Спосіб гартування кілець підшипника кочення

1. Спосіб гартування підшипника кочення, що включає попереднє гартування матеріалу кілець з наступним індукційним нагріванням щонайменше частини матеріалу кілець та їх охолодженням, який відрізняється тим, що як попереднє гартування здійснюють об'ємне гартування для сталі зі складом, що містить С 0,95-1,05 %, Si 0,15-0,3 %, Mn 0,15-0,3 %, Cr 0,35-0,5 %, Ni, Сu не більше 0,3 %, P, S не більше 0,3 % та Fe, шляхом її нагрівання до температури 830-870 °C і витримки загальним часом не менше 1 години з наступним охолодженням, а індукційне гартування здійснюють шляхом нагрівання поверхневого шару кільця струмом високої частоти при загальній тривалості нагріву 15-50 секунд до температури 820-1050 °C з наступним охолодженням протягом 4-10 секунд до температури нижче температури початку мартенситного перетворення з наступним доохолодженням протягом 30-60 секунд до температури навколишнього середовища. U 2 (19) 1 3 Недоліком відомого способу є те, що отримання поверхневого зміцненого шару кільця підшипника, що має високу твердість, та серцевини - зміцненої з пониженою твердістю та достатньою в'язкістю, здійснюють за допомогою самовідпуску при гартуванні за один прохід. Для тонкостінних (до 14 мм.) деталей сформувати такий розподіл шарів неможливо, внаслідок досягнення їх повної проколюваності. Відомий спосіб гартування тонкостінних кілець роликового підшипника за а.с. СРСР №1475932 (опубл. 30.04.1989, МПК C21D 1/06, 1/60), що включає індукційне нагрівання кілець та їх охолодження. Недоліком відомого способу є необхідність постійного контролю температури при охолодженні деталі, що обумовлюється різною інтенсивністю охолодження для різної температури поверхні кільця підшипника. Також зазначений спосіб потребує використання спреєра складної конструкції. Найбільш близьким за технічною суттю до корисної моделі, що заявляється є спосіб гартування підшипника кочення та підшипник кочення за японською заявкою JP 2007182609 (опубл. 19.07.2009, МПК C21D 9/40), що включає попереднє гартування матеріалу кілець з наступним індукційним гартуванням щонайменше частини матеріалу кілець та їх охолодження. Недоліками описаного вище технічного рішення є те, що попереднє гартування здійснюють шляхом цементації/нітроцементації. Застосування вищевказаних операцій вимагає наявності обладнання, що має високу вартість, та збільшує час, необхідний для виготовлення деталі підшипника. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу гартування тонкостінних кілець роликового підшипника, який забезпечив би можливість отримання поверхнево зміцненого шару зовнішніх кілець залізничного касетного роликового підшипника, виготовлених із сталі, що містить С 0,95-1,05 %, Si 0,15-0,3 %, Mn 0,15-0,3 %, Cr 0,350,5 %, Ni, Cu не більше 0,3 %, P, S не більше 0,3 % та Fe, які мають складний перетин з мінімальною товщиною стінки деталі менше ніж 14 мм, при збереженні необхідних властивостей твердості та в'язкості серцевини, та недопущенні виникнення в ній осередків утворення мікротріщин. Поставлена задача вирішується тим що, розроблений спосіб гартування кілець роликового підшипника, який включає попереднє гартування матеріалу кілець з наступним індукційним нагріванням щонайменше частини матеріалу кілець та їх охолодженням, який відрізняється тим, що як попереднє гартування здійснюють об'ємне гартування для сталі зі складом, що містить С 0,951,05 %, Si 0,15-0,3 %, Mn 0,15-0,3 %, Cr 0,35-0,5 %, Ni, Cu не більше 0,3 %, P, S не більше 0,3 % та Fe, шляхом її нагрівання до температури 830-870 °C і витримки загальним часом не менше 1 години з наступним охолодженням, а індукційне гартування здійснюють шляхом нагрівання поверхневого шару кільця струмом високої частоти при загальній тривалості нагріву 15-50 секунд до температури 8201050 °C з наступним охолодженням протягом 4-10 секунд до температури нижче температури почат 66780 4 ку мартенситного перетворення з наступним доохолодженням протягом 30-60 секунд до температури навколишнього середовища. Використання під час здійснення способу, що заявляється, як матеріалу кілець роликового підшипника сталі зі складом, що містить С 0,951,05 %, Si 0,15-0,3 %, Mn 0,15-0,3 %, Cr 0,35-0,5 %, Ni, Cu не більше 0,3 %, P, S не більше 0,3 % та Fe, обумовлене тим, що така сталь має низьку схильність до росту зерна аустеніту при нагріванні під час загартовування, що не тільки забезпечує їх високий опір крихкому руйнуванню в загартованому стані, а також знижує вірогідність отримання тріщин під час загартовування. Крім того, застосування індукційного нагрівання при загартовуванні такої сталі дозволяє підвищити продуктивність обладнання, при цьому не вимагає підвищених вимог до стабільності та точності роботи пристроїв, що дозують режими індукційного нагрівання для загартовування. Переважно при здійсненні способу, що заявляється, використовують конструкційну підшипникову сталь марки