Брак при упрочнении деталей подшипников

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 20ºС 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 80-90ºС 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 ШХ15СГ 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 60-80ºС, т.е. практически до 140-160ºС. 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.

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 ШХ15СГ, ХГ и особенно ХВГ. Если при закалке стали ШХ15 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 ШХ15, ХВ2 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 ШХ15, ШХ15СГ, ХГ, ХВГ дает заметное увеличение количества остаточного аустенита. Температура ступени в зависимости от конкретных условий может быть от 180 до 100ºС 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 0ºС 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 ШХ15СГ 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.