CC BY
49РАЗДЕЛ 3. МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов (технические науки) DOI: 10.25712^Ш2072-8921.2019.04.019 УДК 669 018 2
ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНОГО АУСТЕНИТА НА ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ НАДЕЖНОСТЬ ПОДШИПНИКОВ
Г.А. Околович, Н.А. Беленко
Остаточный аустенит сохраняется в структуре закаленной стали, имеющих более 0,5%С, вследствие того, что мартенситное превращение не заканчивается при охлаждении до +20°С. Прежде всего аустенит даже в отпущенном состоянии не является полностью стабильным и превращается в мартенсит с увеличением объема под действием следующих причин: длительной выдержке при +20оС, охлаждении ниже 0оС, что в большинстве случаев охрупчивает сталь, напряжений и деформаций в эксплуатации.
Стабильность размеров изделий снижается, так как при самопроизвольном превращении аустенита в процессе длительной эксплуатации увеличиваются их размеры [1,2,4,].
Ключевые слова: аустенит, остаточный аустенит, мартенсит, структура, механические свойства, закалка, отпуск, обработка холодом, трещины.
ВВЕДЕНИЕ
В современных условиях роста промышленного производства и увеличения грузоперевозок Российской Федерации, все больше значение приобретает эффективность работы железнодорожного транспорта. Одной из основных задач является минимизация затрат на обслуживание и ремонт грузовых вагонов. В тоже время, значительное количество отцепов вагонов, приводящих к длительным простоям, снижению безопасности движения и частым трудоемким ремонтам, происходит по причине неисправности ходовых частей [8,10,11].
Для исследования были представлены роликовые подшипники железнодорожных вагонов № 36 - 23 276 Е2М 10 - 6 -Т, изготовленных на АО «Степногорский подшипниковый завод».
Цель работы: выполнить исследования структурного состояния и механических свойств, определить марку стали и установить причину нагрева подшипников и заклинивание колесной пары в эксплуатации.
Рисунок 1 - Роликовый подшипник железнодорожного вагона
Рисунок 2 - Торец роликового подшипника
При визуальном осмотре двух комплектов подшипников значимых дефектов не выявлено кроме цветов побежалости на торцах роликов (желтый цвет) с микротрещинами поверхности (рис.1, 2,5). Для дальнейшего исследования были изготовлены микрошлифы вдоль ролика и с торцевой поверхности. Твердость на торце ролика изменялась от 59 HRC до 62 HRC. Следует отметить, что твердость в центре ролика составила HRC 59 - 61, а на кольцевой поверхности (цвета побежалости) HRC 61 - 62. Дальнейшие исследования показали, что увеличение твердости произошло вследствие превращения остаточного аустенита в мартенсит при нагреве от трения при контактных нагрузках с повышением твердости и увеличением размеров изделия. Кроме того, аналогично изменялась твердость вдоль поверхности ролика от 59 HRC до 62 HRC у торца так как под действием контактной циклической нагрузки на поверхности качения снижается содержание количества остаточ-
ного аустенита (Аост), а его превращение в мартенсит сопровождается увеличением объема и возникновением дополнительных напряжений вследствие интенсивного трения, и возникновением микротрещин (рис.5) [ 9,12,13,14,17 ].
Роликовые подшипники для букс железнодорожных вагонов работают в условиях высоких контактных и динамических нагрузок. Долговечность подшипников определяется, главным образом, качеством стали и ее термической обработкой.
Наиболее типичны следующие виды повреждений: контактно-усталостное выкашивание (питинг), вмятины, отслаивания, износ, трещины, коррозия.
Подшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью HRC 60...65 в закаленном и отпущенном состоянии, износостойкостью и контактной выносливостью, высокой прочностью и достаточной вязкостью. Отсюда высокие требования к условиям выплавки и качеству стали, химическому составу и микроструктуре (неметаллические включения, карбидная неоднородность, характер и структура мартенсита закалки).
Исходя из этого, ГОСТ 801-78 не допускает отклонения от норм химического состава [1].
Химический состав стали ШХ15СГ по ГОСТ 801 - 78:
0.95- 1.05%^; 0.40-0.65 %Si; 0.90-1.20% МП; 1.30-1.65%Gr.
Химический состав в результате выполненного в лаборатории спектрального анализа соответствует стали ШХ15СГ:
0.85 - 0.94%С, 0.535% Si%; 0.998%МП; 1.39<^Г.
