Брак при упрочнении деталей подшипников

Примечание:

1. Для увеличения закаливаемости стали ШХ 15 из-за большой легированности аустенита следует прибегать не к повышению температуры, а к повышению выдержки.

2. Неправильное увеличение температуры по зонам может привести к перегреву в середине и подстуживанию в конце печи.

Коробление. К числу наиболее часто встречающихся изменений формы при закалке подшипниковых колец принадлежит их овальность. Другие виды коробления значительно реже наблюдаются у колец, являясь наиболее распространенным дефектом тонких и удлиненных изделий сложной формы.

Изменения формы, наблюдаемые в производстве, есть результат суммарного действия различных причин, возникающих неодновременно в той или иной стадии нагрева или охлаждения. Напряжения, связанные с каждой из причин, вызывающих коробление (овальность), возникают в разное время, приложенных в разных участках периметра изделия (кольца), имеющие разную величину и направление и могут полностью или частично парализовать друг друга. В связи с этим суммарное коробление колеблется в широких пределах. Особенно это относится к кольцам. В партии колец, закаливаемых по одинаковому режиму, наряду с сильно деформированными кольцами можно обнаружить кольца, у которых овальность близка к нулю.

Однако из суммы причин, вызывающих коробление, как правило, выделяются отдельные причины, от которых в наибольшей степени зависит коробление. Устраняя или уменьшая их, можно значительно снизить коробление (овальность) изделий. Такими прчинами могут быть следующие:

1) Механические воздействия на горячее изделие (кольцо). К ним относятся деформация при транспортировке изделия от печи к закалочному баку; провисание изделия на поду (конвейере) или сжатие его при невозможности теплового расширения; удары о разгрузочный лоток или конвейер и т.д.;

2) Упругопластическая деформация, вызванная неодноверменным (по сечению или периметру изделия) нагревом или охлаждением стали.

Неоднородность нагрева вызывает коробление (овальность), составляющее значительную долю общего коробления (овальности). Его можно приблизительно оценить, если после нагрева (вместо закалки) медленно охладить изделие на спокойном воздухе. Таким же путем могут быть обнаружены механические повреждения нагретых изделий.

Нагрев, даже в таком совершенном агрегате, как современная конвейерная печь, неоднороден. Об этом свидетельствует, в частности, тот факт, что с увеличением количества рядов (слоев) колец на конвейере овальность их увеличивается.

Установлено, что наиболее однородный нагрев и наименьшее коробление (овальность) получаются при нагреве в жидких средах - расплавленных солях. Нагрев в соляных ваннах, обеспечивающий более равномерное распределение температур по периметру кольца, ведет к снижению овальности по сравнению с нагревом в печи.

Наиболее существенная часть деформации создается при охлаждении. Именно при охлаждении изделия, протекающем, как правило, неодновременно, возникают тепловые напряжения Неодновременность охлаждения порождает неодновременность процессов превращения, что создает различие в изменении объема в разных участках изделия и вызывает появление структурных напряжений. Возникновение напряжений связано, следовательно, с наличием градиента температур при охлаждении. Все, что увеличивает градиент температур в изделии во время охлаждения, увеличивает тепловые и структурные напряжения и способствует увеличению коробления (овальности).

Для уменьшения коробления от тепловых напряжений следует уменьшать в возможных пределах температуру нагрева, повышать температуру закалочной среды и уменьшать скорость охлаждения. Сильная циркуляция закаливающей жидкости может увеличить коробление (овальность). Для уменьшения скорости и создания большей равномерности охлаждения струю следует отвести от изделия возможно дальше. Основными путями снижения коробления являются понижение температуры нагрева в пределах области допустимых температур и повышение температуры закалочной среды, поскольку эти средства одновременно уменьшают и тепловые и структурные напряжения.

Особенностью заэвтектоидных сталей является изменение концентрации твердого раствора при изменении температуры нагрева, поэтому понижение температуры нагрева под закалку не только уменьшает градиент температуры, но понижает концентрацию твердого раствора, что приводит к резкому уменьшению структурных напряжений. В связи с этим овальность колец, вызываемая структурными напряжениями, сильно уменьшается при понижении температуры. Иначе говоря, в случае необходимости уменьшить коробление, нагрев до верхнего предела области закалочных температур не должен применяться. Перегрев колец при нагреве под закалку должен быть исключен.

При снижении температуры закалки на 20 єС уменьшаются общее количество овальных колец и величина овальности. Если допуск на овальность установлен 0,6мм, то при первоначальной температуре закалки будет забраковано 12 колец, при понижении температуры - лишь 3 кольца.

