книги из ГПНТБ / Олендер, Л. А. Технология и оборудование шарикового производства [учеб. пособие]

используется с целью защиты поверхности деталей от окисле­ ния и обезуглероживания.

Поверхностная закалка обеспечивает получение высокой твердости в относительно тонком слое без изменения структур и твердости в более глубоко расположенных слоях.

Нарушение установленных режимов закалки может выз­ вать брак деталей. Некоторые основные причины брака nptf закалке приведены в табл. 37.

Таблица 37

Основные причины брака деталей при закалке

При нагреве стали до температуры 800—900° С ее структу­ ра представляет собой аустенит — твердый раствор углерода в гамма-железе (Fe—у), который может при различных скоро­ стях охлаждения образовывать структуры, являющиеся про­ межуточными между состоянием твердого раствора и продук-

234 ГЛ. 6. МАТЕРИАЛЫ И ТЕРМООБРАБОТКА ШАРИКОВ

тами его полного распада. Такими промежуточными структу­ рами распада аустенита в зависимости от скорости охлажде­ ния могут быть мартенсит, троостит, перлит и сорбит (рис. 80,

а, б, в, г ).

Мартенсит (рис. 80,а) образуется из переохлажденного аустенита при высокой скорости охлаждения— 180—200° С в секунду за счет перестройки кристаллической решетки. Он

Рис. 80. Структуры закадки: мартенсит (а), тро­ остит (б), перлит (в) и сорбит (г).

отличается повышенной хрупкостью и наибольшей твердостью (600—700 НВ). На мартенсит обычно закаливаются режущие инструменты и другие изделия, к которым предъявляется тре­ бование наивысшей для данной стали твердости.

Троостит (рис. 80,6) — следующая за мартенситом стадия распада аустенита. Он образуется при скорости охлаждения примерно 80° С в секунду и представляет собой механическую высокодисперсную смесь частиц цементита (карбида железа) и феррита (твердого раствора углерода и других элементов в a-железе). Троостит при осмотре под микроскопом различа­ ется в виде темных пятен, окруженных мартенситом или сор­ битом. Твердость его находится в пределах 350—500 НВ.

Перлит (рис. 80, в )—механическая смесь частиц цементита и феррита, образующаяся при полном распаде аустенита. При пластинчатой форме цементита он называется пластинчатым, при зернистой — зернистым. Твердость перлита находится в пределах 160—200 НВ.

Сорбит (рис. 80,г) — переходная структура между трооститом и перлитом. Он образуется при скорости охлаждения 40— 50° С в секунду и предствляет собой также смесь цементита и феррита, но более крупную, чем в троостите, и более мелкую, чем в перлите. Твердость сорбита лежит в пределах 270— 320 НВ.

Таким образом, троостит, перлит и сорбит структурно явля­ ются смесью двух фаз — цементита и феррита, которые отли­ чаются между собой только степенью дисперсности. При этом структура перлита, получаемая при медленном охлаждении, называется равновесной, а структуры мартенсита, троостита и сорбита, получающиеся при повышенных скоростях охлажде­ ния, называются неравновесными.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до темпе­ ратуры ниже 723° С, выдержке при этой температуре и после­ дующем охлаждении, которое производится на воздухе, если сталь не склонна к отпускной хрупкости, а также в воде или масле, если такая склонность наблюдается. Так как в резуль­ тате закалки в стали создаются внутренние напряжения, вы­ званные перестройкой кристаллической решетки, а также по­ вышается ее твердость и прочность при одновременном зна­ чительном возрастании хрупкости, то основное назначение отпуска состоит в устранении внутренних напряжений, хрупко­ сти, снижении твердости и доведении вязкости стали до не­ обходимых пределов. При отпуске происходит распад мартен­ сита с образованием цементита, что сопровождается измене­ нием механических свойств стали.

Отпуск стали подразделяется на низкий, средний и высо­ кий. Низкий отпуск применяется для снятия внутренних напря­ жений и уменьшения хрупкости мартенсита. Он производится при нагреве в интервале температур 150—250° С. Средний отпуск осуществляется при нагреве в интервале температур 350—475° С и применяется обычно для придания упругих свойств материалу (пружинам, рессорам и т. п.). Высокий от­ пуск осуществляется при нагреве в интервале температур 500—680° С и применяется, как правило, для термоулучшения конструкционных сталей. Закалка в сочетании с высоким отпу­

ском называется улучшением.

