Повышение износостойкости крупногабаритных колец подшипников

Наиболее широко применяемые в промышленности процессы ХТО такие как азотирование, нитроцементация и цементация.

  Азотирование. Азотирование — это технологический процесс химико-термической обработки, при которой поверхность различных металлов или сплавов насыщают азотом в специальной азотирующей среде. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость. По микротвёрдости азотирование уступает только борированию, в то же время превосходя цементацию и нитроцементацию (незначительно). Азотированный слой, полученный при температуре ниже эвтектоидной состоит из нитридной зоны и зоны внутреннего азотирования. Азотированный слой полученный при температуре выше эвтектоидной - нитридной зоны, зоны и зоны внутреннего азотирования. В условиях переохлаждения с температуры азотирования у-фаза претерпевает сдвиговое мартенситноt превращение: . Фаза - азотистый мартенсит, имеет тетрагональную решетку и при отпуске распадается сначала с образованием фазы а" (нитрид), а затем фазы у’.

За счет образования нитридов высокой  степени дисперсности после старения поверхностная твердость может  достигать 11000... 13000 МПа. При азотировании повышается износостойкость (2-4 раза выше цементированных сталей), повышается усталостная прочность. Формирование на поверхности высоких остаточных напряжений сжатия повышает предел выносливости.

Однако, из-за того, что температура  процесса азотирования очень низкая, этот процесс является очень долгим и, следовательно, экономически невыгодным.

 Нитроцементация. Структура слоя - мелкоигольчатый мартенсит, небольшое количество карбонитридов, аустенит остаточный. Все это обеспечивает меньшую деформацию изделия и коробление, повышение износостойкости, коррозионной стойкости. Низкотемпературная нитроцементация процесс преимущественно насыщения стали азотом, так как глубина проникновения углерода мала — 5...15 мкм, обычно проводят при температуре 540...590°С. В связи с этим данный процесс нам также не подходит в связи с его длительностью, а, следовательно, и с повышенной стоимостью. Среднетемпературная нитроцементация оптимальная температура которой 850...870°С. является более выгодной, с тонки зрения скорости образования нитроцементованного слоя, при температурах выше 900°С (высокотемпературная нитроцементация) наблюдается перегрев слоя и сердцевины. Толщина нитроцементованного слоя не превышает 0,8-1,0 мм. Дальнейшее образование слоя заметно замедляется и опять же становиться экономически не выгодным.

Цементация. Под цементацией принято понимать процесс высокотемпературного насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Так как углерод в α-фазе практически нерастворим, то процесс цементации осуществляется в интервале температур 930–950 °С, т. е. выше α → γ-превращения. Структура поверхностного слоя цементованного изделия представляет собой структуру заэвтектоидной стали (перлит и цементит вторичный), поэтому для придания стали окончательных  эксплуатационных свойств после процесса цементации необходимо выполнить режим термической обработки, состоящий в закалке и низком отпуске; температурно-временные параметры режима термической обработки назначаются в зависимости от химического состава стали, ответственности, назначения и геометрических размеров цементованного изделия. При обычных температурах цементации 9Ю...930°С на поверхности образуется аустенит с содержанием углерода не более 1.1...1,0 масс. % углерода. По мере удаления от поверхности содержание углерода плавно уменьшается, до исходного содержания углерода в стали. При охлаждении детали в диффузионном слое происходят фазовые превращения в соответствии с содержанием углерода. Структура поверхностного слоя (заэвтектоидная зона) состоит из П+Цц . Затем следует эвтектоидная зона состоящая из П, далее доэвтектоидная - П+Ф, которая плавно перетекает в сердцевину.

Цементация осуществляется при  нагреве изделий в науглероживающей среде (карбюризаторе). В связи с  этим существуют следующие методы цементации:

•в твердом карбюризаторе 

•в жидких средах

•газовая цементация

•вакуумная цементация

•ионная цементация ( цементация в тлеющем разряде).

 Газовая цементация.

 Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором. Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, а также окись углерода, метан и другие углеводороды, которые являются активными газами. Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.

Преимущества способа:

-возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);

-сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;

-возможность полной механизации и автоматизации процесса.

Способ применяется в серийном и массовом производстве.

Цементация в твердом  карбюризаторе. 

 Почти готовые изделия, с  припуском под шлифование, укладывают  в металлические ящики и пересыпают  твердым карбюризатором. Используется  древесный уголь с добавками  углекислых солей ВаСО₃, Na₂CO₃ в количестве10…40 %. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 ^oС.

