Что такое остаточный аустенит при термообработке подшипников? Как это влияет на стабильность размеров и срок службы? 

Многие инженеры по закупкам, инженеры по эксплуатации и специалисты по термообработке по умолчанию приходят к простому выводу: чем меньше остаточного аустенита в подшипнике, тем лучше. На самом деле при проверке отказов цеха и установки шпинделя этот вопрос далеко не столь однозначен. Влияние остаточного аустенита зависит от того, сколько его, стабилен он или нет, где он распределен на поверхности дорожек качения и в каких условиях используется подшипник. Давайте поговорим о том, как эта организация рассматривается в инженерии с точки зрения механизма, проявления отказов, обнаружения, корректировки процесса и принятия решения.

1. Что такое остаточный аустенит при термообработке подшипников?

Для высокоуглеродистой хромсодержащей стали, такой как GCr15, стандартным способом термообработки является аустенизация, сохранение тепла, закалка, охлаждение и последующий отпуск. На этапе сохранения тепла карбиды растворяются в матрице с образованием однородного аустенита; при закалке аустенит должен превратиться в мартенсит очень высокой твердости.

Но фазовый переход не завершен на 100%. После охлаждения до комнатной температуры всегда остается некоторое количество аустенита, который и остается аустенитом. Просто теоретическая температура прекращения фазового перехода и конечная величина удерживания на месте определяются составом стали и всем набором параметров термообработки и не могут быть рассчитаны, опираясь только на определенную температуру.

В мастерской часто наблюдаются несколько влияющих тенденций:

• Если повысить температуру аустенитизации и увеличить время выдержки, карбиды будут растворяться сильнее, содержание углерода в аустените увеличится, а остаточный аустенит после закалки, скорее всего, будет высоким; если температуры недостаточно, твердость будет низкой.
• Ритм охлаждения изменит путь фазового превращения. Невозможно предсказать остаточный аустенит, просто взглянув на скорость охлаждения. Его необходимо сочетать с состоянием аустенитизации, кривой охлаждения и конечной температурой охлаждения.
• Отпуск будет медленно изменять стабильность остаточного аустенита, а некоторые интервалы отпуска приведут к его разложению.
• Криогенное охлаждение — распространенный метод, используемый в мастерских для уменьшения остаточного аустенита, но это лишь вспомогательный процесс, а не универсальное решение.
• Если ковка и сфероидизирующий отжиг выполнены плохо, распределение карбидов будет сегрегированным, а содержание остаточного аустенита будет разным в разных положениях одного и того же набора наконечников.

2. Почему остаточный аустенит влияет на стабильность размеров подшипников?

Остаточный аустенит представляет собой метастабильную структуру и будет продолжать превращаться в мартенсит при подходящих условиях. Удельные объемы аустенита и мартенсита различны. В ходе трансформации объем изменится, и соответственно сместится размер наконечника. Здесь нет четкого правила, и это не обязательно означает, что внутренний диаметр будет увеличиваться. Это зависит от области, где происходит фазовый переход, и от того, каково исходное внутреннее напряжение.

Самое неприятное в дрейфе размеров: оно проявляется не сразу после термообработки. Некоторые подшипники только что прошли заводскую проверку и прошли проверку. После того, как установленная машина продолжает нагреваться и в течение определенного периода времени выполняет циклы нагрева и охлаждения, они медленно меняются. Это также самая неприятная проблема для прецизионных шпинделей.

При изменении размера изменяется и зазор подшипника: зазор сужается, давление предварительного натяга продолжает расти, теплота трения усиливается, а в крайних случаях дорожка качения прогорает и вал застревает; зазор увеличивается, предварительный натяг шпинделя теряется, вибрация становится сильнее, а нагрузка концентрируется на местной дорожке качения, ускоряя образование язв и отслаивание.

На какие подшипники следует ориентироваться на этот риск? Оборудование с длительными высокими температурами, колебаниями температуры, высокоточными шпинделями, толстыми стенками и большими нагрузками, круглосуточной бесперебойной работой. Обычные конвейерные подшипники предъявляют низкие требования к долгосрочной стабильности размеров и часто не требуют учета остаточного аустенита в качестве контрольного параметра.

