Брак при упрочнении деталей подшипников

Обезуглероживание, если размер обезуглероженного слоя выходит  за пределы припуска на шлифование, понижает прочность наиболее нагруженных  слоев рабочих поверхностей, что  вызывает снижение их работоспособности. Наличие обезуглероженного слоя сопровождается технологическими трудностями (введением добавочной контрольной  операции, трещинами) и заставляет увеличивать  припуски на шлифование.

Характерно, что в обезуглероженном слое трещины появляются даже при  относительно хорошей структуре  и изломе, т.е. при отсутствии перегрева. Вследствие этого повышение температуры, часто еще допустимое с точки  зрения получения необходимой структуры, становится недопустимым из-за обезуглероживания  и связанного с этим образования  поверхностных трещин.

Сильное обезуглероживание (до появления феррита) при нагреве  под закалку получается редко. Имеет  место главным образом обеднение  поверхностных слоев до содержания углерода 0,5-0,8%. Такое обеднение углеродом  выявляется с большим трудом. Твердость, измеряемая алмазом, мало понижается, так как обеднением затронуты  только тонкие поверхностные слои. Металлографически выявляется лишь слой, в котором после закалки отсутствуют избыточные карбиды (до 0,6% С). Величина обедненного карбидами слоя при нагреве под закалку до 850ºС составляет 0,06-0,08мм при 30-минутной выдержке и 0,10-0,12мм при 60-минутной выдержке. Фактическая глубина обеднения углеродом приблизительно в 2-2,5 раза больше, особенно если перед закалкой производится нормализация.

Радикальным средством борьбы с окислением и обезуглероживанием является нагрев в соляных ваннах со специально подобранными составами  солей и в защитной контролируемой атмосфере.

При нагреве хромоуглеродистых  сталей в качестве защитной атмосферы  может быть с успехом применена  атмосфера эндогаза на основе СО-Н₂.

Атмосфера эндогаза широко применяется, что обусловлено простотой  ее получения, резко восстановительными свойствами и возможностью автоматического  регулирования ее взаимодействия с  углеродом стали. Атмосфера в  зависимости от исходного сырья имеет следующий состав: окись углерода 18-20%; водорода 38-40%; углекислый газ не более 1,0%; метан не более 1%; водяные пары с точкой росы от +20 до -20ºС и остальное – азот. Атмосфера эндогаза получается при частичном сжигании газообразных углеводородов в генераторе в присутствии катализатора или путем конверсии метана с водяным паром.

Недостатком эндогаза является взрывоопасность, обусловленная высоким  содержанием в нем горючих  газов СО и Н₂. Вследствие этого зоны печей с пониженными температурами становятся взрывоопасными, и требуется соблюдать ряд предосторожностей, чтобы исключить возможность взрыва.

Применение защитных атмосфер предъявляет особые требования к  газонаполняемым печам. Печи должны быть герметизированы. Все отверстия, вводы и проемы, за исключением  рабочего проема, должны быть тщательно  уплотнены. При недостаточно хорошем  уплотнении в печь будет засасываться воздух, состав газа будет нарушен  и изделия подвергнуться окислению и обезуглероживанию. При плохой герметизации печи расход газа, необходимый для поддержания положительного давления (0,002мм вод.ст.) резко увеличивается. Кроме того, возникает опасность отравления воздуха, так как во всех газах, как правило, содержится СО.

При работе с защитными  атмосферами весь персонал должен подробно знать правила продувки печи, впуска газа, прекращения подачи газа и  другие правила, гарантирующие безопасную работу.

 

 

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.

 

 

2.3 Контроль качества  объемно-закаленных деталей

 

Для деталей, работающих в  условиях высоких контактных нагрузок изготовляемых из сталей ШХ15, ШХ15СГ, оптимальной является микроструктура скрыто- и мелкоигольчатого мартенсита с равномерно распределенными избыточными карбидами (баллы 1-4, рисунок 4).

 

        Балл 1                          Балл 2                         Балл 3                         Балл 4

балл 1 - скрытоигольчатый мартенсит и избыточные карбиды; балл 2 - неравномерно травящийся скрытоигольчатый мартенсит и избыточные карбиды; балл 3 - скрыто- и мелкоигольчатый мартенсит и избыточные карбиды; балл 4 - мелкоигольчатый мартенсит и избыточные карбиды

 

Рисунок 4 – Микроструктура деталей, изготовляемых из марки стали ШХ15СГ, после термической обработки. ×500

 

Количество троостита, оказывающее  существенное влияние на работоспособность  деталей, работающих при высоких  контактных нагрузках, должно быть строго регламентировано. В структуре особо  ответственных деталей подшипников  допускается точечные (балл 5) или  единичные участки троостита (рисунок 5, балл 6).

Для деталей подшипников  сечением более 12 мм допускается количество троостита, соответствующее баллам 7,8 (рисунок 5).