За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода по реакции:

Образующиеся атомы углерода адсорбируются  поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.

Недостатками данного способа  являются:

- значительные затраты времени  (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час);

- низкая производительность процесса;

- громоздкое оборудование;

- сложность автоматизации процесса.

Способ применяется в мелкосерийном  производстве.

Цементация в жидких средах. Цементация в жидких средах производится в расплавленных солях, обычно в солях, состоящих из карбонатов щелочных металлов. Эту смесь расплавляют в ванне и цементации проводят посредством погружения деталей в расплав. Процесс ведут при 850°С на протяжении 0,5 - 3,0 часов, при этом глубина сдоя получается в пределах 0,2 - 0,5 мм. Основное достоинство процесса - возможность непосредственной закалки из цементационной ванны и малые деформации обработанных изделий.

Кроме перечисленных видов цементации в последние годы появились: цементация из паст, вакуумная цементация, цементация в псевдосжиженном слое, ионная цементация, которые предназначены для цементации деталей сложного профиля, ответственного назначенияи для сокращения длительности процесса.

 

 

 
 
 По теоретическим данным, приведенными  выше можно сделать вывод, что  наиболее целесообразно применять  для крупногабаритных колец подшипников  газовую цементацию.

Обоснование выбора ХТО.

1.Азотирование. Малый азотированный слой, находясь под действиями больших нагрузок будет продавливаться. Так же твердость сердцевины после закалки, проводимой перед азотированием, обычно не превышает 30 HRC. Из этого делаем вывод, что данный процесс нам не подходит. 
2.Нитроцементация. Толщина нитроцементованного слоя не превышает 0,8-1,0 мм. Дальнейшее образование слоя заметно замедляется и опять же становиться экономически не выгодным.

3.После окончательной ТО данный вид ХТО будет отвечать всем нашим требованиям. С его помощью можно достичь большую толщину слоя, высокую твердость поверхности, относительно вязкую сердцевину.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Технология газовой цементации и последующей термической обработки.

Рисунок 1 .-Режим ХТО и последующей термической обработки. 

Для цементации шесть-десять колец укладывают (с прокладками  между ними) на крестовину и помещают в шахтную печь. После длительной выдержки (140 часов) в печи при температуре цементации (930—950° С) кольца вместе с крестовиной охлаждают в масле (во избежание образования карбидной сетки) до 200—300° С (чтобы при охлаждении не происходило образования мартенсита). Затем крестовину с кольцами переносят в печь, нагретую до 580° С, для проведения высокого отпуска и выдерживают 8—12 ч. охлаждают на воздухе. Цель высокого отпуска — наиболее полное разложение аустенита, сохранившегося (свыше 90%) в цементованном слое после неполного охлаждения с температуры цементации, на феррито-цементитную смесь. Качественное выполнение этой операции в значительной степени предопределяет работоспособность деталей крупногабаритных подшипников. Наличие после высокого отпуска остаточного аустенита, образовавшегося при цементации, ведет к сохранению его и при последующей закалке, что вызывает снижение твердости и прочности. После высокого отпуска твердость HRC < 30. В микроструктуре цементованного слоя не допускается наличие замкнутой карбидной сетки и остаточного аустенита. Затем крестовину с кольцами помещают в шахтную печь для закалки. Температура нагрева 790—810° С, время выдержки 2— 3,5 ч. Охлаждают кольца в масле до полного охлаждения или индивидуально каждое кольцо в специальных закалочных машинах. После промывки производят отпуск закаленных колец при 160—170° С  с выдержкой 12 ч и охлаждением на воздухе. После шлифования проводят дополнительный отпуск при 130—140° С в течение 7—8 ч с охлаждением на воздухе.

6.Структура стали 20Х2Н4А после проведения ХТО и последующей ТО.

 После закалки и  отпуска твердость поверхности  HRC 62, сердцевины HRC 30—45. Микроструктура  поверхностного слоя - мелкоигольчатый мартенсит, карбиды и минимальное количество остаточного аустенита.

 

Рисунок 2.-Микроструктура стали 20Х2Н4А после ХТО и ТО.

Данный технологический  процесс весьма длительный и трудоёмкий. На каждом этапе процесса необходим  контроль таких параметров как длительность выдержки, состав атмосферы. После успешного  проведения технологического процесса получим высокий комплекс механических свойств, наиболее важными из них  являются твёрдость поверхности, износостойкость, вязкость сердцевины. Толщина диффузионного  слоя должен быть 10 мм.

