Термическая обработка шарикоподшипников качения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования науки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра «Физики металлов и материаловедения»

Контрольно-курсовая работа

По дисциплине «Основы проектирования технологических процессов термической обработки»

Термическая обработка шарикоподшипников качения

Содержание

1. Задание на работу

2. Основная часть

3. Шарикоподшипниковые стали

4. Технология термической обработки деталей подшипников качения

5. Оборудование для термической обработки

6. Термическая обработка деталей подшипников при индукционном нагреве

7. Технология предварительной термической обработки поковок

8. Контроль качества шарикоподшипниковой стали

Список использованной литературы

1. Задание на работу

Описать условия работы шариковых подшипников качения диаметром 60мм, выбрать материал и технологический процесс упрочнения, тип основного термического оборудования. Назначить температурные параметры обработки при крупносерийном производстве

2. Основная часть

подшипник поковка термический нагрев

Шариковый подшипник является одним из наиболее распространённых типов, нашедший широкое применение в самых разных отраслях промышленности. В силу своей конструктивной особенности, шариковые подшипники имеют самое низкое сопротивление качению. Причиной тому является форма тел качения - это шар. При качении, шар испытывает меньшее сопротивление, чем ролик, поэтому шарикоподшипник способен допускать гораздо большие частоты вращения, чем роликовый подшипник.

Разновидности шариковых подшипников.

Шариковые подшипники качения могут быть однорядными и двухрядными, а также подразделяться на:

- радиальные шариковые подшипники;

- упорные шариковые подшипники;

- радиально-упорные шариковые подшипники.

3. Шарикоподшипниковые стали

Высокоуглеродистые подшипниковые стали поставляются по ГОСТ 801--78. Наиболее распространена сталь ШХ15, обладающая высоким сопротивлением контактной усталости и высокой износостойкостью. Сталь умеренно легирована хромом и является относительно недорогой. Ограниченный уровень прокаливаемости стали ШХ15 не позволяет применять ее для сквозной закалки массивных колец и тел качения. В этом случае используют стали с повышенной прокаливаемостью за счет увеличенного содержания кремния и марганца (ШХ15СГ и ШХ20СГ).

Шарикоподшипниковые стали подвергаются воздействию высоких нагрузок переменного характера. Основными требованиями являются высокая прочность и износостойкость, высокий предел выносливости, отсутствие концентраторов напряжений, неметаллических включений, полостей, ликваций.

Шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1 %) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).

Высокое содержание углерода и хрома после закалки обеспечивает структуру мартенсит плюс карбиды, высокой твердости, износостойкости, необходимой прокаливаемости.

Дальнейшее увеличение прокаливаемости достигается дополнительным легированием марганцем, кремнием (ШХ15СГ).

Повышены требования в отношении чистоты и равномерности распределения карбидов, в противном случае может произойти выкрашивание. Стали подвергаются строгому металлургическому контролю на наличие пористости, неметаллических включений, карбидной сетки, карбидной ликвации.

Термическая обработка включает отжиг, закалку и отпуск. Отжиг проводят после ковки для снижения твердости и подготовки структуры к закалке. Температура закалки составляет 790…880 oС в зависимости от массивности деталей. Охлаждение - в масле (кольца, ролики), в водном растворе соды или соли (шарики). Отпуск стали проводят при температуре 150…170oС в течение 1…2 часов. Обеспечивается твердость 62…66 НRC.

Из стали ШХ9 изготавливают шарики и ролики небольших размеров, из стали ШХ15 - более крупные.

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки (подшипники прокатных станов), изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей глубокой цементацией на глубину 5…10 мм. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95Х18.

4. Технология термической обработки деталей подшипников качения

Подшипники качения являются одним из основных элементов большинства машин и механизмов. Подшипники характеризуются грузоподъемностью, долговечностью и надежностью, точностью и частотой вращения, массой, уровнем шума и т. д.

Подшипники работают в широком диапазоне температур (от --250 до 700 °С) и скоростей до 300 тыс. об/мин.

Условия эксплуатации подшипников.

На работоспособность подшипников влияют многие факторы, в том числе: соответствие подшипников по типу и размерам характеру и величине эксплуатационных нагрузок; качество стали и термическая обработка; точность изготовления деталей и чистота обработки; качество сборки подшипников; условия монтажа, качество смазки и другие особенности эксплуатационных условий.

Таким образом, при правильном выборе и требуемом высоком качестве изготовления и сборки подшипников, что обеспечивается комплексом конструкторских и технологических мероприятий, долговечность подшипников определяется главным образом качеством стали и ее термической обработкой.