Следует отметить, что между структурами троостита и сорбита, получаемыми при закалке и отпуске, имеется разни-

236 ГЛ. е. МАТЕРИАЛЫ И ТЕРМООБРАБОТКА ШАРИКОВ

ца как во внутреннем строении, так и в некоторых свойствах. Так, троостит и сорбит закалки имеют пластинчатое строение, а отпуска — зернистое. При этом у зернистого троостита и сорбита более высокая вязкость, чем у пластинчатого [41].

Возможные дефекты при отпуске — повышение или пони­ жение твердости и пластичности, низкая ударная вязкость и т. п.— обычно устраняются проведением отжига и закалкой

споследующим отпуском при нормальных температурах.

Втех случаях, когда поверхности деталей необходимо при­ дать те или другие свойства (твердость, износоустойчивость, жароупорность, стойкость против коррозии, кислотоупорность и т. п.) без изменения вязкости их сердцевины, производят хи­

мико-термическую обработку.

Химико-термической называется термическая обработка черных металлов, которая заключается в нагревании изделий в среде, способной изменять химический состав поверхностного слоя металла, т. е. насыщать его каким-либо элементом,— углеродом, хромом, азотом, алюминием. К основным видам химико-термической обработки металлов относятся цемента­ ция, цианирование, азотирование, алитирование, силицирование, сульфидирование и хромирование.

Цементация — насыщение поверхностных слоев стальных изделий углеродом на заданную глубину, применяется для де­ талей, у которых требуются твердая поверхность и вязкая сердцевина. В зависимости от вида применяемого карбюриза­ тора различают твердую, жидкую и газовую цементацию.

Цианирование (или нитроцементация)— одновременное поверхностное насыщение стальных деталей углеродом и азо­ том на заданную глубину, применяется для повышения по­ верхностной твердости, износостойкости и усталостной проч­ ности. По виду карбюризатора различают твердое, жидкост­ ное и газовое цианирование.

Азотирование — поверхностное насыщение стали или чугу­ на азотом на заданную глубину, применяется в основном для резкого повышения поверхностной твердости и износостойко­ сти. При насыщении стальных деталей на небольшую глубину (0,015—0,04 мм) может повышать коррозийную стойкость.

Алитирование — поверхностное насыщение стали или чугу­ на алюминием на заданную глубину с целью повышения жаро­ стойкости, производится в твердых, жидких и газообразных средах.

Силицирование — поверхностное насыщение стали или чу­ гуна кремнием на заданную глубину с целью повышения кис­ лотостойкости, производится в твердых, жидких и газообраз­ ных средах.

Сульфидирование — поверхностное насыщение стали или чугуна серой для увеличения износостойкости деталей, произ­ водится в твердых, жидких и газообразных средах.

Хромирование — поверхностное насыщение стальных дета­ лей хромом с целью повышения их твердости и коррозийной стойкости, производится в твердых, жидких и газообразных средах.

Впоследние годы все большее распространение и развитие

впроизводстве получает так называемая термо-механическая обработка стали, которая представляет собой упрочнение по­ средством совмещения деформаций (давления на детали) при повышенных температурах с операциями термической обра­ ботки. Этот метод по сравнению с обычной термической обра­ боткой позволяет повысить прочность стали, обеспечивает большую стабильность размеров и т. п.

Для нагрева деталей при термической обработке применя­ ются термические печи, которые классифицируются следу­ ющим образом [42]:

1)по технологическим признакам: универсальные печи для отжига, нормализации, закалки и высокого отпуска; цемента­ ционные; печи специального назначения для однотипных де­ талей;

2)по применяемой температуре: низко-, средне- и высоко­ температурные печи;

3)по характеру загрузки и выгрузки: печи с неподвижным подом, с выдвижным подом, элеваторные, колпаковые, со съемным сводом, камерные, многокамерные, вертикальные (шахтные);

4)по источнику получения тепла: мазутные, газовые и электрические печи.

Поскольку нагрев изделий в термических печах необходи­

мо вести точно до установленных температур ввиду возмож­ ного появления отклонений в структуре и свойствах металла, для измерения температуры в печи применяются специальные контрольные приборы пирометры, которые могут быть термо­ электрическими, оптическими или радиационными.