 

 

 

 

7.Виды брака при цементации и способы его устранения.

  Пониженная толщина цементованного слоя. Такой дефект является следствием пониженной температуры процесса или недостаточного времени выдержки и может быть исправлен повторной цементацией.

  Пониженная концентрация углерода в слое. При нормальной температуре процесса и достаточном времени выдержки пониженная концентрация углерода вызывается недостаточной подачей карбюризатора. При работе на газовом карбюризаторе в этом случае необходимо прочистить вводные отверстия, а при работе на жидком — увеличить его подачу. Надо, однако, иметь в виду, что чрезмерное увеличение подачи также может явиться причиной пониженной концентрации углерода, так как в этом случае на деталях оседает слой сажи, препятствующий проникновению углерода в металл.

  Если одновременно наблюдается пониженная толщина слоя и недостаточная концентрация в нем углерода, то наряду с регулированием подачи карбюризатора нужно повысить температуру процесса и увеличить время выдержки.

  Повышенная концентрация углерода в слое.   Это приводит к образованию в цементованном слое цементитной или карбидной сетки, в результате чего после закалки слой приобретает хрупкость. При газовой цементации регулирование насыщенности цементованного слоя углеродом достигается изменением подачи карбюризатора, а также регулированием углеродного потенциала.

  Неравномерная толщина слоя. Если такая неравномерность наблюдается в пределах одной садки на различных деталях, то это может быть вызвано двумя причинами: неравномерным распределением температуры в различных местах печи, либо неравномерной циркуляцией газов в рабочем пространстве. Последнее может произойти при неудачной укладке деталей в корзинах, а также при перегрузке печи либо при неисправности вентилятора. Если же неравномерность слоя наблюдается в пределах одной и той же детали, то наиболее вероятная причина этого — выделение сажи и закоксовывание деталей.

  Пятнистая твердость цементованного слоя. Неравномерная, или, как говорят производственники, пятнистая цементация и, как следствие, неравномерная твердость после закалки вызываются оседанием сажи на поверхности деталей с последующим ее закоксовыванием, что препятствует науглероживанию при цементации и способствует неравномерному охлаждению при закалке.

  Резкий переход цементованного слоя к сердцевине. Обычно это не является браковочным признаком, хотя может послужить в дальнейшем причиной образования более серьезного дефекта — отслаивания и выкрашивания цементованного слоя. Уменьшить резкость перехода можно путем повышения температуры цементации при одновременном уменьшении подачи карбюризатора или его активности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.Оборудование для провеления ХТО и его характеристика.

Широкое применение для газовой  цементации деталей крупногабаритных подшипников нашли электрические  шахтные печи. На рисунке 3 представлена конструкция печи Ц-105. Печь состоит  из каркаса 5 цилиндрической формы, внутри которого находится нагревательная камера 6. По цилиндрической внутренней стенке печи уложены нагревательные элементы 4 в виде проволоки или  ленты из сплавов марки Х15Н60 и  Х25Ю5. Максимальная температура печи 950^оС. Внутри нагревательной камеры установлена жароупорная реторта 3, в которую помещаются корзины 2 или приспособления с деталями, крупные детали помещаются в реторту без корзин. Сверху реторта закрывается крышкой 8, подъем которой производится с помощью гидравлического механизма 1. Через крышку печи проходит вал электродвигателя, на котором установлен вентилятор 7, служащий для создания вихревых потоков газа и выравнивания состава газовой смеси в реторте. При загрузке и разгрузке печи вентилятор выключают. Науглероживающая атмосфера создается испарением и разложением керосина, веретенного масла, бензола или пиробензола, синтина или триэтиноламина, подаваемых в рабочий объем печи (в реторту). Жидкость из бачка 11 самотеком через капельницу в крышке печи подается в реторту. Скорость подачи науглероживающей жидкости можно регулировать краном 10. Испарение и разложение жидкого карбюризатора производят в специальном испарителе. Образующийся в испарителе газовый карбюризатор направляется в печь. В крышке печи имеется второе отверстие 9 с выводной трубкой для отработанного газа. У выхода из трубки газ поджигают. В шахтных печах этого типа используют газовый карбюризатор. Для этого перерабатывают природный газ и смесь его с эндогазом.