С целью обеспечения требуемой прока-ливаемости крупногабаритных подшипников сечением свыше 140 мм для стали ШХ15СГ устанавливаются суженые пределы содержания элементов: массовая доля марганца 11.2%, хрома 1.40-1.65%; кремния 0.45-065%.
Кроме того, сталь должна обладать размерной стабильностью при длительном хранении и эксплуатацией подшипников, предотвращающей их «заклинивание» или ослабление посадочного натяга.
После закалки стали и низкотемпературного отпуска микроструктуру определяли при увеличении в 500 раз. Структура роликов -мелкокристаллический мартенсит, остаточный аустенит и карбиды (рис. 3).
а) структура стали ШХ15СГ х 500
в) структура стали ШХ15СГ х 500
Р *
. » ^ ^ У"' '
•Л ,У « '■ ? *
%*■'' 'ъ'ШьШ ■-.'.'¿У ' ' ,
•' ' « л -
• .. .V •
•'.V •• " '.У;'йгт 'Я"-
б) Структура стали ШХ15СГ х 500
г) структура стали ШХ15СГ х 500
Рисунок 3 - Структура стали ШХ 15 СГ при увеличении в 500 раз
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 4 2019
а) структура стали ШХ15СГ х 100
ж) структура стали ШХ15СГ х 200
Рисунок 4 - Структура стали ШХ
Из-за небольшого размера карбидов, образующихся при отпуске, их рассмотреть нельзя при увеличении до 200 (рис.4).
Однако, выявляется структурная полосчатость с различной степенью травимости, которая отрицательно сказывается на эксплуатационные, технологические и механические характеристики стали ШХ15СГ и прежде всего, возникновению трещин при штамповке роликов (рис. 5). Трещины в деталях подшипников не допускаются [1,2,3,17].
Рисунок 5 -Трещина вдоль ролика х 200 ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 4 2019
г) структура стали ШХ15СГ х 200
з) Структура стали ШХ15СГ х 500 15 СГ при различном увеличении
Вследствие большой ликвации хрома и углерода в сталях ШХ15 и ШХ15СГ возникает карбидная неоднородность, проявляющаяся в виде карбидной ликвации. Вторичные карбиды образуют закрытую карбидную сетку. В темнотравящихся полосах концентрируются карбиды (рис.6) цементитного типа (РвэС), которые содержат различное содержание хрома и когда его больше 9%, карбиды не травятся [2,15,16].
Рисунок 6 - Карбидная ликвация (торец ролика) х 200
Изменение микротвердости на приборе ПМТ3 показали высокую твердость карбидов НУ1100 (~70HRC). Отпуск должен обеспечивать повышение вязкости стали за счет снижения тетрагональности мартенсита и внутренних напряжений без интенсивного распада остаточного аустенита сопровождающегося падением ударной вязкости осуществляют при 150 - 175°С. Общая продолжительность отпуска зависит от массы и размеров деталей и колеблется от 2.5- 3.5 до 7- 9 часов для деталей крупногабаритных подшипников. Интенсивный распад аустенита начинается при температурах 275°С.
Остаточный аустенит сохраняется в структуре сталей, отпускаемых с сохранением высокой твердости и может значительно влиять на их основные свойства. Прежде всего аустенит даже в отпущенном состоянии не является полностью стабильным и превращается с неодинаковой интенсивностью под действием следующих причин:
1. Длительной выдержке при температуре +20°С даже при отсутствии заметных нагрузок (по всему объему 3-5%).
2. Охлаждение до температур ниже 00С. Превращение протекает по всему объему и в большинстве случаев охрупчивает сталь.
3. Выдержка закаленной стали при температуре +20°С ,1 ч. или отпуск вызывают свободную стабилизацию, заключающуюся в том, что при последующем охлаждении до низких температур превращается уже меньшее количество аустенита. Тем не менее низкотемпературный отпуск закаленной стали не создает полной устойчивости аустенита и некоторое количество его превращается и в отпущенной стали при повторном, особенно многократном, охлаждении ниже 0°С.
4. Напряжения и деформации в эксплуатации вызывают превращение в отдельных объемах и охватывают тонкие поверхностные слои.
5. Замедление непрерывного охлаждения при закалке приводит к стабилизации аустенита [5,6,7].
