CC BY
43
УДК 669.018.24
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАГРЕВА НА СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ И ТВЕРДОСТЬ СТАЛИ ШХ15СГ Пугачева Татьяна Михайловна, доцент, к.т.н. (e-mail: t.pugacheva15@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе приведены результаты исследования влияния нагревов при температурах 220-260 °С длительностью 6-45 мин подшипниковой стали ШХ15СГ на появление цветов побежалости и изменения микроструктуры, твердости и микротвердости. Установлено, что при нагреве до 220 °С на полированной поверхности образцов даже при увеличении длительности выдержки до 45 мин. формируется прозрачная светло-соломенная окисная пленка. При нагреве до 260 °С последовательно появляются прозрачная светло-соломенная, затем темно-соломенная и, наконец, желто-коричневая окисные пленки. Однако это не приводит к заметным отличиям микроструктуры, твердости и микротвердости поверхностных и центральных областей образцов. Даже после нагрева при 260°С в течение 27 мин твердость остается на уровне 60 HRC, что соответствует нормативно-технической документации и не влияет на эксплуатационные свойства стали.
Ключевые слова: подшипниковая сталь, цвета побежалости, длительность нагрева, твердость
Сталь ШХ15СГ широко применяется для изготовления подшипников качения [1]. В процессе эксплуатации беговая дорожка приобретает цветовую окраску. Известно, что при нагреве стали выше 200 °С ее поверхность приобретает светло-желтый (соломенный) оттенок, что свидетельствует об образовании тонкой прозрачной окисной пленки в результате взаимодействия с воздушной атмосферой. При повышении температуры или увеличении длительности выдержки происходит увеличение толщины окисной пленки и изменение цвета от желтого к коричневому, пурпурному, фиолетовому, голубому, синему и, наконец, около 350°С — водянисто-зеленому (серому). Эту цветовую окраску называют цветами побежалости. На практике по цветам побежалости можно судить о температуре нагрева детали при изготовлении или ремонте, термической обработке (отпуске или самоотпуске) или эксплуатации [2-4]. По цветам побежалости можно оценить глубину слоя с измененными свойствами, например, при шлифовании [4]
Для углеродистой стали характерны следующие переходы цвета: светло-соломенный (220-240°C), желто-коричневый (240-250°C), пурпурный (260 °C), фиолетово-голубой (280-320°C), серый (330—350 °С) [4, 6-8].
В зависимости от состава и теплопроводности стали, а также скорости подъёма температуры, состава газовой среды, времени выдержки стали при данной температуре, характера освещения и некоторых других факто-
ров значения температур для отдельных цветов побежалости могут отличаться от приведенных выше [7, 9, 10]. Так, на легированных сталях цвета побежалости обычно появляются при более высоких температурах, так как легирование может повышать стойкость стали к окислению на воздухе. Но общая тенденция смены цветов сохраняется.
Цель исследования - определить температуры и необходимое время для появления цветов побежалости в нижнем диапазоне температур (220-260°С) при нагреве стали ШХ15СГ и определить, как при этом изменяется твердость и микротвердость стали.
Методика исследования
Для исследования из кольца подшипника из стали ШХ15СГ были вырезаны образцы толщиной 7 мм. Образцы нагревали в лабораторном сушильном шкафу при температуре 220 и 260 °С с выдержкой от 6 до 45 минут. На каждом образце до и после термообработки замеряли твердость на твердомере ЕМО-ТЕБТ М4 Я 025 ОЗ.
Цвета побежалости определяли визуально при дневном освещении. Для оценки цвета использовали шкалу, представленную в таблице 1.
Таблица 1- Соответствие цвета побежалости, температуры и толщины
окисленного слоя
Цвет побежалости Температура Толщина окисленного слоя (приближенно), мкм
Светло-желтый 220 0,45
Соломенно-желтый 240 0,45
Желто-коричневый 255 0,50
Красно-коричневый 265 0,50
Фиолетовый 280 0,65
Синий 300 0,65
Голубой 325 0,72
Серый 330-350 0,72
Для исследования зоны разупрочнения изготовляли поперечные шлифы с использованием отрезного и шлифовально-полировального оборудования для пробоподготовки фирмы Struers c использованием фирменных расходных материалов (отрезные диски, шлифовальные шкурки, полировальное сукно, алмазные пасты).
Микроструктуру изучали на микроскопе OLYMPUS 51, а микротвердость на твердомере фирмы Buehler MICROMET 5101 при нагрузке 100 г.
Результаты исследования и их анализ
Условия проведения нагрева и результаты исследования приведены в таблице 2. Анализ полученных результатов показывает, что при температуре нагрева 220 °С твердость остается на исходном уровне даже при выдержке 45 мин. Окисления поверхности не наблюдается до 27 минут вы-
держки. При выдержке 27-45 минут шлифованная поверхность приобретает светло-соломенную окраску (рисунок 2).