Основные напряжения в деталях подшипников при эксплуатации возникают вследствие многократно повторяющегося контактного нагружения колец и тел качения. Контактная выносливость материала является основным параметром для расчета долговечности подшипников. Кроме того, в реальных условиях эксплуатации детали подшипников различного назначения могут подвергаться изнашиванию (из-за проскальзывания катящихся тел), динамическим нагрузкам, воздействию коррозионных сред и повышенных температур.

Наиболее типичны следующие виды повреждений: контактно-усталостное выкрашивание (питтинг), вмятины, отслаивания, износ, трещины, коррозия.

Контроль качества отжига осуществляют по твердости и микроструктуре. При этом целесообразно контролировать поковки из наиболее холодных и наиболее горячих мест садки. В настоящее время разработаны приборы неразрушающего контроля качества отжига. В частности используют прибор УКО-М1, основанный на измерении коэрцитивной силы в проходном преобразователе с феррозондовым индикатором, предназначенный для контроля поковок диаметром 150--280 мм и высотой 50--90 мм.

Дефектная, вследствие недогрева структура, исправляется повторным отжигом, а вследствие перегрева -- нормализацией с последующим отжигом.

Технология н оборудование для окончательной термической обработки деталей подшипников из сталей ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ

Основным видом упрочняющей термической обработки, формирующей окончательные свойства деталей подшипников, является закалка с низким отпуском.

5. Оборудование для термической обработки

Ввиду большой номенклатуры колец и тел качения используют разнообразное термическое оборудование. В настоящее время на отечественных заводах большинство деталей подшипников подвергают термической обработке в агрегатах, оснащенных электропечами для закалки и отпуска. Наиболее типичное оборудование для термической обработки шариков для диаметров 50-75 мм являются конвейерные печи с индивидуальной закалкой шаров в водно-содовом растворе.

Детали перед поступлением в закалочную печь должны быть чистыми и сухими без следов масла и эмульсии, а также без грубых дефектов поверхности (рисок, забоин, вмятин, ожогов, ржавчины). Для получения однородной качественной закалки целесообразно загружать детали в печь в один слой.

Высокое качество закалки достигается при нагреве и охлаждении деталей в соляных ваннах. Однако они имеют сравнительно малое распространение в подшипниковой промышленности в связи с необходимостью дополнительных операций промывки и предохранения деталей от коррозии, неблагоприятных гигиенических условий работы и повышенного загрязнения внешней среды.

Закалка.

Режим закалки назначается в зависимости от состава стали и характера исходной структуры и определяется скоростью и температурой нагрева, временем выдержки и интенсивностью охлаждения.

Скорость нагрева. Теплопроводность и пластичность стали типа ШХ позволяют нагревать ее практически сколь угодно быстро без опасности возникновения трещин. Ускорение нагрева увеличивает производительность оборудования, уменьшает окисление и обезуглероживание деталей. В проходных печах ускорение нагрева достигается увеличением мощности и повышением температуры в загрузочных зонах. Однако для массивных деталей сложной формы скорость нагрева должна быть ограничена с целью предотвращения коробления.

Температура нагрева. Нагрев должен обеспечить:

а) завершение перлито-аустеннтного превращения при растворении углерода в аустените до содержания 0,55--0,65%;

б) сохранение относительно мелкого (9--10-го баллов по ГОСТ 5639--82) аустенитного зерна;

в) достаточную однородность аустенита, позволяющую избежать появления в структуре закаленной стали продуктов немартенситного превращения.

Чем крупнее детали, тем медленнее они охлаждаются в закалочной жидкости и тем большая устойчивость аустенита необходима для качественной закалки. Для растворения необходимого количества углерода и легирующих элементов в аустените крупные детали нагревают до более высоких температур.

При закалке в воде температуру нагрева деталей назначают несколько ниже, чем при закалке в масле. Это связано с тем, что более интенсивное охлаждение в воде обеспечивает отсутствие немартенситных продуктов превращения аустенита даже при пониженной его устойчивости. Понижение температуры закалки уменьшает внутренние напряжения и коробление деталей. Температуры нагрева под закалку для шариков диаметром 3--75мм 840-860°С

Длительность нагрева должна обеспечить достижение деталями заданной температуры и требуемое насыщение аустенита углеродом. Для подшипниковых сталей, подвергаемых неполной закалке, время нагрева существенно влияет на качество закалки, рак как при нагреве и выдержке происходит непрерывное насыщение твердого раствора.

Общая длительность нагрева возрастает с увеличением толщины стенки диаметра тел качения и загрузки пода и приближенно может быть оценена по формуле:

ф=а,

где ф -- длительность нагрева, мин; S -- толщина стенки колец, мм; D -- диаметр шариков или роликов, мм; а -- эмпирический коэффициент.

