і перенапруг у мікрооб'ємах і підвищенням, у зв'язку з цим стійкості мартенситу.
Розпад мартенситу проходить після процесу відпочинку та найпомітніше спостерігається вище 100 °C з виділенням на першій стадії (в інтервалі 100-150 °C) е-карбіду та зменшенням ступеня тетрагінності мартенситу. Після відокремлення карбідних частинок і зменшення неоднорідності концентрації вуглецю (у разі підвищення температури) спотворення другого роду зменшуються.
Отже, унаслідок процесів, що проходять у загартованій сталі під час нагрівання від мінусової до верхньої температури 1 циклу ТЦО, зменшується кількість залишкового аустеніту та підвищується його стабільність, відбувається частковий розпад мартенситу, а також підвищується його стійкість. Невидимому, величина мікронапруг на кордоні фаз також виходить мінімальною у зв'язку з їх релаксацією під час відпочинку.
Внаслідок необоротних процесів, що проходять під час нагрівання від мінусової до верхньої температури 1 циклу, знижується енергія спотворень кристалічної решітки. У разі повторного охолодження сталі до негативної температури знову з'являється термодинамічний стимул для мартенситного перетворення. Однак у нових умовах швидкість мартенситного перетворення під час охолодження буде набагато нижчою, порівнюючи з перетворенням на 1 циклі, оскільки внаслідок попереднього стабілізації аустеніту підвищується робота утворення зародків мартенситу. Внаслідок відпочинку аустеніту в 1 циклі розподіл дефектів кристалічної будови стає менш сприятливим для утворення нових зародків мартенситу.
Під час нагрівання у 2 циклі нові пружні зони, що виникли в аустеніті в процесі у-а перетворення за низької температури, також сприятимуть зародженню нових кристалів мартенситу аналогічно до процесів в 1 циклі нагрівання. Водночас, швидкість процесів виявляється набагато нижчою, оскільки величина нових пружних зон буде меншою, ніж в 1 циклі. У разі повторного циклу нагрівання знову проходять процеси відпочинку та стабілізації мартенситу. Відбувається також деякий додатковий розпад мартенситу (понад повне проходження 1-ї стадії відпустки). Унаслідок 2 циклу ТЦО додатково зменшується кількість залишкового аустеніту та неабияк підвищується стійкість загартованої структури за наступних змін температури. Отже, після нового циклу ТЦО підвищується стабільність залишкового аустеніту та мартенситу.
Ефективність ТЦО обмежується декількома циклами оброблення «холод-тепло» (3-б циклів), подальше збільшення числа циклів неефективне. Як і слід було очікувати, найбільший ефект досягається після 1 циклу оброблення. Однак експериментальні дані показали, що для підвищення опору мікропластичним деформаціям дуже істотні також наступні кілька циклів оброблення, за яких проходить додатковий розпад залишкового аустеніту та повніша стабілізація структури.
У результаті 3-6-кратної ТЦО утворюється стійка структура мартенситу з мінімальною кількістю залишкового аустеніту, також добре стабілізованого. Стабільна структура забезпечує підвищення опору мікропластичним деформаціям у загартованій сталі.
Викладне свідчить про ефективність багаторазового оброблення холодом, що чергується з низькотемпературним відпустком, для стабілізації розмірів виробів зі сталі, загартованої на високу твердість. Заручні фірми, що застосовують зазначену обробку, гарантують вищу стабільність мірного інструменту, ніж це вимагає ГОСТ 9038-90 і чим фактично спостерігається на плоскопаалельних кінцевих мірах вітчизняного виготовлення.