При закалке тонких колец приходится учитывать все, что влияет на концентрацию твердого раствора (увеличение выдержки при нагреве, изменение исходной структуры), и овальность колец. В частности, при проведении нормализации перед закалкой коробление (овальность) изделий сильно увеличивается. По этой причине в некоторых случаях закалки сложных изделий приходится отказываться от операций, создающих весьма дисперсную исходную структуру (нормализация, двойная закалка и т.д.).

Очень эффективным средством снижения коробления является закалка в горячих средах. Закалка в горячем масле с температурой 80-90 єС уже заметно снижает овальность колец. Применение закалки с более высокой температурой ступени (в легкоплавких солях или трудновоспламеняющихся маслах) еще больше снижает овальность. В связи с этим в практике зарубежных заводов часто прибегают к ступенчатой закалке в солях или солях, разбавленных водой. При этом деформация колец резко (в 1,5-2 раза) уменьшается. Поскольку, как указывалось выше, нагрев в солях также уменьшает овальность, минимальное коробление (овальность) изделий может быть получено при сочетании нагрева и охлаждения в жидких средах.

Закалка в горячих средах с последующей правкой под прессом почти полностью исключает брак по короблению.

Очень эффективным средством уменьшения овальности являются валковые установки. При закалке колец на валках с дополнительным натяжным роликом овальность и рассеивание размеров уменьшаются как по сравнению с обычной закалкой, так и по сравнению с закалкой со свободным вращением на валках. Это различие особенно заметно, когда имеется значительная овальность колец перед закалкой. В этом случае суммарная овальность колец при закалке на валках с натяжным роликом уменьшается в среднем на 35-40%. Резко уменьшается конусность конических колец. Такое уменьшение получается только при правильном выборе скорости, продолжительности вращения и конечной температуры колец. Этот выбор проводится индивидуально для каждой группы колец, исходя из их размеров, марки стали и т.д. Для средних размеров колец овальность достигает наименьшего значения при окружной скорости 1,0-1,5м/с, а конусность при скорости 0,4м/с практически исчезает. При дальнейшем увеличении скорости овальность и конусность, по данным А.Г. Спектора, не изменяются. Это очень существенно, так как при охлаждении колец, нагретых в эндогазе, их теплоотдача значительно ниже, чем теплоотдача колец, нагретых в воздушной среде, поэтому окружную скорость колец, при которой может быть получена минимальная овальность, можно увеличить с 1,0-1,5м\с для колец, нагретых в обычных печах, до 1,5-2,0м/с для колец, нагретых в закалочной атмосфере. Если необходимо получить большую прокаливаемость колец, скорость вращения колец из стали ШХ 15СГ не должна превышать 2,5м/с, так как при больших скоростях начинается падение прочности колец из-за роста остаточных напряжений.

Вращение колец на валках должно продолжаться до тех пор, пока мартенситное превращение не достигнет такой степени, что кольцо станет достаточно жестким. В противном случае пластичное аустенитное кольцо при охлаждении на конвейере может получить заметное коробление. Следовательно, вращение должно продолжаться до температуры, лежащей ниже мартенситной точки по менее чем на 60-80 єС, т.е. практически до 140-160 єС. После этого кольца остывают на конвейере закалочного бака.

Эти методы позволяют получать коробление (овальность) не большее, чем при закалке в прессах, применение которых весьма целесообразно. При индивидуальном производстве можно ограничиться применением для закалки простейших приспособлений типа крестовин, которые позволяют несколько снизить овальность колец.

Изменение размеров. При закалке изменение размеров без изменения формы происходит вследствие двух факторов: 1) изменения структуры стали при закалке и 2) пластической деформации, вызываемой внутренними напряжениями, превышающими предел текучести стали.

Небольшое изменение размеров из-за всестороннего упругого сжатия или растяжения, создаваемого внутренними напряжениями, здесь не рассматривается, так как эта деформация после отпуска незначительна.

Основная часть изменения размеров при общепринятых режимах закалки происходит в результате изменения структуры закаленной стали. Удельные объемы перлита и мартенсита различны. Наибольшим удельным объемом обладает структура мартенсита. Увеличение удельного объема мартенсита зависит от степени его тетрагональности, что, в свою очередь, определяется количеством углерода, сохранившегося в твердом растворе.

Для заэвтектоидной стали, для которой степень насыщения твердого раствора находится в прямой связи со степенью нагрева (для данной исходной структуры), удельный объем мартенсита зависит от температуры нагрева и, как будет показано далее, от степени отпуска.