При устранении неполадок вам следует в первую очередь задать себе несколько вопросов: измеряется ли отклонение размеров сразу после прекращения термообработки или оно появляется медленно после того, как машина установлена ​​и работает в течение определенного периода времени? Есть ли большая разница в показаниях размеров между неисправными деталями и оставшимися в наличии деталями из той же партии? Можно ли воспроизвести это изменение размеров после устранения всех ошибок измерения температуры и упругой деформации, вызванной сборкой?

3. Влияние остаточного аустенита на контактную усталостную долговечность подшипников.

Стабильность размеров и контактная усталость представляют собой две независимые группы целей оценки, и их нельзя оценивать вместе.

Если остаточный аустенит продолжит фазовое преобразование в процессе эксплуатации, размер и зазор будут медленно смещаться, состояние контакта тел качения и дорожек качения изменится, контактное напряжение станет ненормальным, смазочная пленка будет легко разрываться, а усталостное повреждение произойдет быстрее.

Однако остаточный аустенит сам по себе не является просто вредной фазой. В некоторых условиях испытаний стабильный остаточный аустенит также оказывает определенный эффект буферизации ударной вязкости. Но в реальных проектах мы не можем рассчитывать на увеличение срока службы за счет увеличения остаточного аустенита. Его преимущества трудно воспроизвести стабильно. Если эта часть аустенита нестабильна, размерные риски, вызванные последующим фазовым превращением, часто перевешивают потенциальные выгоды.

Многие люди думают, что термообработка прошла успешно, когда видят уменьшение остаточного аустенита в отчете XRD. Уменьшение содержания остаточного аустенита не означает, что качество термообработки обязательно улучшится. После наладки процесса следует также проверить твердость, деформацию и стабильность размеров, чтобы убедиться в том, что другие показатели не ухудшились.

Что действительно определяет усталостную долговечность подшипников, так это чистота расплавленной стали, контроль включений, качество сфероидизации карбидов, прижоги при шлифовке, поверхностные остаточные напряжения и условия смазки. Остаточный аустенит является скорее второстепенной переменной. При выборе и приемке шпинделей приоритет отдается стабильности размеров; в условиях ударных тяжелых нагрузок основное внимание уделяется усталости, ударной вязкости и устойчивости к загрязнению, а показатели остаточного аустенита не будут блокироваться по всем направлениям.

4. Как обнаружить остаточный аустенит в подшипниковой стали? Интерпретация методов XRD и протоколов испытаний

Испытание остаточного аустенита — это метод проверки процесса и анализа отказов. Выборочной проверке подлежат только высококачественные шпиндели и прецизионные партии. Обычные подшипники, как правило, не подлежат проверке.

Основным методом в отрасли является количественный анализ рентгеновской дифракции (XRD). XRD измеряет только поверхностную ткань в пределах глубины проникновения, установленной прибором, и полученные данные не могут напрямую отражать весь наконечник. Место отбора проб, шлифовка и подготовка поверхности образца, параметры прибора и модель расчета — все это будет влиять на результаты. При сравнении отчетов от разных поставщиков и разных партий стандарты, методы подготовки проб и места отбора проб должны быть унифицированы; структура поверхности дорожек качения и торцевых поверхностей часто различается. Если вместо тестирования дорожек качения используются образцы с торцевой поверхности, обязательно заранее убедитесь, что образцы являются репрезентативными.

Сравнение нескольких часто используемых методов обнаружения:

В пригодном для использования отчете об испытаниях должна быть, по крайней мере, четко указана марка стали, номер плавочной партии, результаты твердости, металлографический рейтинг, значение остаточного аустенита, стандарты исполнения и место отбора проб, а также записи размеров термообработки.

5. Идеи по регулированию остаточного аустенита в процессе термообработки.

