Фазові і структурні перетворення під час термічної обробки сталей 5ХНМ та ШХ15 (стр. 8 из 12)

Висока якість виготовлення і зборки підшипників забезпечується комплексом конструкторських і технологічних заходів.

Довговічність підшипників визначається головним чином якістю сталі і її термїчною обробкою.

Основна напруга в деталях підшипників при експлуатації виникає внаслідок контактного навантаження кілець і тіл качіння, що багато разів повторюється. Контактна витривалість матеріалу є основним параметром для розрахунку довговічності підшипників. Крім того, в реальних умовах експлуатації деталі підшипників різного призначення можуть піддаватися зношуванню (із-за прослизання тіл, що котяться), динамічним навантаженням, дії коррозійних середовищ і підвищених температур [13].

Зважаючи на складний комплекс напруг, які виникають у металі підшипникова сталь повинна володіти: а) високим опором пластичній деформації при великих навантаженнях в зоні контакту, що забезпечує статичну вантажопідйомність підшипників; б) стійкістю проти контактно-втомного руйнування при качінні під навантаженням, що визначає динамічну вантажопідйомність підшипників; у) зносостійкістю; г) достатньою в'язкістю; д) розмірною стабільністю при тривалому зберіганні і експлуатації підшипників, що запобігає їх «заклинюванню» і ослабленню посадочного натягу [15].

Великий вплив на довговічність підшипників роблять густина сталі, насиченість її порами, т. п., а також розташування волокон по відношенню до найбільш навантажених поверхонь деталей, що знаходяться в зоні контактного навантаження (доріжки качіння кілець, поверхні качіння роликів і кульок). Густина сталі забезпечується металургійною якістю злитка і великими обтисканнями при раціонально вибраних схемах деформації в процесі обробки тиском. При цьому необхідно виключити можливість попадання самих навантажених ділянок деталей на найменш плотні слої сталі.

Волокнистість сталі виникає внаслідок витягування дендритів і неметалічних включень в процесі гарячої пластичної деформації (при прокатці, куванні, штампуванні, розкочуванні і т. д.). Механічні властивості загартованої сталі, такі як контактна виносливість, ударна в'язкість, тимчасовий опір при розтягуванні і вигині залежать від орієнтування волокон.

Збільшення чистоти сталі за рахунок рафінуючих переплавок, збільшення її хімічної однорідності шляхом гомогенізації злитків і заготівок дозволяють частково нейтралізувати негативний вплив волокнистості [15].

Виплавку сталі ШХ15 виконують в електродугових печах. Поряд із технологією виплавки одним із важливіших факторів, впливаючих на макроструктуру і міру чистоти сталі є маса злитка. Сталь ШХ15 розливається тільки сифонним способом. Маса злитка сталі ШХ15 складає 0,6-5,2 т. Збільшення маси злитка до 5-6 т. погіршує макроструктуру сталі та міру її забруднення. Невелика маса злитка (0,5-1,0 т.) не дозволяє повністю ліквідувати дендритну ліквацію й зрівняти хімічну неоднорідність через недостатній обтиск під час отримання заготівель великого розміру.

Утворення внутрішніх тріщин можливо усунути шляхом повільного охолодження у неопалюваних колодязях або ямах. Злитки саджають у колодязь при температурі вище 700ºС та охолоджують до 200-300ºС протягом 20-24 годин [14].

До прокатного цеху злитки поступають в холодному або гарячому стані. Злитки, які обробляються в гарячому стані, нагрівають до температури вище 500 ºС в спеціальних печах. Потім злитки йдуть до блюмінгу 950/900, а далі на заготовочний стан 900/750, де змінюється не лише геометрична форма злитка, але й властивості сталі, внаслідок руйнування первинної структури. На середньосортному стані 350 отримують заготівку круглої форми d = 25мм, l = 6мм [20].

Для усунення карбідної сітки проводять нормалізацію при температурі 920-950 ºС, тривалість витримки 10-25 хвилин. Охолодження здійснюють на повітрі. Твердість після такої обробки складає 270 – 300HB.

Після нормалізації проводять сфероїдизуючий відпал при температурі 770-780 ºС, тривалість витримки 2-6 годин.

Для відпалу в термічних цехах підшипникових заводів застосовують як камерні електропечі опору СНЗ, так і електропечі безперервної дії ТО-300, ДТА-600, СТЗ-16 і 105.4/10. Деталі підшипників завантажують в робочий простір камерних печей СНЗ, де вони знаходяться без руху протягом всього технологічного процесу. Розвантажують деталі з печі через той же отвір. У печах безперервної дії ТО-300 деталі нагріваються на масивних піддонах. Завантажують і розвантажують деталі за допомогою гідравлічних і електромеханічних приводів.

Найбільш поширеним устаткуванням для термічної обробки роликів діаметром 5-50 мм є автоматичний агрегат СБЗА 4,2 4/3 барабанного типу.

