CC BY
34
УДК 669.018.24
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ПОДШИПНИКОВОЙ СТАЛИ ШХ15СГ РАЗНЫХ МЕТОДОВ
ВЫПЛАВКИ Пугачева Татьяна Михайловна, доцент, к.т.н. (e-mail: t.pugacheva15@yandex.ru) Самарский Государственный технический университет, г.Самара, Россия
Приводятся данные сравнительного анализа металлургического качества горячего проката подшипниковой стали ШХ15СГ разных методов выплавки: прямым восстановлением с вакуумированием и разливкой на машинах непрерывного литья производства «ОАО ОЭМК» (марка ШХ15СГ-ПВ), электрошлаковым переплавом производства ЧАО ЭМЗ «Днепроспецсталь» (марка ШХ15СГ-Ш) и с вакуумированием производства ПАО «Надежинский металлургический завод» (марка ШХ15СГ-В). Статистический анализ химического состава и загрязненности неметаллическими включениями проводили по данным заводских сертификатов. Установлено, что сталь ШХ15СГ-Ш характеризуется наименьшей загрязненностью неметаллическими включениям, сталь ШХ15СГ-ПВ сопоставима или лучше ШХ15СГ-В, кроме того сталь ШХ15СГ-ПВ отличается повышенной стабильностью содержания легирующих элементов и низким содержанием примесей.
Ключевые слова: сталь ШХ15СГ, химический состав, неметаллические включения.
Подшипники используются практически в любом механизме для передачи крутящего момента на соседние элементы. Сталь ШХ15СГ широко используется при изготовлении массовых и специальных подшипников [13] для колец с толщиной стенки более 10 мм и роликов диаметром более 22 мм. Известно, что к подшипниковым сталям предъявляются высокие требование по чистоте металла, так как неметаллические включения являются концентраторами напряжения и инициируют возникновение усталостных трещин [4-6]. В этой связи цель работы - провести сравнительный анализ металлургического качества подшипниковой стали ШХ15СГ разных методов выплавки по загрязненности неметаллическими включениями и содержанию элементов марочного состава, в том числе примесей (серы, фосфора, кислорода).
Методика исследования
Для исследования были выбраны 5-7 плавок стали ШХ15СГ, полученных прямым восстановлением с вакуумированием и разливкой на машинах непрерывного литья производства «ОАО ОЭМК» (марка ШХ15СГ-ПВ), электрошлаковым переплавом производства ЧАО ЭМЗ «Днепроспецсталь» (марка ШХ15СГ-Ш) и с вакуумированием производства ПАО «Надежин-
ский металлургический завод» (марка ШХ15СГ-В). Были отобраны горячекатаные прутки диаметром 90-130 мм без термической обработки. Статистический анализ проводили с помощью программы Excel по данным сертификатов качества металлургических заводов (далее ОЭМК, ДСС, НМЗ). Сопоставляли содержание компонентов химического состава и загрязненность неметаллическими включениями.
Результаты исследования и их анализ
Марочный состав стали ШХ15СГ приведен в таблице 1.
Таблица 1-Марочный состав стали ШХ15СГ-В и ШХ15СГ-Ш по ГОСТ 801-78 и стали ШХ15СГ-ПВ по ТУ 14-1-5176-92
Марка стали Массовая доля элементов, %
C Si Mn S P Cr Ni Cu Ti O
Не более Не более
ШХ15СГ-В 0,951,05 0,40,65 0,91,2 0,02 0,027 1,31,65 0,3 0,25 0,01 0,0015
ШХ15СГ-Ш 0,01 0,025
ШХ15СГ-ПВ 0,01 0,015 0,1 0,12 0,005 0,002
Среднее 1.0 0,51 1,05 - - 1,48 - - -
Результаты статистической обработки химического состава представлены в таблицах 2-4. Сопоставление средних и характеристик распределений количества компонентов плавок показало:
-количество углерода и марганца находится практически на среднем уровне марочного состава у всех производителей,
- количество кремния у ОЭМК - на среднем уровне, у ДСС - немного выше среднего уровня, а у НМЗ - немного ниже среднего уровня,
- количество хрома у ОЭМК (на 0,05 %) и НМЗ (на 0,1 %) - ниже среднего уровня, а у ДСС - чуть выше (на 0,015%) среднего уровня,
- количество примесей серы и фосфора наименьшее у ОЭМК (Б - 0,004 %. Р - 0,015 %), наибольшее - у ДСС (б - 0,005 %. Р - 0,021 %),
-количество примесей цветных металлов у всех производителей ниже допускаемых по нормативным документам значений и наиболее низкое содержание практически по всем элементам у ОЭМК (особенно по меди -в среднем 0,04 % против 0,2-0,15 %),
-количество кислорода наименьшее у плавок ОЭМК, -наименьшие доверительные интервалы и вариативность по содержанию легирующих элементов имеют плавки НМЗ, наибольшие - ДСС.
