Брак при упрочнении деталей подшипников

БРАК ПРИ УПРОЧНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ ПОДШИПНИКОВ

 

Дефекты закалки  и пути борьбы с ними

 

Дефекты микроструктуры. Основным стандартом, по которому осуществляется поставка подшипниковых сталей, является ГОСТ 801-78. В нем предусмотрены четыре марки стали: ШХ15, ШХ15СГ, ШХ4 и ШХ20СГ. Стали отличаются низким содержанием серы и фосфора, концентрация которых не должна превышать 0,02 и 0,027% соответственно. В них ограничено содержание остаточных никеля и меди, сумма которых должна быть не выше 0,5%.

Подшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью в закаленном и отпущенном состоянии, износостойкостью и контактной выносливостью, а также  высокой вязкостью и прочностью. Отсюда высокие требования к способам выплавки и прочности стали, химическому  составу и микроструктуре (неметаллические  включения, карбидная неоднородность, характер и структура мартенсита закалки и т.д.). Исходя из этого, ГОСТ 801-78 не допускает отклонения от норм химического состава.

Микроструктура отожженной стали исследуется с целью  определения дисперсности карбидов, характера их распределения, обнаружения  карбидной ликвации, карбидной сетки, полосчатости и обезуглероживания. Эти показатели микроструктуры нормируются стандартами и техническими условиями.

Требования к микроструктуре после отжига обусловлены требованиями к обрабатываемости резанием и к  микроструктуре и твердости после  закалки. Микроструктуру выявляют травлением в 2-4%-ном спиртовом растворе азотной  или пикриновой кислоты. Наиболее благоприятной  является структура зернистого перлита. Степень дисперсности карбидов оказывает  влияние на обрабатываемость стали. Весьма мелкий или точечный перлит благоприятен для получения однородного  мартенсита с равномерно распределенным углеродом в твердом растворе, но хуже поддается обработке резанием. Крупнозернистый перлит легко поддается  обработке резанием, но вследствие увеличения расстояния между карбидами  ухудшает равномерность распределения  углерода в аустените при последующем  нагреве под закалку. Поэтому  для обеспечения сочетания удовлетворительной обрабатываемости резанием и качественной закалкой выбран ряд промежуточных  структур.

В стандарте для стали  ШХ15СГ допускаются баллы 1-4 шкалы №8 со средним размером частиц цементита 0,9 и 1,46 мкм соответственно (рисунок 1).

Рисунок 1 - Микроструктура стали ШХ15СГ после отжига, зернистый перлит (×1000)

 

Вследствие большой ликвации хрома и углерода в стали ШХ15СГ возникает карбидная неоднородность, проявляющаяся в виде карбидной ликвации, карбидной полосчатости, структурной полосчатости (рисунок 2).

Перечисленные дефекты выявляются после закалки стали на мартенсит, низкотемпературного отпуска и специального травления шлифов.

 

а-карбидная ликвация; б-структурная полосчатость. ×100; в-карбидная сетка. ×500

 

Рисунок 2 - Карбидная неоднородность в хромистой подшипниковой стали

 

Карбидная ликвация представляет собой грубые скопления крупных  карбидов в прокатанной стали, расположенных  в виде коротких строчек вдоль  направления прокатки. Карбидная  ликвация снижает контактную выносливость стали, увеличивает коэффициент  трения и удельный износ стали. В  стандартах всех стран она жестко регламентируется; допустимый балл по шкале ГОСТ 801-78 не превышает балла 2 для отожженной стали.

Карбидная полосчатость представляет собой полосы с большой концентрацией вторичных карбидов, вытянутые вдоль направления прокатки. Карбидная полосчатость выявляется при травлении микрошлифа, вырезанного вдоль оси прокатки, до темного фона, на котором четко видны только карбиды. В полосах могут присутствовать участки карбидной ликвации. Вторичные карбиды в полосе часто образуют замкнутую карбидную сетку.

ГОСТ 801-78 регламентирует не карбидную, а структурную полосчатость. Структурная полосчатость – это чередующиеся светлые полосы и темные полосы микроструктуры, выявляемые также на продольных микрошлифах при обычном или более длительном травлении заклеенной и низкоотпущенной стали в свежеприготовленном 4 %-ном спиртовом растворе азотной кислоты (рисунок 3).

 

Рисунок 3. Структурная полосчатость и разнозернистость в стали (закалка в масле с 850^оС, отпуск при 250^оС). ×500

 

В одних случаях чередуются полосы скрытокристаллического мартенсита с различной степенью травимости, в других – темные полосы троостомартенисита и светлые полосы мелокоигольчатого или игольчатого мартенсита. В темнотравящихся полосах в основном концентрируются карбиды, карбидная ликвация или карбидная сетка.

Проявлением неоднородности распределения карбидов является карбидная  сетка, образующаяся в результате замедленного охлаждения проката или поковок. Сталь с карбидной сеткой склонна  к трещинообразованию при закалке, имеет пониженную ударную вязкость и контактную выносливость. Максимальная допустимая считается балл 3,0.

