Химико-термическая обработка

Введение

Качество и долговечность промышленных изделий напрямую зависят от качества деталей, узлов и соединений. Чтобы улучшить механические свойства деталей, их подвергают химико-термической обработке.

После химико-термической обработки на поверхности металла образуется упрочненный слой. В процессе контроля качества изделий не всегда удается определить, какова толщина слоя упрочняющего покрытия. Используя косвенное измерение, можно получить более достоверные и точные данные о свойствах и характеристиках материалов без повреждения поверхности.

Целью разработки косвенного метода измерения упрочненного слоя, полученного химико-термической обработкой, является определение толщины и показателя твёрдости упрочненного слоя в тех случаях, когда нет возможности провести полноценный контроль. Данный метод позволяет определить эффективность химико-термической обработки и соответствие полученных результатов требованиям к конечному продукту.

В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:

— изучить влияние параметров химико-термической обработки на качество упрочненного слоя.

— разработать метод оценки толщины упрочненного слоя и его степени упрочнения.

— оценить эффективность определения качества упрочненного слоя косвенным методом измерения твердости.

Объектом исследования являются упрочненные слои, получаемые химико-термической обработкой различных материалов, таких как сталь, алюминий и их сплавы.

Предметом исследования является разработка косвенного метода определения качества упрочненных слоев, посредством анализа изменений механических свойств материала, таких как твердость, прочность, упругость и др., а также химического состава поверхности и глубины проникновения упрочняющих элементов.

Значимость данной разработки состоит в том, что она позволяет быстро и с высокой степенью вероятности установить, что толщина азотированного слоя недостаточная. Другими словами, не проводя измерения на образцах свидетелях (которые предварительно нужно подготовить) сделать несколько замеров динамическим твердомером и понять, что технология была нарушена, и толщина не соответствует нужной.

Практическое значение разработки заключается в возможности применения ее в различных отраслях промышленности, в которых применяются технологии химико-термической обработки материалов. Например, такой метод может быть использован для контроля качества слоев при производстве элементов машин и оборудования, а также при создании новых материалов для использования в различных отраслях экономики, включая авиационную, автомобильную, энергетическую и другие отрасли.

Гипотеза исследования заключается в том, что разработка косвенного метода определения качества упрочненных слоев, получаемых химико-термической обработкой, на основе анализа микроструктуры и механических свойств образцов, позволит повысить эффективность процесса обработки и обеспечить более точное контроль над качеством полученных изделий. В результате данного исследования будут получены новые знания о процессах, происходящих при химико-термической обработке, а также разработаны новые методы контроля качества изделий, полученных с использованием данной технологии.

1. Общие сведения о химико-термической обработке

Химико-термическая обработка – процесс химического и термического воздействия на поверхностный слой стали с целью изменения состава, структуры и свойств.

В условиях химико-термической обработки атомы элемента, которым производится насыщение, непрерывно поступают из окружающей среды к поверхности детали, и потому концентрация их у поверхности всегда больше. Следовательно, перемещение этих атомов должно происходить от поверхности вглубь детали.

Химико-термическая обработка включает три последовательные стадии:

1. Образование активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла.

2. Адсорбцию образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. Различают физическую (обратимую) и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке оба типа адсорбции накладываются один на другой. Физическая адсорбция приводит только к сцеплению адсорбированных атомов насыщающего элемента (адсорбата) с обрабатываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию ван-дер-ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции (десорбция). При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому. Если химический потенциал диффундирующего элемента в насыщающей атмосфере выше, чем в обрабатываемом металле, адсорбированные атомы поглощаются обрабатываемым металлом, внедряясь в вакантные места решетки, в большом количестве имеющиеся на поверхности металла.

3. Диффузию – перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. По мере накопления атомов диффундирующего элемента на поверхности насыщения возникает диффузионный поток от поверхности в глубь обрабатываемого металла (изделия). Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам.

Следовательно, управлять процессами химико-термической обработки можно, воздействуя на эти три стадии. Известно, например, что изменение температуры очень сильно влияет на скорость диффузии, поэтому, повышая температуру, можно значительно ускорить процесс химико-термической обработки. Так, например, загрязнения на поверхности деталей препятствуют адсорбции, поэтому детали должны поступать на химико-термическую обработку с чистой поверхностью.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

В результате диффузии образуется диффузионный слой, под которым понимают слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам. Концентрация диффундирующего элемента уменьшается от поверхности вглубь металла. Как следствие, изменяется структура и свойства.

