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.