В некоторых случаях устранить  тонкую карбидную сетку в готовом  прокате можно нормализацией  перед закалкой при 900-930^оС. Грубая же карбидная сетка мерами термической обработки не устраняется, поэтому борьба с ней ведется интенсификацией охлаждения после прокатки. Внедрение спрейерного охлаждения прутков позволило существенно снизить балл карбидной сетки.

Игольчатый мартенсит появляется в структуре закаленной стали в результате перегрева. Вначале он образуется в местах, обедненных карбидами, которые одновременно являются местами интенсивного роста зерна, поэтому чаще наблюдается местная игольчатость мартенсита. При значительном перегреве (870-880^оС) иглы выявляются по всему объему стали и сильно укрупняется. Игольчатость, сопровождая высокую насыщенность и крупнозернистость мартенсита, свидетельствует о хрупком, напряженном состоянии закаленной стали, поэтому для высокоуглеродистой стали такая структура недопустима и должна быть исправлена. Перед повторной закалкой изделия необходимо отжечь на структуру мелкозернистого перлита. При температуре 700-720ºС с выдержкой 1 час и скорости охлаждения 50-60ºС/ч. Повторная закалка должна быть произведена при температуре на 10-15ºС ниже нормальной

Троосто-мартенситная структура. В деталях подшипников, инструментах, требующих высокой твердости и износостойкости, троостит в структуре после закалки недопустим. Троостит в закаленной стали может появиться по двум причинам. Во-первых, от недогрева. Если нагрев произведен ниже оптимальной температуры или с малой выдержкой, насыщение твердого раствора углеродом не успеет произойти. При применяемой скорости охлаждения (в масле) малоуглеродистый твердый раствор успеет распасться на ферритоцементитную смесь. Обычно участки троостита появляются в тех местах, где раствор был наименее насыщен. Диапазон получаемой структуры и, следовательно, твердости в зависимости от степени недогрева очень широк: от мелких точечных участков троостита в массе мартенсита до сплошного троостита. Во-вторых, троостит может появиться в структуре от недостаточной скорости охлаждения (слабоохлаждающая жидкость, большая масса изделия и др.). Так как превращение аустенит-перлит начинается на границах зерен, то частично начавшееся и затем прерванное закалкой превращение дает трооститную сетку вокруг аустенитного (мартенситного) зерна. Такая структура является характерной для изделий, подстуженных при закалке.

Нагретые изделия могут  быть подстужены вследствие сдвига на край печи или длительного нахождения на воздухе в момент закалки. В конвейерных печах подстуживание происходит, если изделие случайно застряло при выходе из печи в закалочном лотке, и т.п., где температура понижена. Часто этот дефект является следствием неправильного распределения температуры вдоль печи, т.е. когда в средней части печи температура выше, чем на выходе. Это бывает в нефтяных и газовых печах из-за неправильного распределения секций сопротивлений.

Если троостит в структуре  получился от недогрева, следует поднять температуру всех зон печи. Если же получение троостита связано с подстуживанием, следует поднять температуру только выходной зоны.

Неправильное увеличение температуры по зонам может принести к комбинации обоих дефектов (перегрев в середине и подстуживание в конце печи). Тогда возможно одновременное образование в структуре и игольчатого мартенсита и троостита.

В электрических конвейерных  печах целесообразно вводить  добавочное сопротивление на задней стенке печи мощностью 7-8кВт. Выходное отверстие и спускной лоток должны быть защищены от потерь теплоты хорошей  теплоизоляцией.

Если закаливаются крупные  шары (или ролики), следует к пути их движения в жидкости подводить  добавочные струи или увеличить  высоту закалочного бака. Тоже самое следует делать при резко увеличенной производительности закалочной печи.

Наличие троостита в структуре  сопровождается снижением твердости  тем в большей степени, чем  больше троостита. Перегрев при закалке  не сопровождается значительным изменением твердости.

Обычным способом выявления  перегрева и сопутствующей игольчатой структуры является проба на излом. Излом выявляет не только перегрев при закалке, но и следы сильного перегрева предшествующих операций (ковки), часто не выявляемые даже микроструктурным анализом.

Если появление игольчатости при закалке связано с исходной структурой (неоднородным крупнозернистым перлитом, карбидной плосчатостью), что часто имеет место при изготовлении деталей из калиброванной стали, следует перед закалкой провести нормализацию (800ºС) с ускоренным отжигом.

 

Таблица 1 - Виды брака при закалке деталей подшипников из стали ШХ15СГ и методы устранения

№ п/п	Виды брака	Методы устранения
1.	Перегрев	Понизить температуру  на 2-й зоне. Если понижение температуры  на 2-й зоне недостаточно, понизить температуру  на 3-й зоне. Привести время выдержки в соответствии с технологией.
2.	Троостит от недогрева. Нагрев произведен ниже оптимальной температуры, выдержка ниже технологической.	Необходимо поднять температуру  на 2-й зоне. Привести время выдержки в соответствии с техгологией.
3.	Троостит получен в  результате подстуживания. Характерная структура – трооститная сетка вокруг аустенитного (мартенситного) зерна.	Поднять температуру на 3-й  зоне.
4.	Троостит получен от недостаточной  скорости охлаждения.	Привести в соответствии с технологией время качания, вращения. Закалка с вертушкой  согласно технологии.

 

Примечание:

1. Для увеличения закаливаемости стали ШХ15 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.