Существует множество способов химико-термической обработки, однако наибольшее распространение в промышленности получили процессы диффузионного насыщения из активных жидких и газовых сред. Более рациональной исходной средой является активизированная газовая среда, т.е. среда, лишенная нейтральных (балластных) примесей, где активный диффундирующий элемент образуется в результате диссоциации или восстановительных реакций, которые называются ведущими. Выявлять ведущие реакции можно экспериментально или расчетным путем. В ряде случает исходную газовую среду активизируют ионизацией в тлеющем разряде.

В промышленности применяют несколько видов химико-термической обработки. Они получили название в зависимости от того, каким элементом производится насыщение поверхности детали.

Азотирование – химико-термическая обработка, состоящая из диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом.

Процесс чаще проводится при температуре 520…600°С. Процесс азотирования ведут в частично диссоциированном аммиаке, в смеси аммиака и азота, аммиака и предварительно диссоциированного аммиака. Для активизации процесса в аммиачно-водородную смесь вводят кислород или воздух. Время выдержки – до 60 ч. Охлаждение после азотирования проводят вместе с печью в потоке аммиака во избежание окисления поверхности.

Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки.

Преимущество этого метода состоит в достижении большой поверхностной твердости, сохраняющейся до температуры 500°С, и высокой сопротивляемости износу. Обработку можно проводить почти совсем избегая коробления. Кроме того, азотированный поверхностный слой имеет повышенную сопротивляемость к появлению разгарных трещин, а это очень важно для горячештамповочного инструмента.

Недостатком азотирования является сравнительно малая глубина проникновения, которая даже при весьма длительном азотировании не превосходит нескольких десятых миллиметра. Серьезным недостатком азотирования является большая длительность этого процесса. Цикл азотирования длится до двух суток. Кроме этого для азотирования применяют дорогие легированные стали, и потому азотированные детали получаются в несколько раза дороже, чем обычные.

Для азотирования используются стали с концентрацией углерода 0,3…0,5 %. Наибольшее распространение получили стали, легированные такими элементами, как хром, алюминий, молибден. Азотируемые детали, от которых требуется высокая твердость и износостойкость, изготовляют из сталей 38ХМЮА и 38ХВФЮА (гильзы цилиндров двигателей, шпиндели, втулки, валики и др.). Ответственные детали высокой прочности и вязкости, работающие в условиях повторно-переменных нагрузок (коленчатые валы, зубчатые колеса, шатуны и др.), изготовляют из сталей 30Х2НВФА, 18Х2Н4ВА, 40ХНВА. Азотированию подвергают также детали из коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей, работающих на трение в агрессивных средах и при высоких температурах: матрицы и пуансоны для горячей штамповки, пресс-формы из инструментальных сталей.

Упрочнение при азотировании достигается за счет фаз, образующихся из твердых растворов на основе нитридов. Азотирования при температурах ниже 500°С не производится, поскольку этих температур не достаточно для образования упрочняющих фаз. При более высокой температуре образуются крупные нитриды и твердость уменьшается.

В результате азотирования на поверхности стали образуется тонкий (0,25…0,75 мм) карбонитридный слой, твердость которого 600…1100 HV. На рисунке 1 представлена микроструктура распределения азотированного слоя с разных плоскостей зуба шестерни.

При температурах азотирования 520°С азотированный слой состоит из трех фаз: ε (нитрид Fe₂N, фаза внедрения с широкой областью гомогенности, имеющая гексагональную решетку); γ’ (нитрид Fe₄N, фаза внедрения с решеткой гранецентрированного куба); α (азотистый феррит, содержит 0,1% азота при 591°С, 0,01% – при комнатной температуре). Если азотирование проводилось при температуре 600°С возможно образование четырех фаз: кроме вышеописанных также и фаза γ (азотистый аустенит). Эта фаза при 591°С распадается на эвтектоид (α+γ’, темный слой), который называется браунит. Распределение фаз по глубине азотированного слоя приведено на рисунке 2.

