Брак при упрочнении деталей подшипников

Изменение размеров в процессе отпуска также различно. В пределах от закаленного состояния до температуры  отпуска +180ºС, соответствующей наименьшему размеру закаленных образцов, имеет место следующее изменение размеров: исходная структура зернистый перлит – 34мкм, точечный перлит – 56мкм, троостит – 72мкм. 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 (180-190ºС).

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 920ºС, 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 850ºС, 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 150-250ºС.

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 20ºС 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 860ºС. 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 (890-900ºС) 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 - 900ºС и более). При обычном перегреве (860-870ºС), 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 ШХ15СГ и методы устранения

.

Мягкие пятна. Это дефект можно условно разбить на два вида: 1) объемные пятна и 2) поверхностные пятна.

К первым относятся мягкие участки на закаленном изделии, имеющие  значительную глубину проникновения. Твердость таких участков, как  правило, сильно снижена. Причиной пятнистости  закалки может быть местный недогрев, местное подстывание, неравномерное охлаждение и т.д.

Неправильное погружение в охлаждающую жидкость может  вызвать пятнистость как при  недостаточно интенсивном перемещении  изделия в ванне, так и при  относительно быстром. В последнем  случае необходимо правильно перемещать изделие в ванне, чтобы при  движении вся поверхность омывалась  жидкостью.

Твердость объемных пятен  различна и колеблется в пределах HRC 40-55. Для исправления дефектных  изделий они должны быть перекалены. При этом приходится прибегать к  повышению температуры нагрева  и ускорению охлаждения, которые, устраняя мягкие пятна, вызывают другой дефект – трещины. В этих случаях  следует применять только такие  меры, которые сводили бы до минимума образование новых дефектов.

Однако повышение температуры  вызывает кроме необходимой высокой  легированности аустенита сильный рост зерна, увеличением внутренних напряжений при закалке и т.д. В тоже время от увеличения выдержки при нагреве внутренние напряжения не увеличиваются, а зерно вырастает ничтожно мало. Вследствие этого для увеличения закаливаемости заэвтектоидной стали из-за большой легированности аустенита следует прибегать к повышению температуры нагрева, а к увеличению выдержки при тойже температуре.

Поверхностные мягкие пятна  представляют собой очень тонкий (до 0,4 мм) трооститный слой с резким переходом к основной структуре – мартенситу.

В зависимости от глубины  пятен их твердость бывает понижена на 2-10 единиц HRC. Большей частью, так как слой очень тонок, твердость снижается на 2-3 единицы HRC и даже меньше.

Поверхностные пятна являются особенностью закалки ТВЧ в воде. Они образуются оттого, что при закалке вода, соприкасаясь с раскаленным металлом, образует малотеплопроводный слой пара, обволакивающий изделие. В тех местах, где этот слой почему-либо долго не удаляется, охлаждение настолько замедляется, что происходит трооститный распад. Несмотря на малую глубину пятен, они очень вредны, так как являются очагами разрушения.

Таким образом, основной мерой  борьбы с появлением мягких пятен  является поддержание в закалочной ванне необходимой концентрации содового раствора (2,5-3%) с температурой ванны не выше 30-35^оС.

Всякие неровности на поверхности, окалина и т.д., создают благоприятные  условия для образования мягких пятен.

Быстрое перемещение деталей  или движение жидкости, отрывая паровую  пленку, предупреждает образование  пятен, поэтому в качестве мер  борьбы применяются устройства, позволяющие  быстро перемещать изделия в закалочной жидкости. В частности, при закалке  шаров для этой цели служит двойной  наклонный лоток (желоб), установленный  на пути падения шаров в закалочном баке. Такой лоток удлиняет время, в течение которого шар быстро перемещается в воде.

Очень эффективным средством  борьбы с мягкими пятнами на кольцах  являются описанные выше валковые закалочные приспособления. При окружной скорости колец более 0,5м/с мягкие пятна  не образуются даже при некотором  понижении температуры нагрева. Однако только механизированные приспособления для передачи колец из печи в закалочный бак исключают возможность образования мягких пятен. При ручной передаче колец из печи в закалочный бак такая возможность не исключается из-за подстуживания колец вследствие некачественной работы калильщика. В промышленности применятеся также ряд других устройств в баках для закалки мелких шаровых и цилиндрических изделий (качающаяся корзина, струйчатый наклонный лоток и т.д.), уменьшающих образование пятен на изделиях.

Окисление и обезуглероживание. Нагрев изделий для закалки сопровождается окислением и обезуглероживанием. Первый дефект вызывает главным образом технологические затруднения. Камень, шлифующий изделия, покрытые окалиной, быстро теряет профиль, начинает делать прижоги и даже шлифовочные трещины. Чтобы уменьшить опасность этих дефектов, требуются добавочные операции очистки песком или в кислоте, крайне ухудшающие условия труда и затрудняющие производство.