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

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.

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.