Качество азотированного слоя контролируют методами металлографического, химического, рентгеноструктурного, магнитного и других методов анализа. В производственных условиях качество азотирования определяют на образцах-свидетелях и непосредственно на деталях. Контролируют толщину слоя, поверхностную твердость, коробление, размеры и качество поверхности (шелушение, трещины т.д.). Образцы-свидетели изготавливают из той же стали, подвергают аналогичной термической обработке, что и азотируемые детали.

Распределение твердости по глубине азотированного слоя в зависимости от температуры азотирования (сталь 38Х2МЮА) приведено на рисунке 3.

 

Цементация – химико-термическая обработка, которая заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде (твердой или газообразной). После цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску, в результате которых цементованные изделия приобретают окончательные свойства.

Цементацию проводят при температуре 900…950°C, с выдержкой при этой температуре в течение определенного времени, зависящего от требуемой толщины цементованного слоя и марки цементируемой стали.

Карбюризатор – среда, которая поставляет углерод к поверхности цементуемых деталей. В качестве твердого карбюризатора используют смесь древесного угля, каменноугольного полукокса или торфяного кокса с активизаторами – углекислыми солями (например, BaCO₃).

Газовая цементация осуществляется нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Цементацию осуществляют естественными (природными) или искусственными газами. Для газовой цементации могут быть использованы и жидкие карбюризаторы, например, метанол, бензол, пиробензол или керосин, которые подаются непосредственно в рабочее пространство печи. При высокой температуре происходит разложение жидкого карбюризатора, в результате чего образуется цементирующий газ.

Охлаждение ящиков с изделиями после цементации в твердом карбюризаторе осуществляют на воздухе до 400…500°С и затем их раскрывают. После газовой цементации изделия подстуживают до температуры закалки и проводят термическую обработку.

Преимущества цементации в твердом карбюризаторе: простота и доступность процесса. Преимущества цементации в газообразном карбюризаторе: возможность механизации и автоматизации процесса; применяется в массовом и серийном производстве; упрощается термообработка – закалку ведут сразу же из цементационной печи с подстуживанием деталей до температуры закалки; можно регулировать строение и свойства цементованного слоя.

Недостатки цементации в твердом карбюризаторе: нельзя регулировать строение и свойства цементованного слоя, ведется только контроль по свидетелю, чтобы не резать деталь; низкая культура производства: из-за карбюризатора в цехе много грязи. Недостатки цементации в газообразном карбюризаторе: сталь насыщается не только углеродом, но и водородом – появляется водородная хрупкость стали.

Цементации подвергают низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,08…0,25 %, что обеспечивает получение вязкой сердцевины. Для некоторых высоконагруженных деталей содержание углерода в стали может быть повышено до 0,35 % углерода.

Структура поверхностного слоя после цементации и окончательной термической обработки – мартенсит со сферическими включениями вторичных карбидов; твердость слоя HRC 58…63. Глубина цементованной зоны может быть различна для разных деталей и составляет 0,3…2,5 мм в зависимости от размеров и назначения изделия.

Нитроцементация – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя детали одновременно углеродом и азотом при температуре 840…860 °С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса 4…10 часов. При одновременном действии углерода и азота ускоряется диффузия углерода, что позволяет проводить данный процесс на 100°С ниже, чем цементацию. После нитроцементации проводят закалку непосредственно из печи, однако возможна (гораздо реже) ступенчатая закалка после повторного нагрева. После закалки проводят низкотемпературный отпуск.

Нитроцементация имеет следующие преимущества по сравнению с газовой цементацией: процесс проводят при более низкой температуре, толщина слоя меньше, получаются меньшие деформации и коробление деталей, повышается сопротивление износу и коррозии.

К недостаткам нитроцементации относится необходимость строгого поддержания в нужных пределах науглероживающей и азотирующей способности газовой среды. Недостатком можно считать то, что глубина слоя при нитроцементации практически ограничивается в пределах 800 мкм.

Нитроцементации обычно подвергают легированные стали с содержанием углерода до 0,25%.

Структура нитроцементованного слоя состоит из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и остаточного аустенита. Толщина нитроцементованного слоя составляет обычно 200…800 мкм. Она не должна превышать 1000 мкм. При большей толщине в нем образуется темная составляющая и другие дефекты, снижающие механические свойства стали. Твердость стали после нитроцементации и последующей термической обработки 58…60 HRC (или 570…690 HV).