ШХ4 (ГОСТ 801-78 "Сталь підшипникова. Технічні умови"), що є сталлю з регламентованою проколюваністю. Слід зазначити, що температура, до якої охолоджують поверхневий шар кільця після його нагрівання струмом високої частоти, повинна бути нижче температури початку мартенситного перетворення, яка у даному випадку складає 200220 °C. Контроль температури кільця, яке охолоджують, здійснюють шляхом візуального контролю або іншим прийнятним у даному випадку шляхом. Доцільним є таке здійснення способу, за яким попереднє об'ємне гартування здійснюють до отримання структурної складової трооститу. Перевагами такого здійснення способу є висока ударна в'язкість отриманого матеріалу, що запобігає сколенням бортів кілець, та зменшує залишкові деформації після термообробки. Крім того, гартування з отриманням структури трооститу зменшує час виробництва і вартість кільця. При здійсненні способу глибина отриманого загартованого поверхневого шару зі структурою матеріалу мартенсит, складає d=(0,05…0,2)*s, де s товщина стінки кільця. Попереднім об'ємним гартуванням зміцнюють матеріал серцевини кільця до твердості 32-44 HRC, що дозволяє забезпечити необхідну твердість серцевини до початку процесу індукційного нагрівання поверхневого шару кільця підшипника струмом високої частоти, та обумовлене тим, що на наступному етапі гартування буде здійснюватись тільки за рахунок поверхневого нагрівання кілець підшипника, без прогрівання їх серцевини. Таке значення твердості зміцненої серцевини кільця обумовлене твердістю трооститу. У свою чергу індукційним гартуванням зміцнюють матеріал поверхневого шару кілець до твердості 61-64 HRC, що дозволяє забезпечити високу зносостійкість і великий ресурс. Також доцільним є здійснення індукційного гартування щонайменше частини матеріалу кілець струмом високої частоти 60-200 кГц при питомій 2 потужності індуктора 0,1-0,5 кВт на 1см поверхні 5 кільця підшипника, без прогрівання серцевини. Вказані граничні значення робочих частот при індукційному нагріванні дозволяють гарантовано отримати на зовнішній та внутрішній поверхні кільця поверхневий шар, загартований на глибину d=(0,05…0,2)*s, де s товщина перетину кільця, з поверхневою твердістю 61…64 HRC, та зберегти твердість серцевини не менше 32…44 HRC, шляхом недопущення прогрівання серцевини деталі підшипника. Використання для індукційного нагрівання струму з частотою нижче 60 кГц призводить до збільшення глибини поверхневого загартованого шару. Використання для індукційного нагрівання струму з частотою вище 200 кГц призводить до перегрівання поверхневого шару кільця. Граничні значення питомої потужності індукто2 ра 0,1-0,5 кВт на 1см поверхні кільця визначаються можливістю забезпечити необхідну швидкість нагрівання до температури 820-1050 °C в зоні, де відбуваються фазові перетворення сталі, тобто забезпечити тільки поверхневе нагрівання кільця підшипника, без досягнення температури фазового перетворення у серцевині кільця. Зниження питомої потужності індукційного нагрівання нижче 0,1 кВт/см призводить до того, що відбувається прогрівання серцевини деталі. Перевищення питомої потужності індукційного нагрівання понад 0,5 кВт/см призводить до надмірних витрат енергії та перегріву поверхневого шару. Граничні значення тривалості нагріву 15-50 сек. дозволяють, при вказаних робочих частотах індуктора, забезпечити швидке нагрівання поверхні деталі при низьких тепловитратах на основну масу деталі. Як наслідок, серцевина деталі не встигає прогріватися до температури фазових перетворень. Можливий варіант здійснення способу, що заявляється, при якому перед індукційним гартуванням здійснюють додаткову термообробку шляхом високого відпуску, що дозволяє знизити твердість біля бортів кільця та забезпечити по всьому перетину вихідну структуру, яка забезпечує найбільшу зносостійкість після подальшого індукційного загартовування, а саме - високодисперсний перліт. Переважно поверхневе охолодження зони нагріву до температури нижче температури початку мартенситного перетворення здійснюють водяним душем температурою 20-35 °C, що дозволяє забезпечити швидкість охолодження вище критичної, яка необхідна для процесу мартенситного перетворення сталі, наприклад, марки ШХ4. Граничні значення часу інтенсивного охолодження 4-10 сек. і витрат води на рівні 17-45 2 л/м *сек. дозволяють забезпечити необхідну швидкість охолодження, вище критичної, забезпечити відвід тепла від поверхневого шару та досягнути його необхідної твердості. На протязі часу до 10 сек. тепло повністю відводиться від поверхні деталей інтенсивним струмом води, зменшення часу нижче 4 сек. не дозволяє отримати необхідну твердість деталі підшипника. Наступне доохолодження до температури навколишнього середовища також здійснюється водяним душем температурою 20-35 °C тривалістю 66780 6 2 30-60 сек. з витратами води на рівні 2-8 л/м *сек. та необхідне для запобігання самовідпуску кільця. Індукційне гартування