Способ термической обработки кольца подшипника из стали
METHOD FOR HEAT TREATMENT OF STEEL BEARING RING

Изобретение относится к области машиностроения и металлообработки, в частности, к термической обработке колец подшипников, которые эксплуатируются в авиационной промышленности, в том числе, к способу обработки подшипникового кольца из стали 8Х4 В9Ф2 (ЭИ-347), и может быть использовано при производстве деталей подшипников, в частности, колец.
Из уровня техники известно техническое решение «СПОСОБ ЗАКАЛКИ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКА КАЧЕНИЯ И ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ» по патенту РФ на изобретение №2493269, МПК C21D 9/40, C21D 1/42, С22С 38/20, F16C 33/64, F16C 33/32, опубликован 20.06.2013. В известном решении способ закалки подшипника качения включает предварительную закалку материала колец, последующую индукционную закалку с нагревом по меньшей мере части материала колец и их охлаждением, при этом предварительную закалку осуществляют в виде объемной закалки колец из стали, содержащей, мас. %: С 0,95-1,05, Si 0,15-0,3, Mn 0,15-0,3, Cr 0,35-0,5, Ni, Cu не больше 0,3, Р, S не больше 0,3 и Fe, путем их нагрева до температуры 830-870°С и выдержки общим временем не меньше 1 ч с последующим охлаждением, а индукционную закалку осуществляют путем нагрева поверхностного слоя кольца током высокой частоты при общей продолжительности нагрева 15-50 с до температуры 820-1050°C с последующим охлаждением на протяжении 4-10 с до температуры ниже температуры начала мартенситного преобразования с последующим охлаждением на протяжении 30-60 с до температуры окружающей среды.
Недостатком известного решения является низкая технологичность, так как предварительная и окончательная закалки выполняются на разных этапах, кроме того, индукционный нагрев не обеспечивает равномерного нагрева заготовки, что отрицательно влияет на качество обрабатываемых деталей. А нагрев заготовки в среде, не исключающей окислительные процессы, приводит к увеличению вероятности появления дефектных слоев, образующихся в процессе нагрева.
Из существующего уровня техники известен повсеместно применимый незапатентованный способ изготовления подшипникового кольца. Согласно данному способу предварительно подогревают до 820-830°С соляные ванны или печи камерного типа. Время предварительного подогрева устанавливают в зависимости от типа используемого оборудования и величины садки. После подогрева садка перемещается в соляную ванну с односторонним расположением электродов для окончательного нагрева под закалку. При окончательном нагреве до температур 1200-1240°С используют соляные ванны с выдержкой 8-10 секунд на 1 мм сечения, но не менее 20-ти секунд для деталей до 25 мм сечения и 6-8 секунд для деталей свыше 25 мм сечения. Объем садки должен обеспечивать незначительное снижение температуры используемой ванны с расплавом соли. Последующее охлаждение производится в закалочных маслах И-12А или И-20А (ГОСТ 20799), МЗМ 16 (ТУ 38.101.135) при температурах 80-130°С. Далее производится 3-х кратный технологический отпуск в селитровых ваннах или печах камерного типа при температурах 565-580°C с охлаждением садки после каждого отпуска до температур не выше 50°С. При этом перерыв между закалкой и первым отпуском не должен превышать 4-х часов. По окончании проведения указанных операций производится предварительная промывка обрабатываемых деталей в соответствующих горячих моющих растворах и последующая дробеочистка от остатков солей. Подбор окончательных режимов термической обработки ведется для каждой партии деталей подшипников (кольца) отдельно методом проведения пробных закалок. Повторная закалка партии не допускается. Контроль и регулировка температур расплавов соляных ванн в процессе обработки производится при помощи радиационных пирометров.
Недостатками данного решения являются низкая технологичность и недостаточно высокое качество получаемых изделий, связанное с возможными отклонениями от технологического процесса. При указанном способе используются не достаточно точные средства измерения и регулировки температур (оптические пирометры) из-за большой инертности расплавов солей точность регулирования может достигать 20-300 С. А также большое влияние оказывает человеческий фактор, так как все перемещения по циклу производятся вручную, а времена выдержки в соляных ваннах измеряются секундами и их несоблюдение приводит к изменениям в структуре исходной заготовки. Известный способ предусматривает трудоемкую подготовку изделий к обработке (формирование садки), объем обрабатываемых деталей ограничен, присутствуют вредные производственные факторы для оператора, например, температурное воздействие.
В качестве наиболее близкого аналога выбран «Способ термической обработки колец приборных подшипников» по патенту №SU 1084318, МПК C21D 9/40, опубликован 07.04.1984. В известном решении выполняют нагрев кольца, охлаждение и отпуск, при этом нагрев под закалку осуществляют в вакууме со скоростью не более 40°С./мин., а затем охлаждают в несколько этапов с разной скоростью.
Недостатком известного способа является недостаточно стабильное качество получаемых изделий, связанное с тем, что большой диапазон температур и скорости охлаждения на каждом из этапов не может обеспечивать стабильное и единое качество для каждой партии изделий, подвергаемой обработке. При этом изменение скорости на каждом из этапов охлаждения требует сложной системы контроля температуры, что снижает технологичность процесса.