Цианирование – процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN.

Различают следующие виды цианирования:

 низкотемпературное проводится при температуре 540…600°С, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом. Применяют для деталей из среднеуглеродистых сталей и инструмента из быстрорежущей стали;

 среднетемпературное, при котором изделие нагревают до температуры 820…860°С. Продолжительность процесса обусловлена необходимой толщиной слоя и составляет 30…90 мин. Получают слой небольшой толщины (0,15…0,35 мм). Цианирование при таких температурах позволяет выполнить последующую термообработку (закалку) непосредственно из цианистой ванны. После закалки проводят низкий отпуск (180…200°С). Цианированный слой, в сравнении с цементованным, обладает более высокими износоустойчивостью и пределом контактной выносливости. Этот вид цианирования применяют для упрочнения мелких деталей;

 высокотемпературное используют для получения слоя большей толщины (0,5…2,0 мм). Изделия нагревают до температуры 930…350°С, при этом зеркало ванны накрывают слоем графита во избежание больших потерь теплоты и угара цианистых солей. Время выдержки изделий для получения слоя указанной толщины составляет 1,5…6 часов. После цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем подвергают закалке и низкому отпуску. Применяют для деталей из низко- и среднеуглеродистых, а также легированных сталей.

При высокотемпературном цианировании металл насыщается в большей степени углеродом, чем азотом, а при низкотемпературном цианировании – в большей степени азотом, чем углеродом. Твердость стали после цианирования 58…62 HRC.

Среди главных достоинств цианирования — относительно небольшая длительность процесса химико-термической обработки, малые деформации и коробления детали в ходе процесса насыщения, малые потери тепла.

Недостатком цианирования является сильная токсичность цианистых солей. При работе требуется большая осторожность и тщательное соблюдение правил техники безопасности.

Химико-термическая обработка нашла широкое применение в промышленности, так как является одним из наиболее эффективных методов повышения долговечности деталей.

 

2. Способы контроля толщины упрочненного слоя

Одним из основных показателей качества химико-термической обработки является толщина упрочненного слоя, который является мерой глубины проникновения обработки в материал.

Толщину упрочненного слоя после химико-термической обработки можно определить с помощью металлографического метода или метода замера микротвердости.

Для проверки работоспособности данных методов используют образцы-свидетели. Данные образцы представляют собой материал с намеренно созданными дефектами различной формы и размера, таких как трещины, полости, включения и т.д. Образцы-свидетели могут быть созданы путем изготовления контрольных образцов из того же материала, что и исследуемый объект, либо путем создания дефектов на исходном объекте намеренным образом. При проведении проверки образцов-свидетелей можно убедиться в том, что оборудование работает правильно и достаточно точно находит дефекты путем сравнения с известными образцами, а также проверить наличие ложных срабатываний и других ошибок.

Сущность металлографического метода заключается в определении глубины слоя по структуре под микроскопом на поперечных травленых шлифах. Образцы для исследования вырезают холодным механическим способом, чтобы не изменить структуру металла, поперек волокна. Края образца не должны быть заваленными, иначе глубину слоя определить не удастся.

За глубину слоя после соответствующей химико-термической обработки принимают глубину слоя с измененной структурой и половину слоя с переходной структурой.

На рисунке 4 приведена микроструктура цементованного слоя низколегированной стали 18ХГТ после цементации и охлаждения на воздухе. В этой структуре хорошо заметно начало появления феррита и протяженность переходного слоя, состоящего из феррита и перлита. Расстояние от поверхности до середины переходного слоя в нашем примере соответствует расстоянию 1,7 мм от поверхности.

В цеховых условиях при определении толщины цементованного слоя по макроструктуре, выявленной травлением в 10…20%-ном водном растворе азотной кислоты, измеряют темную зону слоя. При определении толщины цементованного слоя по образцам, прошедшим цементацию и закалку, необходимо учитывать, что после травления в водном растворе азотной кислоты темная зона распространяется на полную глубину слоя (до участков с 0,2…0,25% С). Следовательно, чтобы приравнять эту зону к толщине цементованного слоя, определенной до полупереходной зоны после цементации или отжига, следует уменьшить ее на 0,25…0,35 мм. Величина поправки зависит от хода кривой насыщения по глубине слоя.

