Шарикоподшипниковая сталь относится к конструкционным сталям.

 Эти стали должны иметь высокую твердость, поэтому содержание углерода в них велико. Основным легирующим элементом этой стали, помимо углерода, является хром.

Таблица 1. Составы некоторых подшипниковых сталей

Структура стали в состоянии поставки – феррито-карбидная смесь; как правило, пишут – отожженная на зернистый перлит. Про этот вид перлита на данном сайте есть статья. Почему такое состояние поставки, понятно. Поскольку детали из этой стали получают, в том числе, пластической деформацией, то структура должна иметь наилучшие пластические свойства. Структура стали ШХ15 в состоянии поставки показана на рис. 1 а. По ГОСТ балл этой структуры 3-5 по шкале №1.

а	б

Рисунок 1 . Структура стали ШХ15 в состоянии поставки (а) и после закалки и отпуска (б)

Термическая обработка подшипниковой стали – закалка от температуры 830-840^оС в масло и отпуск 150-160^оС 1-2 часа. После такой обработки структура стали – мелкодисперсный мартенсит отпуска (говорят – скрытоигольчатый мартенсит) и карбиды (рис. 1б). Снимок сделан при увеличении 3000^х, тем не менее, мартенсит не различается.

а	б

Рисунок 2. Структура стали ШХ15 после закалки и отпуска

От карбидной фазы во многом зависят свойства стали. На рис.2 показаны структуры стали ШХ15, отличающиеся размером и пространственным распределением карбидов. На рис. 2а показана структура шарика диаметром 3/8 дюйма, показавшего при испытаниях усилие разрушения 140 кН. Этот шарик имеет однородную структуру матрицы и достаточно однородные карбиды (белые включения) как по размеру, так и по распределению в матрице. На рис. 2б показана структура шарика с усилием разрушения 68 кН. Структура этого шарика неоднородна. Это видно уже хотя бы из того, что участки мартенсита отличаются по цвету. Карбиды крупнее и неоднородны по размеру; для стали это существенно. Роль размера карбидов (неметаллических включений) иллюстрируется зависимостями на рис. 3.

Рисунок 3. Влияние размера глобулярных включений на усталостную прочность стали для разных диаметров образца: 1-18,6 мм; 2- 15 мм; 3 – 13 мм.

Карбидная фаза вообще играет большую роль, и дефекты, связанные с карбидами, имеют существенное значение. Наиболее значимыми дефектами карбидной фазы являются:

Карбидная полосчатость. Карбидная полосчатость является следствием структурной неоднородности стали после закалки. В участках карбидных скоплений образуется мартенсито-трооститная структура, а в участках, обедненных карбидами - игольчатый мартенсит. Это приводит к повышению внутренних напряжений и неоднородности твердости по поверхности подшипника. Карбидная полосчатость затрудняет получение структуры зернистого перлита.

Рисунок 4. Пример полосчатости структуры, сталь 12ХН3МСГ

а	б	в

Рисунок 5. Карбидная полосчатость в стали

Рисунок 6. Полосчатость в закаленной стали

Карбидная ликвация. В подшипниковой стали встречаются крупные включения карбидов, ориентированные вдоль направления прокатки - карбидная ликвация. Они обладают высокой твердостью и хрупкостью, поэтому они часто выкрашиваются при выходе на рабочую поверхность с образованием очагов разрушения. Резко выраженная карбидная ликвация ухудшает изнашиваемость шарикоподшипниковой стали.

Рисунок 7. Пример карбидной ликвации (сталь Р18)

Карбидная сетка. Присутствие карбидной сетки ведет к ухудшению механической прочности подшипника.

Рисунок 8. Участки карбидной сетки в стали ШХ15; закалка и отпуск

Другими дефектами подшипниковой стали являются:
Остаточный аустенит. С количеством остаточного аустенита связана размерная стабильность готовых подшипников в процессе эксплуатации. При нагреве до 150^оС в течение 100 часов увеличение размеров закаленной стали ШХ15 при исходной структуре пластинчатого перлита составляет 0,02%, а при исходной структуре зернистого перлита - 0,003%. Исходная структура зернистого перлита обеспечивает минимальное количество остаточного аустенита. Определение количества остаточного аустенита производится для подшипниковой стали только рентгеноструктурным анализом. Структура стали настолько мелкая (рис. 1,2), что различить зерна аустенита трудно.
Микропористость. Микропоры являются местами концентрации напряжений в металле и очагами возникновения усталостных трещин в готовых подшипниках при их эксплуатации.