Применение защитных атмосфер для нагрева деталей подшипников под закалку позволяет предотвратить окисление и обезуглероживание поверхности деталей, уменьшить припуски на окончательную обработку, сократить или отменить шлифовку отдельных поверхностей колец и роликов. При нагреве колец из стали ШХ15 без защитной атмосферы глубина обезуглероживания может превысить 0,2 мм, а концентрация углерода в поверхностном слое понизится до 0,3--0,5 %.

Наиболее распространенной защитной атмосферой является эндогаз с малым содержанием примесей (Н20, С02, 02, СН4). Для нагрева под закалку стали ШХ15 эндогаз должен иметь точку росы около +3 °С. При этом необходимо учитывать, что за счет подсоса воздуха через загрузочное окно, неплотности соединений и вводы печи точка росы печной атмосферы может существенно превышать точку росы газа, поступающего из эндогенератора. Показано, что даже для сравнительно герметичной ручьевой печи это превышение в среднем составляет +5 °С. Кроме того существенное значение для состава атмосферы имеет насыщение кладки кислородом воздуха при перерывах в работе печи. Так при длительности перерыва 1; 6 и 17 дней для восстановления содержания С02 в атмосфере до 1,0--1,6 % требуется соответственно 20, 35 и 75 ч.

Выбор закалочной среды определяется маркой стали, условиями нагрева, массой и формой деталей. Для стали ШХ15 необходимо интенсивное охлаждение в широкой области температур (700--350 °С), чтобы предотвратить распад переохлажденного аустенита в перлитной и бейнитной областях.

Для закалки шариков применяют минеральное масло марок МЗМ-16, И-12А, И-20А. При нагреве деталей в защитной атмосфере из-за изменения состояния поверхности (отсутствие обезуглероживания и окисления) повышается устойчивость газовой пленки, что замедляет охлаждение в интервале температур перлитного превращения. Это приводит к появлению в структуре закаленных деталей немартенситных составляющих (трооститных пятен на поверхности деталей).

Для предотвращения этого используют индустриальные масла И-12А и И-20А с добавками 16--20 % высокомолекулярных фракций синтетических жирных кислот (масло МЗМ-Б, обладающее повышенной охлаждающей способностью в интервале температур перлитного превращения стали).

Присутствие воды в закалочном масле не допускается. Для этого все минеральные масла перед использованием выдерживают при температуре 140--150 °С в течение 20--24 ч. Контроль наличия воды в закалочных баках проводят не реже двух раз в неделю, при обнаружении воды масло либо заменяют, либо регенерируют путем отстоя при 70--90 °С.

Шарики диаметром более 14 мм, представляющие собой тела простой формы, с целью получения максимальной твердости закаливают в воде. Для предотвращения образования на поверхности деталей трооститных пятен в воду добавляют 3-- 15 % Na2C03, что способствует разрыву паровой пленки при более высокой температуре поверхности. А. Г. Спектор связывает образование трооститных пятен с местным разрушением неустойчивой паровой пленки на поверхности деталей. При этом теплоотдача в данном месте резко усиливается и вблизи поверхности возникает большой перепад температур. Если паровая пленка снова возникает и теплоотдача затрудняется, местный поток тепла к поверхности может замедлить ее охлаждение или даже вызвать нагрев.

Во всех случаях необходимо стремиться, чтобы закалочная жидкость равномерно и интенсивно омывала поверхность деталей. Равномерность охлаждения может быть обеспечена интенсивным «перемещением деталей в закалочной жидкости. Разработаны установки для закалки колец методами вращения и покачивания.

Отпуск деталей подшипников из сталей типа ШХ.

Отпуск является окончательной операцией термической обработки, определяющей качество готовых деталей подшипников. Благодаря ему достигается повышение вязкости, размерная и структурная стабильность деталей. Для отпуска используют электропечи сопротивления с принудительной циркуляцией воздуха, калориферные печи и масляные ванны. Закаленные детали следует подвергать отпуску сразу или, по крайней мере, не позднее, чем через 3 ч после закалки.

Отпуск должен обеспечить повышение вязкости стали за счет уменьшения тетрагональности мартенсита и внутренних напряжений без интенсивного распада остаточного аустенита, сопровождающегося падением ударной вязкости. Интенсивный распад аустенита в стали ШХ15 начинается при температурах выше 175 °С. Практически отпуск деталей подшипников из стали ШХ15 осуществляют при 150--165 °С, из сталей ШХ15СГ и ШХ20СГ -при 160--175 °С. Рекомендуется детали выдерживать не менее 2 ч при заданной температуре. Общая продолжительность отпуска зависит от массы и размеров деталей, от нагревательных устройств и колеблется от 2,5 до 3,5 ч для деталей подшипников массовых серий.