Толщину цементованного слоя можно определить с помощью макроанализа. Макроанализ позволяет быстро определить толщину с точностью, достаточной для производственных условий. Для этого цементованный образец погружают на 1…2 мин в реактив состава: 2 г CuCl₂ 2H₂O и 1 мл HCl на 100 мл спирта. Мягкая нецементованная сердцевина покрывается красным налетом меди, а науглероженный слой не изменяется. Толщина слоя измеряется при помощи лупы или отсчетного микроскопа. Цементованный слой можно также выявить раствором гипосульфита на шлифованной поверхности металла. В результате этого взаимодействия зерна феррита покрываются темной пленкой сернистого железа, а высокоуглеродистая цементованная полоса остается светлой.

При определении толщины упрочненного слоя измерение микротвердости проводят по сечению образца, разрезанного перпендикулярно к поверхности. Исследуемая поверхность должна быть отполирована до чистоты, которая обеспечивает правильные измерения микротвердости по отпечатку. При полировке следует принять все меры предосторожности во избежание повреждения кромок образца, перегрева или изменения поверхности вследствие загрязнения пор. Испытание выполняют с помощью алмазного индентора Виккерса; применяемая нагрузка равна 0,9807 Н (HV 0,1). Используются следующие специальные определения:

 эффективная глубина упрочненного поверхностного слоя (DC) – расстояние, измеренное перпендикулярно поверхности, на котором твердость падает ниже определенного уровня;

 общая глубина упрочненного поверхностного слоя – расстояние, измеренное перпендикулярно поверхности, на котором твердость падает до уровня твердости сердцевины детали.

По результатам определения строят кривую изменения твердости как функции расстояния от поверхности образца по сечению, перпендикулярному упрочненной поверхности. Эффективную глубину упрочненного поверхностного слоя считывают в этой кривой в точке, соответствующей определенной твердости по Виккерсу, обычно равной HV 0,1 = 550. По соглашению быть определена другая величина (HG).

Метод А может быть упрощен при необходимости быстрого определения (метод В). По методу В твердость измеряют в двух точках, расположенных с двух сторон приблизительно взятой глубины упрочненного поверхностного слоя. Точную эффективную глубину упрочненного поверхностного слоя определяют с помощью интерполяции. Измерительный прибор, обеспечивающий измерение диагоналей отпечатка с точностью ±0,5 мкм.

Метод А. Определение эффективной глубины упрочненного поверхностного слоя. Расположение отпечатков при определении микротвердости показано на рисунке 5. Для каждой глубины d_h d₂ и т.д. делают, по меньшей мере, три отпечатка. Исключают наименьшее значение.

Отпечатки делают на следующих глубинах от поверхности (мм): 0,05–0,1–0,2–0,3–0,4–0,5–0,75–1,0–1,5–2,0–3,0. Расстояние между двумя смежными отпечатками S (см. рисунок 2) должно быть не менее чем в 2,5 раза больше диагонали отпечатка. Инденторные воздействия должны быть в пределах зоны W шириной 1,5 мм.

В процессе обработки результатов вычисляют средние арифметические значения величин твердости, полученные на каждой глубине, и строят график зависимости твердости от расстояния до поверхности (рисунок 6).

Проводят горизонтальную линию через точку HG, отвечающую определенной величине твердости. Эффективная глубина упрочненного поверхностного слоя DC на оси абсцисс соответствует точке пересечения этой горизонтали с кривой изменения твердости.

Точность определения зависит от количества отпечатков на каждой глубине. Если результат неточен вследствие малого угла пересечения между кривой и горизонтальными линиями, то дополнительные отпечатки в области приблизительных величин глубины упрочненного поверхностного слоя увеличат точность.

Метод Б. Качественное испытание для определения эффективной глубины упрочненного поверхностного слоя. Метод основан на предположении, что кривую глубины упрочненного поверхностного слоя (функцию твердости) можно рассматривать как прямую в области величин эффективной глубины поверхностного слоя, определенной методом А.

