Подшипники подвергают ступенчатой или изотермической закалке от 850-900. Выбор температуры связан с необходимостью растворить карбиды хрома в аустените и не допустить чрезмерного роста зерна аустенита.

В результате нарушения процесса термической обработки возникают дефекты, оказывающие прямое влияние на свойства и характеристики готовой продукции [1, 2].

Возможные дефекты в структуре:

1. Остаточный аустенит.

Закалкой добиваются превращения аустенита в мартенсит, для этого необходимо непрерывное охлаждение до температуры конца мартенситного превращения. Сталь с большим содержанием углерода сильно подвержена образованию в структуре остаточного аустенита, количество которого зависит от положения мартенситной точки: чем она ниже, тем большее количество аустенита образуется. Образовавшийся остаточный аустенит снижает твердость, износостойкость закаленной стали, что чаще проявляется на поверхности, где выше содержание углерода. Устранение данного дефекта происходит при охлаждении детали до отрицательных температур.

2. Крупноигольчатый мартенсит

В подшипниковом производстве добиваются получения структуры мелкоигольчатого мартенсита, путем закалки и низкого отпуска. При перегреве стали образуется крупноигольчатый мартенсит. Мартенсит образуется из зерен аустенита: чем они больше, тем больше и призматические иглы мартенсита. Устранение данного дефекта возможно при проведении нормализации, если на детали будет иметься достаточный припуск металла, так как если его будет мало, то после нормализации и повторной закалке будет большой слой обеднения и обезуглероживания который шлифовка не снимет и будет большая вероятность образования трещин. По этому, припуск на механическую обработку должен составлять 0,08мм для закалки в защитной атмосфере, 0,2мм при закалке без защитной атмосферы.

3. Троостит

Троостит – высокодисперсная разновидность перлита, выглядит в виде темных участков на светлом фоне мартенсита. Образуется при распаде аустенита из-за недостаточной интенсивности охлаждения. Различают зернистый троостит, образовывающийся при отпуске, и пластинчатый, образовавшийся  при закалке. Оба вида имеют практически одинаковую твердость, но зернистый более пластичен и вязок. Устраняется данный дефект повторной закалкой и снижением температуры отпуска.

4. Карбиды

4.1Полосчатость – неоднородная структура стали после закалки, вызванная скоплением мелких карбидов, вызывает неоднородность свойств готовых изделий. Устранить данный дефект можно путем длительной выдержки при высоких температурах(1150-1160°С).

4.2 Карбидная ликвация – выделение больших карбидов, имеющих строчечное расположение и  образовавшихся вследствие сильной дендритной ликвации. Карбид легко выкрашивается с поверхности подшипника, так как очень твердый и хрупкий. Устраняют данный дефект длительной выдержкой при температуре 1150-1160°С.

Своевременное выявление данных дефектов позволяет повысить качество и объемы выпускаемой продукции[3, 4].

В ходе исследования были рассмотрены дефекты подшипникового производства для стали ШХ15, 20Х2Н4А, 95Х18.

Обработка стали ШХ15 заключалась в закалке, для чего использовались: трехзонная конвейерная печь Подина с инерционным способом подачи или трехзонная конвейерная печь ленточного типа, или соляные ванны; охлаждении в закалочном масле, отпуске при Т=150°С. В результате термической обработки (ТО) должна получаться структура мелкокристаллического мартенсита с избыточными карбидами.

Рисунок 1. Структура стали ШХ15 без дефекта (мелкокристаллический мартенсит с избыточными карбидами).

Вследствие нарушения процедуры обработки обнаруживались участки троостита. Троостит – высокодисперсная разновидность перлита, выглядит в виде темных участков на светлом фоне мартенсита.

Рисунок 2. Структура стали ШХ15 с дефектом (мартенсит + участки троостита + избыточные карбиды).

Для стали 20Х2Н4А была проведена цементация в камерной печи при Т=920С, имеющей углеродный потенциал 1,3%, затем двухступенчатый высокий отпуск: первая ступень 570С, вторая 630С; далее закалка при Т=800С с охлаждением в масле Термол-26. В результате ТО получили структуру мелкокристаллического, мелкоигольчатого мартенсита с избыточными карбидами. В данном случае карбиды являются дефектом, возникающим в результате перегрева или, в нашем случае, завышенного углеродного потенциала. Избыточное количество карбидов приводит к увеличению хрупкости.

Рисунок 3. Структура стали 20Х2Н4А с дефектом (мелкоигольчатый мартенсит с избыточными карбидами).

Примером качественно проведенной термической обработки является сталь 95Х18 после закалки в камерной печи при Т=1065С и обработки холодом при Т=-70С (нефрас + сухой лед) с последующим низкотемпературным отпуск при Т=150С.

Рисунок 4. Структура стали 95Х18 без дефекта.

На подшипниковом производстве для оценки качества готовой продукции применяются шкалы, представляющие собой фотографии микрошлифов, оцениваемые в баллах и расположенные по увеличению количества дефектов в микроструктуре

Шкала 3 Микроструктура после закалки и отпуска стали ШХ15.

Построена принципу увеличения самих трооститных пятен в размере и их количественному скоплению на определенном просматриваемом под микроскопом участке.

Баллы 1-4 не являются браковочным, со структурой скрытокристаллического или мелкокристаллического мартенсита + избыточные карбиды (рисунок 1).

Баллы 5-13 являются бракующими в наблюдаемой структуре видны: участки троостита, крупные избыточные карбиды, мелкоигольчатый, среднеигольчатый, крупноигольчатый мартенсит (рисунок 2 – 7балл).