6. Термическая обработка деталей подшипников при индукционном нагреве

Применение индукционного нагрева позволяет реализовать значительные технико-экономические преимущества, в том числе: сократить расход энергии, интенсифицировать процесс термической обработки, улучшить условия труда. Отпадает необходимость в защитных атмосферах, в качестве закалочной среды в большинстве случаев используют воду и водные растворы вместо масла.

Такой нагрев с большими скоростями нашел в подшипниковой промышленности ограниченное применение для термической обработки, в частности, для конических роликов. Ролики из стали ШХ15 нагреваются в индукторе, питаемом от лампового генератора мощностью 60 кВт и частотой 70 кГц. Температура нагрева 920 °С, время нагрева 8 с. Закалочное охлаждение осуществляется водой в спрейерном устройстве.

Более широко для закалки подшипниковых сталей используют индукционный нагрев с малыми скоростями в области фазовых превращений или с изотермической выдержкой при конечной температуре. При этом детали нагреваются до температур, близких к температурам печного нагрева под закалку, что не сопровождается интенсивным ростом аустенитного зерна, а требуемый уровень насыщения аустенита обеспечивается за счет изотермической выдержки.

Получение заготовок деталей подшипников

Мелкие шарики и ролики изготавливают холодной штамповкой на горизонтально-высадочных прессах--автоматах, крупные шарики -- горячей поперечной прокаткой или штамповкой. Массивные ролики вытачивают из отожженных прутков.

7. Технология предварительной термической обработки поковок

Поковки из высокоуглеродистых подшипниковых сталей подвергают сфероидизирующему отжигу (на зернистый перлит). Сталь со структурой зернистого перлита обеспечивает хорошую производительность резания и качество обрабатываемой поверхности при обработке заготовок на автоматических станках. Однородный мелкозернистый перлит является оптимальной исходной структурой для последующей закалки, так как за счет медленного растворения глобулярных карбидов повышается технологичность стали при закалке (меньше склонность к росту аустенитного зерна, шире допустимый интервал закалочных температур). Кроме того глобулярная форма и равномерное распределение карбидов наилучшим образом соответствует оптимальному по прочности и вязкости структурному состоянию стали после закалки (мелкие карбидные глобули, равномерно распределенные в мартенсите). Это особенно важно, так как нагрев под закалку заэвтектоидных сталей ведется с сохранением нерастворенными части карбидов.

Микроструктура поковок после сфероидизирующего отжига оценивается по шкалам ГОСТ 801--78. Для стали ШХ15 допускается структура, соответствующая баллам 1--4 шкалы № 8 со средним размером частиц карбида 0,9--1,46 мкм. Допустимая твердость сталей ШХ15 и ШХ4 после отжига находится в пределах НВ 179--207, для сталей ШХ15СГ и ШХ20СГ НВ 179--217.

Основным видом предварительной термической обработки высокоуглеродистых подшипниковых сталей является сфероидизирующий отжиг с нагревом выше Acl но ниже Аст и последующим медленным охлаждением. Конкретные темнературно-временные параметры отжига определяются в зависимости от марки стали, конструкции печи, величины садки.

8. Контроль качества шарикопошпниковой стали

После окончательной термической обработки твердость колец и роликов из стали ШХ15 должна быть в пределах HRC 61--65, из стали ШХ15СГ -- в пределах HRC 60--64. Требуемая твердость шариков из стали ШХ15 HRC 60--66.

Излом деталей контролируется для оценки качества термической обработки, выявления пережога при ковке и штамповке. При удовлетворительной закалке излом матово-серый, фарфоровидный, шелковистый.

Микроструктуру проверяют на оптических микроскопах при увеличениях в 500--600 раз и при удовлетворительной термической обработке она должна содержать скрытокристаллический мартенсит и равномерно распределенные избыточные карбиды. Наличие троостита свидетельствует о недостаточном нагреве или интенсивности охлаждения. Перегрев обнаруживается по появлению заметной игольчатости мартенсита.

Наличие трещин проверяют на дефектоскопах (магнитных, люминесцентных, ультразвуковых и др.). Трещины в деталях подшипников не допускаются.

На подшипниковых заводах все шире используют приборы неразрушающего контроля качества термической обработки. Разнообразие приборов и принципов их работы весьма велико, в частности применяют методы вихревых токов с амплитудно-фазовой обработкой сигналов преобразователя (прибор АНК-М1 для колец после отпуска о автоматической рассортировкой), метод высших гармоник (прибор АТШ-М2 для шариков), метод измерения результирующего поля в деталях при их помещении в электромагнитное поле.

Список использованной литературы

1. Ю.А. Башнин, Б.К. Ушаков, А.Г. Секей. Технологий термической обработки. М.:Металлургия, 1986.-424с

2. Черменский О.Н., Федотов Н.Н. Подшипники качения: Справочник-каталог.-М.: Машиностроение, 2003

Размещено на Allbest.ru