Таблица 2 - Условия проведения экспериментов _и результаты исследования_
Твердость ИЯС
№ Температура Выдержка, исходная после нагрева Цвет окисной пленки
образца нагрева, °С мин. 1 (центр) 2 3 (цвет побежалости)
1 6 60,5 59,3 60,2 60,9 Отсутствует
2 9 61,5 61,4 61,1 61,4 То же
3 12 61,3 61,1 61,5 60,8
4 220 17 61,5 61,7 60,7 61,5
5 27 61,7 61,1 60,8 61,6 Прозрачная светло-соломенный
45 61,2 60,7 61,6 Прозрачная светло-соломенный
6 6 61,7 61,1 61,1 61,5 Отсутствует
7 9 60,7 60,5 60,5 60,4 Прозрачная светло-соломенный
8 260 12 61,6 61,3 60,8 61,1 Прозрачная соломенный
9 17 62,2 60,7 60,1 60,5 Темно-соломенный
10 27 61,6 59,9 59,8 60,0 Желто-коричневый
При температуре нагрева 260 °С твердость практически не изменяется в течение первых 12 минут. Можно констатировать лишь тенденцию к уменьшению не более, чем на 0,5 ИЯС. Однако после 17-27 минут выдержки твердость снижается на 1,5 ИЯС, оставаясь при этом не ниже минимально требуемого для колец подшипника из стали ШХ15СГ значения 59 ИЯС. Прозрачная светло-соломенная пленка наблюдается уже через 9 минут нагрева. При увеличении длительности она становится более плотной и меняет цвет к темно-соломенному при 17 минутах и желто-коричневой при 27 минутах нагрева (рисунок 3).
Рисунок 2- Цвета побежалости при температуре 220 °С с разной выдержкой (справа налево- 6, 9, 12, 17, 45 мин)
Рисунок 3 - Цвета побежалости при температуре 260 °С с разной выдержкой (справа налево- 6, 9, 12, 17, 27 мин)
Рисунок 4 - Изменение микротвердости по глубине образцов 8, 9 и 10
в г
Рисунок 5- Микроструктура поверхности образца 8 (а), 9(б), 10 (в) и сердцевины (г) (х200)
Для анализа изменения микротвердости по сечению образцов были выбраны образцы 8, 9 и 10 с разной толщиной окисной пленки. Данные по замеру микротвердости представлены на рисунке 4. Анализ полученных данных показывает, что микротвердость поверхностных зон и центра практически не отличаются. Даже появление плотной желто-коричневой окисной пленки на поверхности не сказалось на уровне микротвердости в подповерхностных и глубинных областях образца.
Микроструктуры образцов приведены на рисунке 5. Как видно из представленных рисунков, только на образце 10 наблюдается небольшая при-
поверхностная область большей степени травимости, чем центральные зоны, что свидетельствует о начинающемся разупрочнении стали. Во всех остальных случаях видимых изменений обнаружено не было.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом кратковременный нагрев стали ШХ15СГ до температур 220-260°С даже при появлении на поверхности окисной пленки желто-коричневого цвета не приводит к заметным изменениям микроструктуры и твердости. Даже после отпуска при 260 °С в течение 27 мин твердость остается на уровне 60 HRC, что соответствует нормативно-технической документации и не влияет на эксплуатационные свойства стали.
Список литературы
1. Pugacheva T.M. History of aviation bearing steels development and its treatment. Proceedings 26th IFHSE CONGRESS 2019. International Congress on Metal Science and Heat Treatment, Moscow: Metallurgizdat, 2019.-291-295 p.p.
2. Справочник авиационного техника. М: Воениздат,1974.-592 с.
3. Пейсахов А.М., Кучер А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Спб.:Изд-во Михайлова А.В., 2003.-407 с.
4. Морозов Н.Д. Горев Г.В., Лисин А.С., Кленников Е.В. Устройство и ремонт автомобилей, 1972. - 302 с.
5. Попов С.А., Дибнер Л.Г., Калинкович А.С. Заточка режущего инструмента. М: Высшая школа, 1970. - 320 с.
6. Блоховитинов Н.Ф. Металловедение и термическая обработка. М: Машиностроение, 1965. - 503 с.
7. Краткий справочник металлиста. М: Машиностроение, 1971. - 589 с.
8. Стерин И. С. Машиностроительные материалы. Основы металловедения и термической обработки. СПб: Политехника, 2003. - 344 с
9. Гуревич Д.Я. Краткий справочник прокатчика. М.: Гос. научно-техн. изд-во литры по черной и цветной металлургии, 1955 -415 с.
10. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components, ASM International, 2008, 640 р.
Pugacheva T.M., Associate Professor, Ph.D.
(e-mail: t.pugacheva15@yandex.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
STUDY OF THE HEATING INFLUENCE ON THE OXIDATION DEGREE AND HARDNESS OF SHKH 15SG STEEL
Abstract. The paper presents the results of a study of the heating effect at temperatures of 220-260 ° C for a duration of 6-45 minutes of ShKh15SG bearing steel on the appearance of tint colors and changes in microstructure, hardness and microhardness. It was found that when heated to 220 ° C on the polished surface of the samples, even with an increase in the exposure time to 45 min. a transparent light straw oxide film is formed. When heated to 260 ° C, transparent light straw, then dark straw and, finally, yellow-brown oxide films successively appear. However, this does not lead to noticeable differences in the microstructure, hardness, and microhardness of the surface and central regions of the samples. Even after heating at 260 ° C for 27 minutes, the hardness remains at 60 HRC, which corresponds to the normative and technical documentation and does not affect the operational properties of steel. Keywords: bearing steel, tint colors, heating duration, hardness.