Шкала 4 Микроструктура цементованного слоя окончательно обработанных деталей подшипников из стали 20Х2Н4А.

Допускают баллы с 1 по 5 для подшипников диаметром до 300мм, остальные (6-10) являются браковочным. Шкала построена по принципу увеличения размеров мартенситных игл. Баллы 6-9 по принципу увеличения количества и плотности следов от карбидных игл, не растворившихся при нагреве под закалку.

Баллы с 1-5 имеют структуру скрытокристаллического мартенсита + избыточные карбиды, скрытокристаллического мартенсита с небольшим количеством следов от карбидных игл + избыточные карбиды.

Баллы с 6 по 10 отличаются от 1-5, образованием в структуре: остаточного аустенита, остатков карбидных игл различной величины и плотности, мелкоигольчатого мартенсита (рисунок 3).

Шкала 7 Микроструктура стали 95Х18 после окончательной термообработки.

Бал 1.После окончательной ТО выявление границ зерен при травлении на микроструктуру деталей подшипников, не является браком (рисунок 4).

Бал 2. После закалки и отпуска при температуре 160°С, браковочным признаком является наличие мелкоигольчатого мартенсита, полученный при перегреве стали под закалку.

Бал 3. После закалки и отпуске при температуре 400-420 С, браком является наличие среднеигольчатого мартенсита – результат перегрева при нагреве под закалку.

Рекомендации по выявлению дефектов при рассмотрении под микроскопом:

1)    Троостит – высокодисперсная разновидность перлита, выглядит в виде темных участков на светлом фоне мартенсита.

Троостит 6, 8, 9а баллов под микроскопом выглядят в форме пятен различных размеров неоднородно черного цвета, с неровными краями, с сердцевинной состоящей из вкраплений; троостит 5 балла выглядит в виде мелких темных ворсистых иголок на светлом фоне мартенсита, а троостит 7 балла в виде крупных иголок. Троостит 6,8,9, баллов виден через структуру мартенсита.

2)    Обезуглероживание – полное выгорание углерода с поверхности металла, под оптическим микроскопом выглядит в виде белой клетчатой полосы находящейся перед началом структуры.

3)    Обеднение – частичное выгорание углерода с поверхности металла, может выглядеть в виде игольчатой полосы, на какую либо глубину до начала структуры, а так же может выглядеть как полоса с поверхности металла, отличающаяся от структуры более темным фоном.

4)    Перегрев – появление мелкоигольчатого или крупноигольчатого мартенсита.

5)    Трещина термическая – определяется отсутствием обедненного или обезуглероженного слоя с поверхности, окончание извилистое;

6)    Трещина метальная – определяется наличием обедненного или обезуглероженного слоя с поверхности, окончание тупое.

Причины возникновения дефектов – это
низкая скорость охлаждения и неправильный выбор охлаждающей среды (для стали
ШХ15), завышенный углеродный потенциал (для стали 20Х2Н4А). Дефекты могут возникать в случае неверно выбранного температурного интервала, также необходимо учитывать форму изделия (некоторые участки подвержены большему риску), содержание углерода и легирующих элементов, способ установки детали при термообработке [2,3].

Устраняются последствия неправильной термической обработки: повторной закалкой и отпуском в другой охлаждающей среде, отжигом и повторным проведением цементации [4,5].

С целью уменьшения количества забракованных деталей и увеличения продуктивности предприятий подшипникового производства, необходимо предотвращение появления дефектов ТО, для чего стоит учесть факторы описанные в данной статье; в случае возникновение дефекта необходимо его устранение.

Исследование дефектов термической обработки [1,2], причин их возникновения [3,4], и микроструктурное исследование [5], позволило сделать вывод, что одной из причин, снижающих твердость и износостойкость, является снижение скорости охлаждения, что в свою очередь связано потерей охлаждающей способности жидкости, применяемой при закалке.

Избежать, или, по крайней мере, снизить вероятность такого дефекта поможет мониторинг условий проведения операций термической обработки с регистрацией случаев возникновения брака. При проведении мониторинга необходима фиксация режимов термообработки и продолжительности использования охлаждающей среды. Пример учетной ведомости режимов термообработки выпускаемой продукции, рисунок 1.

Рисунок 1. Фрагмент учетной ведомости режимов термической обработки.

Реализация учетной ведомости возможна с использованием табличного процессора Excel, использование функции фильтрации (рисунок 2 а) в котором позволит выделять случаи возникновения брака и фиксировать условия его возникновения (рисунок 2 б).

а)

б)

Рисунок 2. Использование табличного процессора при мониторинге качества продукции подшипникового производства.

а) – настройка параметров фильтрации; б) – выбор случаев возникновения брака

Рассматривая фрагмент таблицы с результатом фильтрации (рисунок 2б) можно отметить, что данный метод позволит выявить начало потери свойств охлаждающей жидкостью в условиях конкретного подшипникового производства, и при дальнейшем использовании жидкости такой марки при приближении времени использования к критическому, произвести её замену, снизив вероятность возникновения брака подшипников. Используя фильтрацию по агрегатам термообработки, появляется возможность отслеживать случаи увеличения количества брака в той или иной печи, что может быть следствием изменением технического состояния агрегата, своевременный ремонт которого поможет снизить процент брака в выпускаемой продукции.

Мониторинг режимов и условий проведения термической обработки позволит повысит качество продукции и производительность труда.