§ 3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ШАРИКОВ

Термическая обработка шариков осуществляется после проведения цикла предварительных операций (опиливание, мягкое шлифование или обкатка) и включает закалку и от­

пуск.

По данным Я- Р. Раузина [43], тепловой режим закалки ша­ риков из стали ШХ-15 всех изготовляемых диаметров может быть разбит на три группы:

240 ГЛ. 6. МАТЕРИАЛЫ И ТЕРМООБРАБОТКА ШАРИКОВ

ных по термообработке шариков из стали ШХ-15, приводятся режимные параметры для шариков из кремнемолибденовой стали марки 55СМА. Твердость этих шариков после термиче­ ской обработки составляет 54—58 HRC. Они получают мик­ роструктуру мелкоигольчатого и мелкокристаллического мар­ тенсита.

В случае нарушения установленных режимов и условий процесса закалки шариков могут иметь место следующие ви­ ды брака: несоответствие структуры и твердости, обезуглеро­ живание, трещины, мягкие пятна, изменение размеров и фор­ мы [43].

Дефектными структурами для закаленной стали ШХ-15 являются игольчатый мартенсит, получающийся в результате перегрева, и троосто-мартенситная структура, получающаяся от недогрева или от недостаточной скорости охлаждения. На­ личие троостита в структуре всегда сопровождается некото­ рым снижением твердости и тем в большей степени, чем боль­ ше троостита. Перегрев при закалке не дает значительного изменения твердости и выявляется пробой на излом. Вполне понятно, что дефектные структуры и понижение твердости ша­ риков отрицательно влияют на их работоспособность. Во всех

греве до температуры свыше 700° С в атмосфере воздуха или в среде топочных газов в результате взаимодействия поверх­ ностей стальных деталей с окружающей средой. В обезуглероженном слое трещины появляются даже при относительно хо­ рошей структуре и изломе, т. е. при отсутствии перегрева. В том случае, если величина обезуглероженного слоя превышает припуск на последующую обработку, происходит понижение прочности наиболее нагруженных слоев рабочих поверхностей, что вызывает снижение их работоспособности и качества гото­ вых изделий. Для предотвращения обезуглероживания приме­ няется нагрев в соляных ваннах со специально подобранным составом солей и в защитной контролируемой атмосфере — нейтральной (безокислительной) к поверхности нагреваемых деталей. В качестве составов контролируемой защитной атмо­ сферы применяют генераторный газ, диссоциированный амми­

емых атмосфер, защищающих поверхность изделий от окисле­ ния и обезуглероживания, повышает усталостную прочность

ляют концентрацию твердого раствора и содержание остаточ­ ного аустенита. При этом замечено, что детали, изготовленные из горячекатанного металла, склонны к увеличению получен­ ных при предварительной механической обработке размеров, из холоднотянутого — наоборот, к уменьшению. Опыт произ­ водства показывает, что изменение размеров шариков не вы­ зывает брака, однако в случаях увеличения в какой-то мере повышает трудоемкость последующей обработки.

Впроцессе термической обработки претерпевает изменение

иформа шариков, т. е. их геометрические параметры — оваль­ ность и гранность. Так, экспериментально установлено, что для шариков из стали ШХ-15 диаметром 3/8 и 7/1J3" (исход­ ный металл — холоднотянутая проволока Ф 7,1 и 8,1 мм), про­ шедших операцию мягкого шлифования и подвергнувшихся термической обработке, имело место увеличение параметров овальности и гранности примерно в 2—3 раза. Овальность и гранность шариков диаметром 21/32 и 1" (исходный металл — калиброванные холоднотянутые прутки Ф 12,2 и 17,8 мм) уве­ личивались в 1,2—2 раза. Форма шариков в процессе терми­ ческой обработки изменяется в результате тех же факторов,

что и размеры.

Наибольшее распространение в отечественной подшипнико­ вой промышленности для проведения операции закалки шари­ ков нашли муфельные электропечи типа Б-70 и Б-70А, а в качестве отпускных применяются различные типы печей, на­ пример конвейерные ОКБ-152, К-95, ОКБ-844 и др. Для при­ мера приведем техническую характеристику и описание устройства электропечи типа Б-70А.

Техническая характеристика электропечи типа Б-70А [44]