 

             Балл 5                          Балл 6                          Балл 7                         Балл 8

балл 5 - скрытоигольчатый мартенсит, избыточные карбиды и точечные участки троостита; балл 6 – среднеигольчатый мартенсит, единичные участки троостита и избыточные карбиды; балл 7 – мелкоигольчатый мартенсит, точечные участки троостита и избыточные карбиды; балл 8 – мелкоигольчатый мартенсит, единичные участки троостита и карбиды

 

Рисунок 5 – Допускаемые структуры для деталей марки стали ШХ15СГ после термической обработки. ×500

 

Количество троостита, соответствующее  баллу 9 свидетельствует о недостаточном  нагреве или замедленном охлаждении при закалке и является недопустимым для всех деталей, работающих при  высоких контактных нагрузках (рисунок 6).

Структура мартенсита с крупными карбидами (балл 10), а также структуры, состоящие из смеси мелко-, средне- и крупноигольчатого мартенсита (баллы 11, 12) или крупноигольчатого мартенсита с избыточными карбидами (балл 13), являются недопустимыми – перегрев при закалке (рисунок 6).

                 Балл 9                               Балл 10                             Балл 11

                      

                                      Балл 12                                Балл 13

балл 9 - мартенсит, троостит и избыточные карбиды; балл 10 - мартенсит с крупными карбидами; балл 11 - мелко- и среднеигольчатый мартенсит, избыточные карбиды; балл 12 - средне- и крупноигольчатый мартенсит, избыточные карбиды; балл 13 - крупноигольчатый мартенсит и избыточные карбиды

 

Рисунок 6 – Недопустимые структуры деталей, изготовленных из марки стали ШХ15СГ после термической обработки. ×500

 

Для оценки длины игл мартенсита применяется стандартная 10 – бальная  шкала по ГОСТ 8233-56. Характеристика мартенсита по длине игл в соответствии с бальностью представлена в таблице 3. Следует отметить, что пропорциональной количественной связи между величиной зерна аустенита и длиной мартенситных игл не имеется.

 

Таблица 3 – Характеристика мартенсита по длине игл

Балл	Характеристика мартенсита	Наибольшая длина игл, мкм
1	Скрытоигольчатый	До 0,2
2	Весьма мелкоигольчатый	2
3	Мелкоигольчатый	4
4	Мелкоигольчатый	6
5	Среднеигольчатый	8
6	Среднеигольчатый	10
7	Крупноигольчатый	12
8	Крупноигольчатый	16
9	Крупноигольчатый	20
10	Грубоигольчатый	Свыше 20

 

Размеры кристаллов мартенсита непосредственно после закалки  стали зависят от величины действительного  зерна аустенита, существовавшего  при нагреве под закалку. В  сталях с мелким зерном образуется скрытоигольчатый (скрытокристаллический) мартенсит, т.е. мартенсит, иглы которого трудно различить при просмотре на оптическом микроскопе. При возрастании величины аустенитного зерна (в зависимости от температуры нагрева под закалку и химического состава стали – содержания углерода и легирующих элементов) размеры кристаллов мартенсита увеличиваются. При наличии остаточного аустенита снижается стабильность формы и размеров деталей в процессе их эксплуатации из-за его самопроизвольного превращения в ходе

работы деталей. При содержании остаточного аустенита свыше 10-12% ухудшается шлифуемость, возрастает чувствительность к образованию шлифовочных трещин.

К структурным составляющим закаленных и отпущенных сталей относятся  также карбиды. Они имеют более  высокую твердость, чем мартенсит, но обладают повышенной хрупкостью. Карбиды, растворяющиеся при нагреве под  закалку (карбиды железа, марганца и  хрома), способствуют насыщению аустенита  углеродом и легирующими элементами. При этом обеспечивается предельная для данной стали закаливаемость и прокаливаемость. Нерастворимые  являются карбиды, которые выделяются при затвердевании стали в  составе эвтектики, и карбиды, которые  не растворяются в аустените при  температуре закалки. К ним относятся  так называемые карбиды сильных  карбидообразующих элементов: вольфрама, ванадия, молибдена, титана, ниобия.

Положительное влияние избыточных карбидов заключается в том, что  они препятствуют росту зерна  при нагреве до температуры закалки, повышают износостойкость и сопротивление разрушению стали. Однако образование значительного количества избыточных карбидов приводит к снижению концентрации углерода в твердом растворе – мартенсите, что отрицательно сказывается на показателях прочности и, особенно, вязкости стали.

Для деталей подшипников  приняты температуры закалки  в пределах 825-860ºС, при которых обеспечивается структура скрытокристаллический и мелкоигольчатый мартенсит. Повышение температуры закалки, приводящее к увеличению зерна аустенита, а следовательно, и к увеличению длины игл мартенсита, приводит к возрастанию контактной выносливости.

Повышение температуры отпуска  приводит к снижению долговечности  изделий из шарикоподшипниковых  сталей. Для получения оптимальной  долговечности изделий температура  отпуска не должна превышать 170ºС, обеспечивая сохранение твердости на уровне не ниже HRC 63-65.