Фактическая величина удельного объема закаленной стали, в которой присутствуют обе структуры, зависит, следовательно, от соотношения количеств содержащегося в ней аустенита и мартенсита. Эта величина, как видно из предыдущего, различна для разных концентраций твердого раствора. сталь подшипник карбид деформация

Изменение объема является также результатом пластической деформации. Уже давно было замечено, что при резкой закалке (в воде) легированной стали в микроструктуре стали обнаруживаются двойники, свидетельствующие о наличии пластической деформации. Однако эти видимые признаки пластической деформации обнаруживались только при резкой закалке с высоких температур. При обычных температурах закалки о пластической деформации можно было догадываться по резкому увеличению размеров при закалке в воде.

Поскольку при этом одновременно уменьшалось количество остаточного аустенита, увеличение размеров относили за счет уменьшения аустенита. При внедрении закалки колец с вращением их на валковых приспособления было замечено, что изменение размеров меньше, чем при обычной закалке, в то время как количество остаточного аустенита почти не изменялось. При больших скоростях вращения колец вместо увеличения получилось уменьшение размеров (усадка).

Было установлено, что фактическое изменение наружного диаметра подшипниковых колец нельзя объяснить только изменением объема закаливаемой стали, так как оно значительно меньше того изменения, которое можно ожидать из-за разницы удельных объемов фаз.

Исходя из ряда сделанных ранее наблюдений это расхождение можно объяснить наличием при закалке упругопластической деформации (усадки).

Величина усадки определяется главным образом двумя факторами: составом твердого раствора и скоростью охлаждения. С увеличением легированности твердого раствора, насыщения его углеродом, усадка увеличивается и в связи с этим общее увеличение размеров уменьшается. Следовательно, величина усадки будет изменяться от температуры нагрева, исходной структуры и т.д. С увеличением скорости охлаждения усадка увеличивается. Заметное увеличение усадки наблюдается при увеличении скорости вращения колец на валковых приспособлениях.

Каковы же пути получения меньших изменений размеров способом увеличения количества остаточного аустенита? Этих путей можно назвать три: а)применение стали с добавкой специальных легирующих примесей; б)специальные методы закалки; в)регулирование исходной структуры.

Марганец является наиболее эффективным элементом, влияющим на устойчивость аустенита, поэтому из стандартных хромоуглеродистых сталей приемлемы для вышеуказанных целей стали ШХ 15СГ, ХГ и особенно ХВГ. Если при закалке стали ШХ 15 всегда получается увеличение размеров, то применение стали с 1% Mn позволяет при некоторых условиях охлаждения получить некоторое уменьшение изделий, т.е. усадку.

При большом количестве хрома в стали можно получить даже больше остаточного аустенита, чем нужно для компенсации увеличения размера вследствие мартенситного превращения.

Увеличение количества остаточного аустенита для сталей типа ШХ 15, ХВ 2 и т.п. можно было бы получить повышением температуры закалки и соответствующим увеличением насыщенности твердого раствора. Этот путь неверен, так как он ведет к резкому ухудшению механических свойств и короблению изделий. Даже ступенчатая закалка, которая несколько сглаживает недостатки, вызываемые высокой температурой нагрева, не устраняет их полностью. Кроме того, одновременно с ростом количества остаточного аустенита вследствие повышения температуры закалки растет тетрагональность мартенсита, влияние которой на размеры прямо противоположно. Вследствие этого для увеличения количества остаточного аустенита следует прибегать к изменению условий охлаждения, но без повышения температуры закалки.

Если охлаждение стали, нагретой до состояния твердого раствора, прервать при температуре несколько ниже мартенситной точки, т.е. применить ступенчатую закалку, то количество остаточного аустенита будет больше, чем при обычной закалке, и тем больше, чем медленнее будет вестись дальнейшее охлаждение.

Этот путь для сталей ШХ 15, ШХ 15СГ, ХГ, ХВГ дает заметное увеличение количества остаточного аустенита. Температура ступени в зависимости от конкретных условий может быть от 180 до 100 єС с выдержкой на ступени 1-3мин и последующим медленным охлаждением.

Единственным недостатком этого метода является то, что полученный таким способом остаточный аустенит недостаточно устойчив. Для стабилизации увеличенных порций остаточного аустенита рекомендуется обязательно охлаждать изделие после изотермической ступени до комнатной температуры и затем подвергать его отпуску до возможно более высокой температуры в пределах до температур превращения остаточного аустенита. В этом случае получается увеличенное количество устойчивого остаточного аустенита.