Для нагріву роликів під гартування застосовують печі барабанного типу. Деталі в цьому випадку завантажують в бункер, звідки вони поступають в циліндровий муфель, що обертається, виготовлений з жароміцної сталі. Муфель має декілька частот обертання. Деталі перекочуються у витках спіралі муфеля, що обертається, і просуваються уздовж печі до розвантажувального отвору. Потім через патрубок потрапляють в гартівний бак, що знаходиться під піччю [14].

Нагрів деталлей підшипників в електропечах опору в повітряній атмосфері сопровождается зневугленням і окисленням поверхні. Одним із способів виключення окислення і зневуглення в процесі нагріву є індукційний нагрів.

Далі проводять калібровку виробу. Нарізку на мірні дліни здійснюють до розмірів: d = Ø30мм, l = 45мм. Через те,що сталь ШХ 15 флокеночутлива, виконеуємо противофлокенну обробку. Механічна обробка проводиться на автоматичних верстатах (точіння) до кінцевих розмірів.

Гартування проводять при температурі 780-800 ºС протягом 40 хвилин. Охолоджуюче середовище – масло. Далі проводять низький відпуск для стабілізації структури і отримання максимальної твердості. Після цього проводять шліфовку та поліровку ролика [13].

На рисунку 2.2 представлена схема переробки сталі ШХ15 у виріб (ролик).

Рисунок 2.2 – Технологічний процес виготовлення ролік

2.3 Режими термічної обробки сталі ШХ15

В якості попередньої термічної обробки застосовують нормалізацію та сфероїдизуючий відпал. Сталь ШХ15 підвергається сфероїдизуючому відпалу на зернистий перліт.

Для заевтектоїдних сталей нормалізація проводиться з метою усунення або зниження ступеня розвитку цементаційної сітки. Охолодження проводять на повітрі, тому розпад аустеніту проходить при більш низьких температурах, формується більш дисперсна структура, а тому зростає твердість і міцність. Режим відпалу сталі ШХ15 повинен забезпечити отримання найбільш сприятливої мікроструктури зернистого перліту для холодної механічної обробки і нагріву під гартування. Перетворення в т.Ас1 діаграми стану Fе-C для сталі ШХ5 починається при температурі 730ºС і завершується при температурі 760-770ºС, але в аустеніт переходить лише та кількість карбідів, яка відповідає евтектоїдному складу. При нагріві сталі ШХ15 вище т.Ас1 на 15 - 20ºС і подальшому охолодженні карбіди, що не розчинилися, є центром кристалізації, тобто зародками утворення глобулярних карбідів [1].

Сталь із структурою зернистого перліту добре оброблюється різанням, має високу якість поверхні, що обробляється під час обробки заготівель на автоматичних станках.

Допустиме значення твердості для сталі ШХ15 після сфероїдизуючого відпалу знаходиться в інтервалі 179-207 HB.

На результати відпалу впливає початкова структура заготівель. При правильних температурах гарячої деформації і наступним швидким охолодженням заготівель водою до 650 ºС структура має вигляд тонкого пластичного перліту без замітної карбідної сітки. Карбідна сітка, яка не усувається при сфероїдизуючому відпалі, є недопустимою, бо різко знижуються механічні властивості сталі [13].

Температура нагріву під сфероїдизуючий відпал розраховується за формулою:

t

= Ас + (20-30) ºС

t

= 745 + (20-30) ºС = 765-775 ºС

Час витримки для сталі ШХ15 складає 2-6 годин. Швидкість охолодження повинна бути такою, щоб перетворення аустеніту до зернистого перліту завершилося при температурі 600 ºС. Тому швидкість охолодження в інтервалі перлітного перетворення складає 15-25 ºС/год. Низька твердість забезпечує високу продуктивність при обробці сталі на металургійних станках.

Прискорене охолодження при відпалі (100 - 300°С/год) викликає утворення дрібнодисперсної структури з підвищеною твердістю. Дуже повільне охолодження (- 5°С/год) привоздить до утворення грубозернистого перліту. Така структура володіє низькою твердістю, але несприятлива для подальшого гартування. Нормальною структурою після відпалу є структура дрібнозернистого перліту.При недогріванні при відпалі зберігається частина тонкопластинчатого перліту, а при перегріві утворюється структура крупнопластинчатого і зернистого перліту [5].

Контроль якості відпалу здійснюють по твердості і мікроструктурі. При цьому доцільно контролювати поковки найбільш холодних і найбільш гарячих місць садіння.

Дефектна, унаслідок недогрівання структура, виправляється повторним відпалом, а унаслідок перегріву - нормалізацією з подальшим відпалом.

В якості остаточної термічної бробки застосовують гартування та низький відпуск.

Для сталі ШХ15 гартування в маслі надає необхідні твердість та міцність. Низький відпуск застосовується для зняття внутрішніх напружень, надання сталі потрібної структури та твердості [13].

Деталі перед надходженням в гартівну піч повинні бути чистими і сухими без слідів масла і емульсії, а також без грубих дефектів поверхні (рисок, забоїн, вм'ятин, опіків, іржі). Для отримання однорідного якісного гартування доцільно завантажувати деталі в піч в один шар.