Подшипники качения - важнейшие элементы машин и механизмов, работающие в условиях высоких контактных, ударных и циклических нагрузок. Основные детали подшипников (кольца — наружное и внутреннее, ролики) должны обладать:
- твердой и износостойкой поверхностью для сопротивления контактным нагрузкам;
- пластичной и вязкой сердцевиной для поглощения ударных нагрузок.
Для достижения этих свойств на самарском заводе 9СМПЗ применяют химико-термическую (цементацию) и термическую (закалку) обработки. В статье «Подшипник: от поковки до готового изделия», размещенной на этом канале ранее, рассказывалось об этих технологических операциях, но ввиду их важной роли в улучшении физико-механических свойств подшипников, прежде всего их контактных поверхностей, рассмотрим эти виды обработок подробнее.
Исходный материал
Для производства основных деталей подшипников на 9СМПЗ используется конструкционная легированная хромоникелевая сталь 20Х2Н4А, обладающая оптимальным сочетанием прочности и вязкости.
Низкое содержание углерода стали 20Х2Н4А (0,16-0,22%), как и легирование никелем, способствует повышенным уровням пластичности и ударной вязкости, присутствие хрома обеспечивает увеличение прочности, твердости, износо- и коррозионной стойкости. Особо следует отметить, что и хром, и никель повышают прокаливаемость — способность стали воспринимать закалку на определённую глубину.
Чтобы получить низкоуглеродистую сердцевину деталей пластичной и прочной, а поверхностный слой твердым и ещё более прочным, чем сердцевина, необходимо увеличить в нём содержание углерода для получения эффекта от последующей закалки, которой подвергаются стали с содержанием углерода не менее 0,4%. Эту задачу решает цементация.
В исходном состоянии сталь 20Х2Н4А имеет структуру феррита и перлита. Феррит мягкий (80 НВ) и пластичный (относительное удлинение, δ=30%), перлит более твердый (160-230 НВ) и менее пластичный (δ=10–12%).
Цементация: процесс и механизм
Цементация - диффузионное насыщение поверхности стали углеродом. Для подшипниковой стали 20Х2Н4А цементацию проводят при температуре 920-940 градусов в атмосфере, состоящей из смеси эндотермического и природного газов, в области существования высокотемпературной фазы стали — аустенита, обладающей высокой растворимостью углерода. Детали подшипников, полученные в результате механической обработки поковок, загружают в цементационную шахтную печь и выдерживают несколько суток. После завершения процесса содержание углерода в поверхностном слое находится на уровне 08-1,0%. Сталь готова к закалке.
Закалка: формирование структуры, улучшающей свойства
В результате закалки - быстрого охлаждения деталей в масле с температуры 800-820 градусов до 40-70 градусов - в стали формируется мартенсит - микроструктура, характеризующаяся высокими показателями твердости (55-70 HRC), прочности и износостойкости, превосходящими аналогичные показатели феррита, перлита, сорбита и троостита (высокодисперсные разновидности перлита) и бейнита (с промежуточным между трооститом и мартенситом типом микроструктуры) . При этом у мартенсита очень низкая пластичность. Причиной высоких механических свойств мартенсита является особый тип его структуры, имеющей пластинчатую (игольчатую) или реечную (пакетную) форму, образующуюся в результате высокоскоростного (более 1000 м/c), бездиффузионного роста кристаллов, появившихся в ходе полиморфного превращения аустенита (с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой) в мартенсит (с тетрагональной решеткой), следствием чего является высокая плотность дефектов кристаллического строения, приводящая к упрочнению металла.
Структура — свойства (выводы)
Физико-механические свойства металлов в значительной степени зависят от их структуры. Поэтому для деталей подшипников очень важным является определение оптимальных режимов обработок (термической - закалка и химико-термической - цементация), позволяющих сформировать в них структурное состояние, обеспечивающее реализацию требуемого комплекса свойств.
Приложение
Термины, использованные в статье:
- Твёрдый раствор - фаза переменного состава, в которой атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решетке
- Фаза - однородная часть сплава, отделённая от других частей сплава поверхностями раздела, при переходе через которые, структура и свойства изменяются скачкообразно
- Феррит - твердый раствор внедрения углерода в α-Fe
- Перлит - механическая смесь феррита и цементита
- Цементит - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа, Fe3C)
- Аустенит - твёрдый раствор внедрения углерода в γ-Fe
- α-Fe (альфа-железо) - модификация железа с об’емноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой, существует при температурах ниже 911 градусов
- γ-Fe (гамма-железо) - модификация железа с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой, существует при температурах выше 911 градусов
- Мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-Fe