Техническая задача заявляемого изобретения заключается в преодолении указанных недостатков известного способа и в создании способа обработки подшипникового кольца из стали, позволяющего повысить качество обработки деталей и технологичность процесса. Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении технологичности способа обработки подшипникового кольца из стали и качества деталей, получаемых в результате обработки. При использовании предложенного решения существенно сокращается время цикла обработки в процессе производства и уменьшаются дефектные слои и уровень закалочных деформаций деталей подшипников.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что способ обработки подшипникового кольца из стали, характеризующейся следующим процентным содержанием компонентов: вольфрам - 8,5-9,5, хром - 4,0-4,6, ванадий - 1,4-1,7, углерод - 0,7-0,8, марганец - ≤0,40, кремний - ≤0,40, никель -≤0,35, молибден - ≤0,3, фосфор - ≤0,03, - сера - ≤0,03, железо - остальное, включает ступенчатый нагрев заготовки в вакууме в замкнутой камере, при котором первоначально повышают температуру до 630-660°С и выдерживают в данной температуре заготовку в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 890-910°С и выдерживают в данной температуре заготовку в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 1070-1090°С и выдерживают в данной температуре заготовку в течение от 2-10 минут, затем повышают температуру со скоростью не менее 30°С в минуту до температуры 1200-1240°С и выдерживают заготовку в течение периода времени, рассчитываемого, исходя из расчета 40-60 секунд на 1 мм сечения заготовки, последующее охлаждение заготовки азотом с объемной долей не менее 99,99% под давлением 8-10 бар до 50°С в замкнутой камере и трехкратный отпуск при температурах 550-570°С в течение 1,5-3,5 часов.
Ступенчатый нагрев обрабатываемых деталей, когда температуру повышают по этапам, сначала до 630-660°С, затем до 890-910°С, затем до 1070-1090°С и выдерживают при каждой температуре заданное время, исходя из объема обрабатываемых деталей, позволяет обеспечить равномерный нагрев заготовки при проведении обработки, для подготовки исходной микроструктуры к последующим изменениям.
Дальнейшее повышение температуры со скоростью не менее 30°С в минуту до температуры 1200-1240°С и выдержка заготовки в течение периода времени, рассчитываемого, исходя из расчета 40-60 секунд на 1 мм сечения заготовки, обеспечивает окончательный нагрев заготовки для проведения охлаждения и получения необходимой микроструктуры и механических свойств в результате закалки.
За счет равномерного распределения температуры в печи +/-5°С и, соответственно, более равномерного нагрева обрабатываемых заготовок, а также более точного исполнения заданных времен выдержки на технологических температурах (отчет времени выдержки начинается после подхода на необходимую температуру, из-за различного веса садок время подхода на необходимую температуру всегда разное) достигается сокращение уровня закалочных деформаций.
Нагрев в вакууме позволяет обеспечить нагрев заготовки в среде, исключающей окислительные процессы, в целях минимизации вероятности появления дефектных слоев, образующихся в процессе нагрева. Обезуглероженный слой при таком виде обработки в процессе нагрева и охлаждения заготовки составляет 10-20 мкм (т.е. 10-15 раз меньше, чем при использовании соляных и селитровых ванн, когда при перемещении заготовки из ванн с расплавами солей происходит окисление поверхности на воздухе, что напрямую влияет на величину обезуглероженного слоя).
Охлаждение заготовки азотом с объемной долей не менее 99, 99% под давлением 8-10 бар до 50°С производят в замкнутой камере, что обеспечивает равномерное охлаждение всей садки с необходимой скоростью для получения необходимой микроструктуры в каждой заготовке, находящейся в садке, что также обеспечивает сокращение уровня закалочных деформаций.
Трехкратный отпуск при температурах 550-570°С в течение 1,5-3,5 часов обеспечивает формирование окончательных параметров заготовки, требования к которым установлены в отраслевой документации.
Осуществление обработки в одном непрерывном цикле (закалка + отпуск), без перемещения деталей между этапами обработки, позволяет сократить технологический цикл, исключить трудоемкие вспомогательные операции подготовки деталей к обработке и последующей дробеотчистки (или пескоструйной обработки) поверхности деталей после проведения термической обработки операций от остатков расплавов солей, образующихся в процессе обработки в соляных ваннах, увеличить объем загружаемых деталей в печь по сравнению с соляными ваннами до 300 кг. Также исключается необходимость изготовления и использования специальной оснастки (крестовины и т.п.из жаропрочных сталей под каждый типоразмер деталей), исключаются вредные факторы воздействия на оператора.
Заявляемый способ обработки подшипникового кольца может быть произведен, в частности, с использованием вакуумной однокамерной закалочной термической печи 15.VPT-4035/36IQN производства Seco/Warwick или аналогичном оборудовании, обеспечивающим поддержание заявляемых технологических параметров.
Результаты опытных работ, проведенных на базе ООО «ВЗСП» подтверждены положительными заключениями лабораторий на соответствие требований нормативно технической документации, нормам металлографического контроля и контроля твердости качества термической обработки деталей подшипников из стали 8Х4 В9Ф2 (ЭИ-347) в процессе проведения обработки.
В качестве материала колец целесообразным является использование стали марки 8Х4 В9Ф2 (ЭИ-347), характеризующейся заявленным процентным содержанием компонентов. Заявленный способ обработки подшипникового кольца из указанной марки стали позволяет достичь технологических свойств стали по макроструктуре, микроструктуре и загрязненности, отвечающим требованиям отраслевых нормативных документов (ГОСТ и ТУ). При этом при обработке колец, изготовленных из заявленного состава стали, при нагреве в вакууме и последующем охлаждении азотом под давлением в замкнутой камере достигается сокращение закалочных деформаций порядка 30-40%, сокращение обезуглероженного слоя до 20 раз относительно классической технологии при соблюдении требований внутриотраслевой документации регламентирующей качество термической обработки.