Превращение не чувствительно к указанной выше стабилизации аустенита и протекает одинаково в закаленной и отпущенной стали. Стабильность размеров снижается, так как при самопроизвольном превращении аустенита увеличиваются размеры. Их стабильность нарушается еще больше, если изделие в эксплуатации охлаждается и нагревается даже до 150°С [3]. Что и происходит с подшипниками. Зимой они охлаждались до -30°С с превращением Аост в мартенсит,
увеличением объема и натяга. Контактные нагрузки так же вызывали превращение Аост в мартенсит деформации (Мд) вследствие пластической деформации в зоне контакта. Перечисленные явления сопровождались нагревом от трения контактирующихся поверхностей до 200°С (цвета побежалости). При эксплуатации подшипников в условиях граничного трения из-за перегрева возможно разрушение граничной смазки, что сопровождается схватыванием.
В отличие от стали ШХ15 сталь ШХ15СГ после отпуска при 250°С имеет недостаточную стабильность при рабочих температурах до150°С и выше, и заметную нестабильность даже при 120°С из-за неполного разложения остаточного аустенита при отпуске. Отпуск при 275°С дает приемлемую стабильность размеров при температурах до 150-200°С.
ВЫВОДЫ
1. Нагрев и заклинивание роликовых подшипников в эксплуатации произошел в следствие превращения остаточного аусте-нита в мартенсит с увеличением размеров роликов.
2. Повышенное содержание остаточного аустенита и его устойчивость против отпуска связано с нарушением технологического процесса термической обработки стали в производстве подшипников.
3.Высокая стабильность размеров стали ШХ15СГ при нагреве в эксплуатации до 2000С может быть получена только после отпуска закаленной стали при 3000С для полного превращения остаточного аустенита в мартенсит.
4. Структурную и размерную нестабильность стали ШХ15ГС можно существенно повысить применением обработки холодом в сочетании с последующим отпуском при 250°С в течение 3-6 часов [4,5].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей. Справочник под общей редакцией В.Д. Кальнера 1984г. 383 с. М.
2. Геллер Ю.А.. Инструментальные стали. М. Металлургия, 1983, 582 с.
3. Башнин Ю.А.Технология термической обработки. М. Металлургия 1986, 423 стр
4. Спектор А.Г.,Зельберт Б.М., Киселева С.А., Структура и свойства подшипниковых сталей. М. Металлургия , 1980-263с.
5. Г.А. Околович, «Легированные инструментальные стали», МиТОМ.,№9, 2006г.с.4-9.
6. В.М.Счастливцев и др. «Влияние скорости охлаждения на количество остаточного аустенита при бейнитном превращении». Физика металлов и мета-ловедение,2014,том115, №10,с. 1052—1063.
7. В.Д.Садовский , Фокина Е.А.Остаточный аустенит в закаленной стали. М.:Наука,1986.113с.
8. В.Д. Садовский. Превращение переохлажденного аустенита (Атлас диаграмм). М. Металлургиз-дат,1947.55с.
9. Теория термической обработки металлов. Учебник для вузов. М.: Металлургия ,1986. 480с.
10. Металлография железа, том 2, структура сталей. Под редакцией академика А.Н. Груз. ССР
Ф.И.Тавадзе. Металлургия, М.1972.
11. Энтин Р.И. Превращение аустенита в стали. М. :Металлургиздат, 1960.256с.
12. Счастливцев В.М., Мирзоев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной стали . М.: Металлургия.1994. 288с.
13. Bhadeshia H.K.D.H. Bainite in Steels/--London .: The Institute of Materials.1992. 468р.
14. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. М.: Наука, 1977.238с.
15. Садовский В.Д. Структурная наследственность стали. М.: Металлургия, 1973,205с.
16. ОколовичГ.А. Термическая обработка из межкритического интервала температур /Г.А. Около-вич // Ползуновский вестник. - 2005. № 2. с. 122-124.
17. Эйфер М.Ю. Пути повышения долговечности деталей подвижного состава (МИИТ) вып.211,изд—во «Транспорт»1966.с.144.
Околович Геннадий Андреевич д.т.н., профессор. Заслуженный изобретатель Р.Ф. Алтайский политехнический университет им. И.И.Ползунова, тел. 89628022521, эл. адрес: mtio.10@mail.ru
Беленко Никита Андреевич - специалист по испытаниям 1 категории «Испытательный центр технических средств железнодорожного транспорта»,
г.Новоалтайск, тел.89237134644, эл.адрес: belij98@mail.ru
