Микроструктура стали ШХ15: зернистый перлит, карбидная сетка и мартенсит отпуска

Микроструктура стали ШХ15 — это прежде всего карбиды. Подшипниковая сталь заэвтектоидная: углерода в ней около 1 %, поэтому в отожжённом состоянии она представляет собой зернистый перлит, а после закалки — мартенсит отпуска с равномерно распределёнными мелкими карбидами. Контроль структуры ШХ15 построен на специальных шкалах: карбидная сетка, карбидная ликвация и карбидная полосчатость. Разбираем, что именно оценивают и почему брак подшипниковой стали виден только под микроскопом.

Состав: заэвтектоидная сталь с хромом

Элемент	Массовая доля, %	Роль в структуре
Углерод (C)	0,95–1,05	Делает сталь заэвтектоидной: помимо перлита присутствует избыточный цементит
Хром (Cr)	1,30–1,65	Повышает прокаливаемость, входит в состав легированного цементита, повышает износостойкость
Марганец (Mn)	0,20–0,40	Раскисление, прокаливаемость
Кремний (Si)	0,17–0,37	Раскисление

Высокий углерод в сочетании с хромом даёт после закалки твёрдость 61–65 HRC и высокую контактную выносливость — то, ради чего сталь и применяют для колец и тел качения подшипников, а также для инструмента.

Отожжённое состояние: зернистый перлит

Прокат и заготовки под механическую обработку поставляют отожжёнными на зернистый перлит. На шлифе это выглядит как ферритная матрица, равномерно усеянная округлыми карбидами. Структура мягкая (обычно 179–207 HB), хорошо обрабатывается резанием и правильно ведёт себя при последующей закалке.

Качество сфероидизации оценивают по эталонным шкалам: слишком крупные карбиды или остатки пластинчатого перлита означают, что отжиг выполнен неверно. Последствие проявится позже — при закалке карбиды растворятся неравномерно, и твёрдость по детали «поплывёт».

Три главных дефекта подшипниковой стали

Дефект	Как выглядит	Почему это брак
Карбидная сетка	Цементит, выделившийся по границам бывших аустенитных зёрен, образует замкнутую сетку	Хрупкие границы: кольцо подшипника растрескивается при шлифовке или в работе
Карбидная ликвация	Локальные скопления крупных карбидов, неоднородность по сечению	Очаги выкрашивания, снижение контактной выносливости
Карбидная полосчатость	Карбиды выстроены в полосы вдоль направления деформации	Анизотропия износостойкости, неравномерный износ дорожки качения

Все три показателя оценивают сравнением с эталонными шкалами при стандартном увеличении, а балл вносят в протокол. Для подшипниковой стали это не формальность: именно карбидная неоднородность определяет ресурс подшипника.

Структура после закалки и отпуска

Режим	Структура	Твёрдость
Отжиг на зернистый перлит	Феррит + округлые карбиды	179–207 HB
Закалка от 830–850 °C в масле	Мартенсит + нерастворённые карбиды + остаточный аустенит	62–66 HRC
Закалка + низкий отпуск (150–170 °C)	Мартенсит отпуска + мелкие карбиды	61–65 HRC
Перегрев под закалку	Крупноигольчатый мартенсит, карбиды растворены	Твёрдость может быть в норме, вязкость — нет
Недогрев под закалку	Много нерастворённых карбидов, троостит по границам	Пониженная твёрдость, «мягкие пятна»

Ключевая тонкость: перегрев далеко не всегда видно по твёрдости — деталь может уложиться в допуск и развалиться в эксплуатации. Поэтому для ШХ15 измерение твёрдости всегда дополняют металлографией: балл мартенсита и состояние карбидной фазы показывают реальный режим закалки.

Травление и просмотр

• Базовый реактив — ниталь 3–4 %, выдержка короткая: при перетравливании карбиды сливаются с фоном.
• Для выявления карбидной сетки применяют более длительное травление или специальные реактивы, подчёркивающие границы бывшего аустенитного зерна.
• Нерастворённые карбиды в закалённой стали хорошо видны при ×500–×1000 — на этом увеличении их и считают.
• Остаточный аустенит между иглами мартенсита различим при большом увеличении на качественно отполированном шлифе.

Для такой задачи нужен металлографический микроскоп с объективами до ×100 и качественным светлопольным освещением.

Пробоподготовка: твёрдая сталь и хрупкие карбиды

ШХ15 после закалки — одна из самых требовательных к подготовке структур. Главные риски: выкрашивание карбидов и отпуск мартенсита при перегреве во время резки.

1. Отрезка. Только прецизионный отрезной станок с обильным охлаждением. Круг подбирают под твёрдый материал; для закалённых сталей применяют алмазные и CBN-круги.
2. Запрессовка. Обязательна при контроле кромки и поверхностного слоя — смолы для горячего прессования сохраняют край.
3. Шлифование. Для твёрдых сталей эффективнее алмазные шлифовальные диски — они держат плоскость и не «садятся».
4. Полирование. Алмазные суспензии 9 → 3 → 1 мкм: алмаз режет карбиды, а не выдёргивает их из матрицы.
5. Финиш. Коллоидный кремний — снимает деформированный слой без завала краёв карбидов.

Что записывают в протокол по ШХ15

• структура в состоянии поставки (зернистый перлит) или после ТО (мартенсит отпуска с карбидами);
• баллы карбидной сетки, карбидной ликвации и карбидной полосчатости по эталонным шкалам;
• загрязнённость неметаллическими включениями;
• при необходимости — балл зерна и глубина обезуглероженного слоя: для подшипниковой стали обезуглероживание особенно критично, поскольку рабочая поверхность обязана быть максимально твёрдой;
• фотографии структуры с указанием увеличения.

Где исследовать структуру ШХ15

Испытательная лаборатория SPECTR-LAB выполняет металлографический анализ микроструктуры: описание структуры, карбидная неоднородность, балл зерна, обезуглероженный слой, неметаллические включения. Стоимость — от 2 890 ₽, срок — 1–3 рабочих дня, результат — протокол с фотографиями структуры и заключением. Лаборатория в Москве, образцы из регионов принимаются транспортной компанией.

Читайте также: Микроструктура стали 40Х: мартенсит, сорбит отпуска и признаки нарушения режима, Твёрдость металла: методы Бринелля, Роквелла и Виккерса и Подготовка металлографического шлифа: от резки до финиша.

Нормативные документы

• ГОСТ 801-78 «Сталь подшипниковая. Технические условия» (шкалы карбидной сетки, ликвации и полосчатости)
• ГОСТ 8233-56 «Сталь. Эталоны микроструктуры»
• ГОСТ 5639-82 «Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна»
• ГОСТ 1763-68 «Сталь. Методы определения глубины обезуглероженного слоя»
• ГОСТ 1778-2022 «Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений»

---