кілець підшипника може бути здійснено в послідовності зовнішня - внутрішня поверхня кільця підшипника, або внутрішня зовнішня поверхня кільця підшипника. Також можливе таке виконання способу, що заявляється, коли індукційне гартування щонайменше частини матеріалу кілець здійснюють одночасно по внутрішній та зовнішній поверхнях кільця. Таким чином, можна зазначити, що саме така послідовність операцій при здійсненні способу гартування кілець підшипника кочення, наприклад, роликового підшипника, та також склад сталі, яка використовується при здійсненні способу, та технологічні режими вказаних операцій, при своєму поєднанні дозволяють забезпечити виготовлення кілець підшипників, що мають комплекс необхідних механічних властивостей (високу контактну витривалість, зносостійкість, стійкість до утворення тріщин), дозволяє забезпечити високу циклічну довговічність деталей підшипників кочення при динамічних ударно-вібраційного характеру навантаженнях, стійкість до високої контактної напруги і, як наслідок, можливість їх довгочасної безпечної експлуатації. Використання запропонованого способу також дозволяє підвищити економічність виготовлення підшипників за рахунок зниження витрат на матеріал, що використовується при виробництві кілець підшипників, та витрат на технологічний процес їх виробництва. Перелік графічних матеріалів. Фіг.1 - схематичне зображення конструкції пристрою для гартування кільця підшипника кочення. Фіг.2 - перетин кільця підшипника з зображенням глибини загартованого шару. На Фіг.1 представлене схематичне зображення конструкції пристрою для гартування (гартувального верстата) кільця підшипника кочення, де зображені кільце 1 підшипника, індуктор 2 та спреєр 3. У даному випадку зображене гартування зовнішньої поверхні кільця. На Фіг.2 показана глибина загартованого шару кільця підшипника, а також розподіл твердості по перетину кільця підшипника, загартованого по зовнішній поверхні для кільця конічного підшипника. Спосіб гартування кілець роликового підшипника здійснюється наступним чином. Спочатку зовнішні кільця підшипника (матеріал - конструкційна підшипникова сталь марки ШХ4 (ГОСТ 801-78 "Сталь підшипникова. Технічні умови"), піддають попередньому об'ємному гартуванню до отримання рівномірного зміцнення кільця до твердості 32…44 HRC. Далі проводять поверхневе зміцнення зовнішніх кілець підшипника. Для цього кільце підшипника встановлюють на гартувальному верстаті з горизонтальною віссю обертання для нагрівання зовнішньої поверхні кільця, індуктори розміщують над зовнішньою поверхнею кільця, наприклад, як це зображено на Фіг.1. Шляхом індукційного нагрівання нагрівають зовнішню поверхню кільця, що обертається до 7 температури 820-1050 °C, на протязі 15-50 сек., струмом високої частоти 60-200 кГц при питомій 2 потужності 0,1-0,5 кВт/см . Після нагріву інтенсивно охолоджують зовнішню поверхню кільця, що обертається струменем води температурою 20-35 °C на протязі 4-10 сек., 2 та витратах води 17-45 л/м *сек. Швидкість охолодження більше ніж 300 °C/секунду, що є вище за критичну швидкість охолодження, забезпечує після нагрівання струмом високої частоти і подальшого гартування відсутність трооститних плям на поверхневому шарі кільця. Далі доохолоджують зовнішню поверхню кільця, що обертається, струменем води температурою 20-35 °C на протязі 30-60 сек., та витратах 2 води 2-8 л/м *сек. По завершенню кільце підшипника встановлюють на гартувальному верстаті для нагрівання внутрішньої поверхні кільця, розміщують індуктори над внутрішньою поверхнею кільця. Процедуру повторюють, а саме: шляхом індукційного нагрівання нагрівають внутрішню поверхню кільця, що обертається до температури 8201050 °C, на протязі 15-50 сек., струмом високої частоти 60-200 кГц при питомій потужності 0,1-0,5 2 кВт/см . Комп’ютерна верстка А. Рябко 66780 8 Після чого інтенсивно охолоджують внутрішню поверхню кільця, що обертається струменем води температурою 20-35 °C на протязі 4-10 сек., та 2 витратах води 17-45 л/м *сек. Доохолоджують внутрішню поверхню кільця, що обертається, струменем води температурою 20-35 °C на протязі 30-60 сек., та витратах води 22 8 л/м *сек. В результаті термообробки, згідно зі способом, отримуємо загартоване кільце, що має товщину поверхнево загартованого шару 1,5-3,5 мм до твердості 61…64 HRC, та залишкову твердість серцевини 32…44 HRC. Можливе також проведення гартування тонкостінних кілець роликового підшипника в зворотному порядку: спочатку проводять гартування внутрішньої поверхні кільця, та потім - зовнішньої поверхні кільця. При гартуванні тонкостінних кілець роликового підшипника згідно зі способом вдається отримати зміцнений на потрібну глибину поверхневий шар необхідної твердості, при одночасному збереженні необхідних властивостей твердості та в'язкості серцевини, та недопущенні виникнення в ній осередків утворення мікротріщин. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601