Увеличение размеров при температурах ниже 0 єС связано только с превращением аустенита, и оно оказывается большим при исходной структуре мелкопластинчатого перлита, чем зернистого.

Однако на основании ранее рассмотренных данных о количестве остаточного аустенита в закаленной стали с различной исходной структурой можно было бы предполагать значительно большее различие в ходе правой части кривых мелкопластинчатого и зернистого перлита. Такое небольшое различие в изменении размеров при двух крайних по дисперсности структурах надо объяснить одновременным эффектом увеличения количества остаточного аустенита и возрастанием тетрагональности мартенсита при переходе к более дисперсным исходным структурам. По этой же причине незначителен эффект предварительной закалки с высоким отпуском, создающий структуру дисперсного зернистого перлита.

На этом основании можно утверждать, что предварительная обработка в виде нормализации или закалки с высоким отпуском для стали типа ШХ 15СГ дает очень незначительные преимущества перед нормально отожженной сталью. Сказанное подтверждается также многолетней практикой термической обработки инструмента, изготовленного из указанной стали.

Если к нормализованной или предварительно закаленной стали применить ступенчатую закалку, то количество остаточного аустенита будет больше и соответственно изменение размеров будет меньше, чем при закалке отожженной стали.

Следовательно, для того чтобы изменение размеров после закалки было меньшим, следует комбинировать оба метода. Необходимо путем предварительной обработки увеличивать легированность твердого раствора, затем путем замедленного охлаждения получать увеличенное количество более легированного и, следовательно, более стабильного остаточного аустенита.

Изменение размеров в процессе отпуска также различно. В пределах от закаленного состояния до температуры отпуска +180 єС, соответствующей наименьшему размеру закаленных образцов, имеет место следующее изменение размеров: исходная структура зернистый перлит - 34 мкм, точечный перлит - 56 мкм, троостит - 72 мкм. При этом кривая для стали с исходной структурой точечного перлита пересекает при данной температуре отпуска нулевую линию, следовательно, имеет размеры, неизменные по отношению к сырому образцу. Таким образом, влияние исходной структуры на количество остаточного аустенита для этой стали настолько велико, что кривые значительно сдвигаются, переходя в некоторых случаях в область отрицательных измерений размеров (усадка). Влияние различной тетрагональности мартенсита в этом случае относительно слабее и сказывается в различном изменении размеров при невысоком отпуске (180-190єС).

Этот пример показывает, что для получения минимальных изменений размеров изделия нужно добиваться не такой предварительной обработки, которая дает минимальные изменения размером после закалки, а такой, которая дает минимальное изменение размеров после отпуска, являющегося конечной операцией термической обработки. Следовательно, в данном случае при низкотемпературном отпуске лучшей будет исходная структура не троостита, получаемого нормализацией с 920 єС, а структура точечного перлита (сорбита), получаемого путем закалки и высокого отпуска.

В целом, в отношении влияния предварительной обработки на практические результаты закалки можно сделать следующий вывод: предварительная обработка (нормализация, закалка), как правило, не гарантирует отсутствия изменения размеров, однако это уменьшение колеблется в больших пределах для различных сталей и для различных исходных структур.

В процессе самого отпуска размеры закаленных изделий значительно изменяются и, направляя это изменение в нужную сторону, можно добиться значительного уменьшения изменения размеров.

Если предварительной обработкой является закалка, следует ее проводить в горячей среде (масле, селитре), предварительная закалка в масле с температур, превышающих 850 єС, приводит к резкому ухудшению ударной вязкости после окончательной закалки. Изменения размеров при повторной закалке часто не носят закономерного характера. Вместо обычного расширения, наблюдаемого при однократной закалке, при повторной закалке, часто наблюдается усадка размеров. Все это, очевидно, связано с образованием необратимой пластической деформации и микротрещин в микрообъемах и, следовательно, полностью не может быть восстановлено. Вследствие этого желательно, чтобы при предварительной закалке температура закалочной среды была не менее 150-250 єС.

Растрескивание при закалке. Трещины - неисправимый и потому самый опасный дефект закалки.

В процессе охлаждения при закалке вследствие неодновременного изменения температуры в разных участках изделия и неодновременных фазовых превращений, сопровождающихся различным изменением удельного объема, возникают тепловые (объемные) и структурные напряжения. Если в результате суммирования этих напряжений создаются растягивающие напряжения, равные пределу прочности, происходит растрескивание. Опыт показывает, что растрескивание изделия может произойти и при напряжениях, меньших предела прочности, вследствие так называемого "задержанного разрушения". В этом случае в связи с длительной выдержкой закаленной стали под воздействием напряжений разрушение происходит при напряжения, величина которых значительно меньше предела прочности стали.