Контроль остаточного аустенита заключается не в регулировании отдельного процесса, а в взвешивании всего процесса аустенитизации, закалки, отпуска и криогенного охлаждения. Конечная цель – получить подходящий и стабильный уровень остаточного аустенита, а не слепо снижать его до самого низкого уровня.

В основе лежит стадия аустенитизации: температура и время выдержки определяют количество растворенного карбида. Если температура слишком высока, остаточный аустенит легко увеличится; если температура слишком низкая, будет сложно достичь стандарта твердости. Толщина стенок, мощность загрузки печи и однородность печи — все это имеет значение. Заводы определяют параметры на основе испытательных образцов. Не существует универсального параметра, подходящего для всех подшипников GCr15.

Ритм закалки и охлаждения должен быть сбалансированным: если охлаждение медленное, немартенситные плохие структуры будут легко расти; при слишком сильном охлаждении возрастает риск деформации колец, растрескивания и остаточных напряжений, а с толстостенными деталями особенно трудно обращаться. При проверке процесса, помимо осмотра структуры, показателем, за которым необходимо внимательно следить, является степень деформации.

Роль отпуска заключается не только в корректировке твердости, но и в обеспечении стабильности остаточного аустенита. При одинаковом содержании остаточного аустенита система отпуска различна, и тенденция позднего фазового превращения весьма различна. У GCr15 нет единой критической температуры разложения, а схема стабильного отпуска все проверена.

Криогенный процесс является дополнительной конфигурацией: когда его добавлять, добавлять ли после закалки или отпуска и комбинировать ли его с низкотемпературным отпуском, зависит от требований к точности изделия. Криогенное охлаждение может способствовать превращению части аустенита в мартенсит и одновременно изменять напряженное состояние поверхностного слоя. Если процесс не отрегулирован должным образом, он также повлечет за собой скрытую опасность деформации, и планы других компаний невозможно будет скопировать напрямую.

Логика управления в цехе — это не список стрелок, а циклическое суждение: новые технологические образцы сначала подвергаются физическим и химическим испытаниям, а затем подвергаются испытаниям на старение, чтобы увидеть изменения размеров; когда они стабильны, их запускают в серийное производство; При обнаружении отклонений в партии проверяется вся цепочка термообработки, а затем настраиваются параметры.

6. Размерный дрейф прецизионных подшипников шпинделя: идеи по устранению неисправностей

Ниже кратко изложен образ мышления инженеров-эксплуатантов при возникновении таких проблем. Это механизм устранения неполадок, ориентированный на механизм, и он не взят из одного реального проекта, связанного с неисправностями.

После того, как шпиндель продолжает работать в течение некоторого времени, предварительная нагрузка постепенно снижается, и точность обработки снижается. Это типичное явление для прецизионных подшипников. Мы не связываем проблему напрямую с остаточным аустенитом, а устраняем мешающие факторы слой за слоем.

Прежде всего, необходимо различать, является ли изменение размеров обратимым тепловым расширением или постоянным дрейфом, остающимся после охлаждения. Во многих случаях операторы легко неправильно оценивают нормальные изменения зазора, вызванные повышением температуры при изменении фазы ткани. После подтверждения наличия остаточной деформации просмотрите исходные записи термообработки и отправьте дефектные детали и образцы из одной партии вместе на рентгенографический анализ, определение твердости и металлографию.

Существует несколько причин, которые необходимо оценивать одновременно: последующее фазовое превращение нестабильного остаточного аустенита, продолжающееся отпускное разложение мартенсита, медленное снятие остаточных напряжений термообработки, пластическая деформация из-за циклической нагрузки и ползучесть сборки. Даже если результаты испытаний показывают, что остаточный аустенит относительно высок, это всего лишь подсказка и не может быть непосредственно определена как основная причина. Его следует оценивать вместе с временной тенденцией изменений измерений.

Если все данные указывают на недостаточную стабильность остаточного аустенита, корректировки могут быть сосредоточены на параметрах аустенизации, криогенных процессах или стабилизирующем отпуске. После изменения процесса приоритет должен быть отдан испытаниям на ускоренное старение для наблюдения за тенденциями размеров и подтверждения того, что не возникнет никаких новых проблем с твердостью и деформацией, а затем будет рассмотрена проверка мелкосерийного пробного производства.

