3. 3. Контроль качества поверхностного упрочнения стальных изделий

Поверхностное упрочнение стальных изделий проводится для повышения их износостойкости и сопротивления усталостному разрушению. Для этого используются различные виды обработок: поверхностный наклеп (дробеструйная обработка, накатка роликами и т. д.), цементация, азотирование, цианирование, поверхностная закалка.

При поверхностном наклепе, т. е. при холодной пластической деформации поверхностного слоя, упрочнение происходит благодаря существенному повышению плотности дислокаций, что снижает возможность их движения и возможность образования новых дислокаций. Появляющиеся на поверхности сжимающие напряжения повышают сопротивление усталостному разрушению.

При цементации поверхностный слой стали насыщается углеродом, в результате чего в низкоуглеродистой стали, используемой для цементации, после закалки образуется прочный высокоуглеродистый поверхностный слой при относительно мягкой и вязкой сердцевине изделия. Скорость диффузии углерода в феррите наименьшая, в аустените наибольшая, поэтому процесс цементации проводят при температурах выше (900970)С. Поскольку цементация является диффузионным процессом, то увеличение температуры цементации сопровождается увеличением глубины слоя, а содержание углерода в поверхностном слое будет определяться пределом растворимости углерода в аустените при данной температуре согласно диаграмме Fe-C. После охлаждения до комнатной температуры насыщенная углеродом (С > 0,80,9 %) поверхностная зона имеет структуру заэвтектоидной стали (перлит + цементит), глубже находятся эвтектоидная зона (С = 0,8 %) и доэвтектоидная зона (С < 0,7 %), которые плавно переходят в структуру сердцевины. За техническую глубину цементированного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зон. Иногда за глубину слоя принимается расстояние от поверхности до первых участков феррита. Необходимый уровень эксплуатационных свойств достигается закалкой цементированных изделий с последующим низкотемпературным отпуском, после которых в поверхностном слое получается высокоуглеродистый мартенсит с высокой твердостью и износостойкостью, а в сердцевине – низкая твердость и высокая вязкость.

Поверхностную закалку проводят после нагрева поверхности вихревыми токами, возникающими в металле при помещении его в переменное электромагнитное поле высокой частоты. Глубина проникновения токов в системе СИ определяется следующим выражением:

, (2.4)

где – частота электромагнитного поля;

–магнитная проницаемость;

–удельное электросопротивление.

Вследствие неравномерного нагрева в сечении закаленного изделия можно выделить три зоны: 1) поверхностно упрочненный слой (нагревается выше , после охлаждения имеет мартенситную структуру); 2) переходный слой (нагревается до< T_нагр < , структура меняется от мартенситной до феррито-перлитной); 3) исходная структура сердцевины (нагрев ниже, поэтому структурных превращений практически не происходит). Глубина слоя оценивается по изменению твердости (0, 8 от значения твердости на поверхности) или металлографически от поверхности до участков с 50 % мартенсита в структуре. Глубина, конфигурация и свойства закаленного слоя зависят от характера нагрева и охлаждения, от геометрии изделия и формы индукторов. Таким образом, для аттестации изделия в ряде случаев требуется определять не только глубину слоя, но и его твердость, и расположение слоя на изделии, что требует разработки измерительных преобразователей с большой локальностью.

В основе неразрушающих методов контроля параметров упрочненных слоев лежит различие в физических свойствах слоя и сердцевины изделия. Чем больше это различие, тем более достоверным и надежным будет метод контроля.

При закалке с нагрева ТВЧ коэрцитивная сила закаленного слоя в 2–4 раза больше коэрцитивной силы сердцевины изделий. Различие между коэрцитивными силами цементированного слоя и сердцевины достигает наибольшего значения после закалки и доходит до 10 раз. Однако контроль цементированных слоев осложняется большей, чем для закаленных слоев, протяженностью переходной зоны и наличием в структуре упрочненного слоя остаточного аустенита.

Определение параметров упрочненных слоев возможно за счет проникновения магнитного и электромагнитного полей на заданную глубину. Это может быть достигнуто двумя способами:

1) намагничивание изделия в постоянных магнитных полях при помощи намагничивающих устройств определенной конфигурации и определение магнитных характеристик усредненных в заданном промагничиваемом объеме;

2) применение для намагничивания контролируемых изделий переменных электромагнитных полей необходимой частоты.

Вследствие высокой структурной чувствительности для определения глубины и прочностных характеристик упрочненного слоя широко используются коэрцитиметрические методы. Глубина проникновения магнитного потока в изделие в основном зависит от формы и размеров приставного электромагнита. Например, изменяя для П-образного электромагнита площадь сечения полюсов, расстояние между ними и высоту полюсов, можно получить различную глубину проникновения магнитного потока в изделие.

По экспериментальным данным, полученным на поверхностно закаленных массивных изделиях, построена в относительных единицах обобщенная кривая зависимости показаний для П-образных приставных электромагнитов различных размеров, на которой выделено четыре участка (рис. 2. 4).

Рис. 2. 4. Обобщенная зависимость относительных значений показаний коэрцитиметра от относительных значений глубины закаленного слоя

(– показания коэрцитиметра на полностью закаленном изделии)

1. Глубина закаленного слоя находится в пределах от нуля до (– площадь поперечного сечения полюса приставного электромагнита). Показания коэрцитиметра практически постоянны и зависят только от коэрцитивной силы сердцевины.

2. Глубина слоя меняется от до. Показания коэрцитиметра зависят от коэрцитивной силы и глубины закаленного слоя. По мере увеличения глубины закаленного слоя показания коэрцитиметра растут, так как увеличивается доля магнитотвердой фазы в промагничиваемом объеме и, следовательно, среднее значение коэрцитивной силы промагниченного объема. Величинаявляется предельной контролируемой глубиной закаленного слоя.

3. Глубина слоя меняется отдо. Показания коэрцитиметра определяются главным образом коэрцитивной силой закаленного слоя и слабо зависят от изменения его глубины и изменения свойств сердцевины.

4. . Показания коэрцитиметра зависят только от коэрцитивной силы закаленного слоя.

Обобщенная кривая позволяет выбрать необходимую площадь сечения полюса электромагнита, а также оценить возможности электромагнита с известным сечением полюсов .

На показания коэрцитиметра на «рабочем» участке 2, кроме толщины закаленного слоя, оказывает влияние величина коэрцитивной силы самого слоя и коэрцитивной силы сердцевины. Влияние исходной структуры (сердцевины) учитывают путем измерений показаний коэрцитиметра на незакаленном участке изделия или путем предварительного, то есть до термообработки, определенияна контролируемом участке изделия с последующим использованием выражения:

, (2.5)

где – показания коэрцитиметра при контроле поверхностно упрочненного изделия;

и – эмпирически определяемые коэффициенты, зависящие от конструкции и конфигурации приставного электромагнита и формы контролируемого участка изделия.

Контроль прочностных свойств закаленного слоя можно осуществить при малой (меньше ) глубине проникновения магнитного потока в изделие. При этом также необходимо учитывать влияние исходной структуры.