Таким образом: сталь ШХ15СГ всех производителей выплавляется по химическому составу, близкому к усредненному содержанию углерода и легирующих элементов; содержание вредных примесей серы не превышает 0,008 %, фосфора - не более 0,024%; плавки ОЭМК наиболее приближены к среднему содержанию компонентов марочного состава, характеризуются наиболее низким уровнем примесей и достаточно хорошей стабильностью химического состава от плавки к плавке.
Требования нормативных документов по допустимому количеству неметаллических включений приведены в таблице 5. Результаты статистической обработки данных представлены в таблицах 6-8.
Таблица 2 - Данные статистического анализа химического состава стали
ШХ 15СГ-] ПВ
Параметр C Si Mn S P & № Mo O
Среднее значение Хср 0,96 0,51 1,00 0,004 0,01 1,42 0,03 0,04 0,005 0,03 0,0008
Стандартное отклонение S 0,01 0,05 0,05 0,001 0,002 0,03 0,02 0,02 0,000 0,000 0,0002
Ст. отклонение среднего S ср 0,00 0,02 0,02 0,0003 0,001 0,01 0,01 0,01 0,000 0,000 0,0001
Доверительный интервал ДИ 0,01 0,05 0,04 0,001 0,002 0,03 0,02 0,02 0,000 0,000 0,0002
Относительная ошибка 0,01 0,10 0,04 0,17 0,23 0,02 0,48 0,40 0,00 0,00 0,28
Примечание: число плавок -7, коэффициент Стьюдента 2,447 при а=0,05
Таблица 3 - Данные статистического анализа химического состава стали
ШХ15СГ-В
Параметр C Si Mn S P & № Mo О
Среднее значение Хср 1,00 0,47 0,95 0,004 0,017 1,38 0,11 0,20 0,007 - 0,0010
Стандартное отклонение S 0,02 0,02 0,02 0,003 0,003 0,02 0,01 0,01 0,001 - 0,0004
Ст. отклонение среднего S ср 0,01 0,01 0,01 0,001 0,001 0,01 0,01 0,01 0,00 - 0,0002
Доверительный интервал ДИ 0,03 0,02 0,02 0,004 0,003 0,02 0,01 0,02 0,001 - 0,0005
Относительная ошибка 0,03 0,05 0,02 0,93 0,19 0,02 0,12 0,09 0,15 - 0,49
Примечание: число плавок -5, коэффициент Стьюдента 2,776 при а=0,05
Таблица 4 - Данные статистического анализа химического состава стали
ШХ15СГ-Ш
Параметр C Si Mn S P & № Mo О
Среднее значение Хср 0,98 0,59 0,98 0,005 0,021 1,49 0,16 0,15 0,003 0,032 0,001
Стандартное отклонение S 0,01 0,02 0,06 0,001 0,002 0,06 0,03 0,02 0,000 0,004 0,000
Ст. отклонение среднего S ср 0,01 0,01 0,03 0,0002 0,001 0,03 0,01 0,01 0,000 0,002 0,000
Доверительный интервал ДИ 0,02 0,02 0,07 0,001 0,002 0,07 0,04 0,02 0,001 0,006 0,000
Относительная ошибка 0,02 0,04 0,07 0,15 0,11 0,05 0,24 0,16 0,20 0,17 0,000
Примечание: число плавок -5, коэффициент Стьюдента 2,776 при а=0,05
Таблица 5- Требования нормативных документов по загрязненности неметаллическими включениями (балл) стали ШХ15СГ разных производителей
Нормативный документ Оксиды Сульфиды Глобули
ср мак ср мак ср мак
ШХ15СГ-ПВ
Требования ТУ 14-1-5176-92 - 3,0 - 3,0 - 2,5
ШХ15СГ-Ш, ШХ15СГ-В
Требования ГОСТ 801-78 - 3 - 3 - 2.5
Таблица 6 - Данные анализа неметаллических включений (балл) стали
ШХ15СГ-ПВ
Параметр Оксиды Сульфиды Глобули
ср мак ср мак ср мак
Среднее значение Хср 0,85 1,60 1,7 1,9 2,0 2,4
Стандартное отклонение Б 0,4 0,9 0,3 0,4 0,3 0,2
Ст. отклонение среднего Бср 0,2 0,39 0,1 0,1 0,1 0,1
Доверительный интервал ДИ 0,4 0, 8 0,3 0,4 0,3 0,2
Относительная ошибка ДИ/ Хср 0,43 0,49 0,17 0,19 0,15 0,07
Примечание: число плавок -7, коэффициент Стьюдента 2,447 при а=0,05, ср-средний балл, мак-максимальный балл
Таблица 7 - Данные анализа неметаллических включений (балл) стали
ШХ15СГ-Ш
Параметр Оксиды Сульфиды Глобули
ср мак ср мак ср мак
Среднее значение Хср - 1,4 - 1,4 - 1,4
Стандартное отклонение Б - 0,2 - 0,2 - 0,2
Ст. отклонение среднего Б ср - 0,1 - 0,1 - 0,1
Доверительный интервал ДИ - 0,3 - 0,3 - 0,3
Относительная ошибка ДИ/ Хср - 0,20 - 0,20 - 0,20
Примечание: число плавок -5, коэффициент Стьюдента 2,78 при а=0,05, ср-средний балл, мак-максимальный балл
Таблица 8 - Данные анализа неметаллических включений (балл) стали
ШХ15СГ-В
Параметр Оксиды Сульфиды Глобули
ср мак ср мак ср мак
Среднее значение Хср 1,8 1,9 2,1 2,2 1,6 1,8