7. Каково остаточное содержание аустенита в подшипнике, считающемся сертифицированным? Приемка закупок и проверка поставщиков

Многие покупатели зададут вопрос: какой процент остаточного аустенита следует контролировать, чтобы его можно было квалифицировать? На самом деле не существует универсального порога, который можно было бы применить ко всем подшипникам. Интервал приемки определяется уровнем точности продукта, методом обнаружения, местом отбора проб и фактическими условиями использования.

Обычные конвейерные подшипники не нуждаются в оценке по этому пункту; Добавлять этот показатель в техническое соглашение необходимо только подшипникам с прецизионными шпинделями, высокоскоростными двигателями, выдерживающими высокие температуры и требующим длительной стабильности размеров.

При общении с поставщиками сосредоточьтесь на подтверждении следующих факторов: марка стали, процесс ковки и сфероидизирующего отжига; полный процесс термообработки, включая использование криогенного охлаждения и какой этап; данные заводских испытаний, которые могут быть предоставлены, включены ли в комплект поставки товаров отчеты о твердости и металлографические отчеты; согласованный диапазон контроля остаточного аустенита для модели, соответствующий стандартам испытаний; провел ли производитель проверку устойчивости к старению; соглашение о месте отбора проб: берите поверхность канала качения или торец, чтобы избежать споров в последующих отчетах.

При написании технических требований старайтесь избегать расплывчатого утверждения «чем меньше остаточного аустенита, тем лучше». Четко запишите применимые модели, материалы, стандарты испытаний, места отбора проб, верхние и нижние пределы, а также требования к проверке стабильности размеров. Чем строже показатель, тем лучше. Ужесточение показателя часто приводит к увеличению затрат на переработку, однако выгоды могут не обязательно соответствовать потребностям в оборудовании.

8. Часто задаваемые вопросы

1. Действительно ли остаточный аустенит вреден для подшипников?

неопределенный. Реальный риск заключается не в его существовании, а в том, будет ли он продолжать менять фазу во время эксплуатации. Стабильный остаточный аустенит и нестабильный остаточный аустенит — это две разные вещи. Их нельзя просто охарактеризовать как хорошие или плохие. Их необходимо учитывать вместе с условиями труда и состоянием термообработки.

2. Почему остаточный аустенит вызывает изменения размеров подшипников?

Остаточный аустенит представляет собой метастабильную структуру. Он может медленно превращаться в мартенсит в условиях температурных циклов и переменных нагрузок. Разница в удельном объеме между двумя фазами приведет к изменению объема, соответственно сместится размер наконечника, зазор будет нарушен, а направление изменения не будет зафиксировано.

3. Как обнаружить остаточный аустенит?

XRD является наиболее часто используемым количественным методом. Полученные данные отражают лишь локальную структуру поверхностного слоя на заданной глубине. Репрезентативность выборки должна быть подтверждена заранее; металлография подходит для изучения морфологии тканей; магнитный метод пригоден только для сравнительного скрининга одной и той же партии. Если его можно использовать для приемки, план калибровки должен быть согласован заранее.

4. Может ли криогенная обработка полностью устранить остаточный аустенит?

Криогенное охлаждение может способствовать трансформации части остаточного аустенита и улучшению последующей стабильности размеров, но полностью устранить его с помощью традиционных процессов трудно. Когда проводить глубокое охлаждение и какой отпуск проводить, необходимо проводить проверку процесса в зависимости от продукта.

5. Чем меньше остаточного аустенита, тем дольше усталостная долговечность?

Не так. Уменьшение остаточного аустенита не означает одновременного улучшения усталостной долговечности. На усталостную долговечность влияют многие факторы, такие как качество стали, включения, качество шлифования, смазка и т. д. При настройке процесса для уменьшения остаточного аустенита обратите внимание на то, будет ли принесен в жертву контроль деформации или ударная вязкость.