Растрескивание при сравнительно малых средних величинах напряжений может произойти, если создаются местные высокие напряжения (например, на границе мягкого пятна, границе изменения сечения и т.д.), поэтому местом образования трещин обычно являются риски, выточки, клейма, где концентрируются напряжения. Однако и на гладких изделиях вследствие неодновременного протекания мартенситного превращения при быстром охлаждении создаются сильные напряжения, которые могут разорвать изделие непосредственно после закалки или вскоре после нее.

В этом отношении высокоуглеродистая легированная сталь наиболее чувствительная к возможным отступлениям от правильного охлаждения. Достаточно, например, попадания на изделия струи холодного масла, чтобы вызвать растрескивание. Небольшое количество воды в закалочном масле может дать массовый брак по трещинам. Холодная вода в моечных машинах способствует образованию трещин по рискам и галтелям у горячих колец.

Температура закалочного масла очень сильно влияет на образование трещин. Понижение температуры с 50-60 до 20 єС сильно увеличивает трещинообразование. В связи с этим при охлаждении должны быть выполнены все предосторожности (проверка жидкости, уменьшение надрезов и выточек и т.д.).

Существуют некоторые особенности закалки заэвтектоидной стали или, вытекающие из этого, что состав твердого раствора стали при нагреве под закалку непрерывно изменяется. Поведение стали при закалке оказывается очень чувствительным к степени нагрева, определяющей состав твердого раствора стали в момент закалки. При повышении температуры нагрева (рост зерна, увеличение легированности аустенита) мартенситное превращение происходит в области более низких температур. В связи с этим внутренние напряжения и, следовательно, склонность к растрескиванию резко увеличиваются.

Перегрев при закалке или предварительная нормализация создают характерные трещины в виде мелких рисок или волосовин. Они отличаются от сетки шлифовочных трещин или крупных одиночных трещин в местах концентрированных объемных напряжений.

А.С. Шейном была проведена закалка из цементационного ящика с температурой 860 єС. При этом растрескивания не было обнаружено. В тоже время при закалке таких же колец, с той же температуры из обычной камерной печи на 65% колец были обнаружены характерные поверхностные трещины.

При охлаждении обезуглероженного изделия в интервале мартенситного превращения происходит увеличение объема, разнос в разных по составу слоях. Высокоуглеродистая основная масса изделия расширяется относительно больше, чем низкоуглеродистый обезуглероженный слой.

Кроме того, обезуглероженный слой претерпевает превращение и расширение раньше, чем необезуглероженная часть изделия. Вследствие этого в момент, когда в основной массе изделия происходит мартенситное превращение и связанное с ним расширение, в обезуглероженном слое возникают сильные растягивающие напряжения. Естественно, что эти напряжения концентрируются в рисках от механической обработки, где они превышают предел прочности обедненного углеродом слоя и разрывают его.

При закалке с очень высоких температур (890-900 єС) поверхностные трещины часто не образуются, несмотря на наличие явных следов перегрева (крупноигольчатый мартенсит и т.д.). Следует предполагать, что это связано с меньшим увеличением объема в основной массе закаливаемого изделия из-за образования увеличенного количества остаточного аустенита. Однако это имеет место только при сильном перегреве (температура закалки - 900 єС и более). При обычном перегреве (860-870 єС), который имеет место в производстве, с увеличением перегрева трещинообразование в рисках увеличивается. Это связано с тем, что при таком перегреве при закалке превалирует увеличение тетрагональности мартенсита и вызываемое этим увеличение объема в основной массе изделия.

Можно предполагать, что в данном случае перегрев не является первопричиной образования поверхностных трещин, а лишь способствует ему. Тоже самое можно сказать о низкой температуре масла, интенсивной циркуляции его и т.д. Первопричиной поверхностных трещин, как это следует из изложенного, является обезуглероживание поверхности, изменение объема при мартенситном превращении.

Поскольку перегрев при закалке сопровождается и обезуглероживанием и резким возрастанием внутренних напряжений, часто, особенно в изделиях переменного сечения, можно наблюдать одновременно закалочные трещины от объемных напряжений и поверхностные трещины от обезуглероживания.

Таблица 2 - Виды брака при закалке деталей подшипников из стали ШХ 15СГ и методы устранения

2. Виды брака при цементации и способы его устранения