Стандартное отклонение Б 0,5 0,6 0,2 0,3 0,4 0,6
Ст. отклонение среднего Бср 0,2 0,26 01 0,1 0,2 0,3
Доверительный интервал ДИ 0,7 0,7 0,2 0,3 0,5 0,7
Относительная ошибка ДИ/ Хср 0,37 0,36 0,11 0,15 0,33 0,39
Примечание: число плавок -5, коэффициент Стьюдента 2,78 при а=0,05, ср-средний балл, мак-максимальный балл
Анализ приведенных данных показал, что наиболее чистый металл поставляет ДДС: по всем включениям балл не более 1,5, что находится на предельно допускаемом уровне требований ГОСТа. Металл производства НМЗ имеет большую загрязненность: по всем показателям в отдельных плавках - до 2,5 баллов (предельно допускаемое ГОСТом по глобулям), при этом в среднем баллы по всем неметаллическим включениям ниже допускаемых. Плавки ОЭМК наиболее загрязнены неметаллическими включениями: в одной плавке обнаружены оксиды 3,0 балла, в другой плавке -сульфиды 2,5 балла и почти во всех плавках - глобули 2,5 балла (предельно допускаемое значение по ТУ). Однако усредненные по всем плавкам показатели по сульфидам и оксидам ниже, чем у НМЗ, что свидетельствует о возможности изготовления ОЭМК более чистого металла: по оксидам менее 1 балла, а по сульфидам - до 1,5 балла.
Плавки ДСС характеризуются наименьшим разбросом значений и доверительным интервалом (таблица 7 в сравнении с таблицами 6 и 8), что свидетельствует о наименьшей вариативности баллов неметаллических включений. У плавок ОЭМК и НМЗ названные характеристики значительно больше и примерно одинаковые.
Таким образом:
1. Наименьшую загрязненность неметаллическими включениями с наименьшей вариативностью баллов имеет сталь электрошлакового переплава производства ДСС.
2. Плавки производства ОЭМК имеют больший усредненный балл по глобулям, но меньшие значения по сульфидам и оксидам, чем плавки производства НМЗ. При этом характеристики вариативности баллов имеют сравнимые значения для обоих заводов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
5. Сталь ШХ15СГ-Ш характеризуется наименьшей загрязненностью неметаллическими включениям по сравнению со сталью ШХ15СГ-ПВ и ШХ15СГ-В.
6. Сталь ШХ15СГ-ПВ по неметаллическим включениям сопоставима или лучше вакуумированной стали ШХ15СГ-В.
7. К достоинствам стали ШХ15СГ-ПВ можно отнести стабильность содержания легирующих элементов, низкое содержание примесей.
Список литературы
1.Черменский О.Н. Подшипники качения. М: Машиностроение, 2003.- 575 с.
2. Спришевский А.И. Подшипники качения. М: Машиностроение, 1969. - 632 с.
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.Спектор А.Г., Зельберт Б.М., Киселева С.А. Структура и свойства подшипниковых сталей. М: Металлургия, 1960.-264 с.
5. Воинов С.Г., Шалимов А.Г. Шарикоподшипниковая сталь М: ГНТИ,1962. 480 с.
6. I. El-Thalji, E. Jantunen. A descriptive model of wear evolution in rolling bearings //Engineering Failure Analysis 45 (2014) 204-224 p.p.
Pugacheva T.M., Associate Professor, Ph.D.
(e-mail: t.pugacheva15@yandex.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
METALLURGICAL QUALITY RESEARCH OF DIFFERENT MANUFACTURER BEARING STEEL SHKH 15SG
Abstract. Provides a comparative metallurgical quality analysis of hot rolled bearing steel SHKH15SG different smelting methods : direct recovery by degassing and casting machines continuous casting production "JSC OEMK" (mark SHKH15SG-PV), electroslag remelting production EMZ PJSC "Dneprospetsstal" (mark SHKH15SG-W) and vacuum production of PJSC "Nadeinsky metallurgical plant" (mark SHKH15SG-IN). Factory certificates statistical analysis of the chemical composition and nonmetallic inclusion contamination was carried out. The least nonmetallic inclusion contamination is characterized steel SHKH15SG-SH, steel SHX15SG-PVis comparable or better than SHX15SG-B, in addition, steel SHX15SG-PV has an increased alloying element content stability and a low impurities content. Keywords: steel SHKH15SG, chemical composition, nonmetallic inclusions.