Участок готовят так же, как в методе А, однако определение микротвердости проводят только для двух глубин d_j и d₂ (рисунок 7). Значения глубин выбирают так, чтобы d_j было меньше, a d₂ было больше полученной эффективной глубины упрочненного поверхностного слоя; при этом d₂ должно быть меньше общей глубины упрочненного поверхностного слоя.

Величину глубин d_j и d₂ выбирают на основании последнего испытания аналогичных материалов или по кривой твердости, построенной для аналогичного материала по методу А. Проводят по меньшей мере пять измерений микротвердости на каждой из двух глубин. Расстояния между смежными отпечатками и правила для отбрасывания меньших значений те же, что в методе А.

Если значения твердости на глубинах d_j и d₂ оба выше или оба ниже значения твердости на эффективной глубине упрочненного поверхностного слоя, то для определения используют метод А.

Вычисляют среднее арифметическое значение величин твердости, полученных на каждой глубине. Затем применяют один из двух способов:

 строят график (рисунок 5) зависимости величины твердости от расстояния до поверхности. Далее наносят две величины твердости H_j и Н₂ напротив соответствующих величин глубин d_j и d₂ и соединяют две точки. Эффективную глубину упрочненного поверхностного слоя находят по оси абсцисс как соответствующую точке пересечения прямой твердости и горизонтали, проведенной через точку HG, соответствующую определенной величине твердости поверхностного слоя;

 вычисляют эффективную глубину упрочненного поверхностного слоя DC по уравнению

где HG – определенная величина твердости;

H₁ и Н₂ – средние арифметические значения величины твердости, измеренные на расстояниях d₁ и d₂.

 

3. Методы измерения твердости

Химико—термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей, в результате которого повышается и твердость поверхности. Под твердостью понимается свойство материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при внедрении в него другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела – индентора.

Методы определения твердости имеют чрезвычайно широкое распространение и позволяют:

 легко и быстро испытать ограниченно малые объемы металла;

 проводить механические испытания тогда, когда практически никакие другие способы по тем или иным причинам использовать нельзя;

 испытывать материалы практически без повреждаемости (другие методы механических испытаний сопровождаются безвозвратным повреждением испытуемого образца материала);

 использовать образцы с предварительной обработкой только малого участка поверхности материала;

 определять твердость в микросечениях и микрообъемах;

 использовать компактные приборы, измерять твердость непосредственно на работающем оборудовании, с применением автоматизации и интеграции с цифровой вычислительной техникой;

 легко устанавливать эмпирическую или аналитическую связь получаемых результатов с данными других испытаний.

Способы определения твердости в зависимости от временного характера приложения нагрузки и измерения сопротивления вдавливанию индентора подразделяют на статические, динамические и кинетические. Наиболее распространенными являются статические методы, при которых нагрузку к индентору прикладывают плавно и постепенно, а время выдержки под нагрузкой регламентируется стандартами на соответствующие методы.

При динамических методах определения твердости индентор подействует на образец с определенной кинетической энергией, затрачиваемой на упругую отдачу и/или формирование отпечатка, динамическую твердость часто называют также твердостью материала при ударе. Твердость при ударе характеризует сопротивление внедрению не только на поверхности образца, но и в некотором объеме материала.

Кинетические методы определения твердости основываются на непрерывной регистрации процесса вдавливания индентора с записью диаграммы «нагрузка на индентор – глубина внедрения индентора». Особенность такого подхода заключается в регистрации всей кинетики процесса упругопластического деформирования материала при вдавливании индентора, а не только конечного результата испытаний, как при других методах.

По принципу приложения нагрузки способы определения твердости можно подразделить на способы вдавливания, отскока, царапания и резания.

Способы вдавливания являются наиболее распространенными. Твердость в этом случае определяется как сопротивление, которое оказывает испытуемое тело внедрению более твердого индентора и отражает преимущественно сопротивление поверхностных слоев материала пластической деформации.

Способы отскока основаны на измерении твердости по высоте отскока бойка, падающего на испытуемую поверхность. Твердость при этом отражает преимущественно сопротивление упругой деформации. Измерение твердости способом отскока широко применяют для контроля качества прокатных валков, больших изделий и конструкций с использованием переносных приборов ввиду оперативности, удобства и легкости автоматизации и компьютеризации.

При способах царапания и резания твердость определяется соответственно как сопротивление материала царапанию или резанию.

К статическим методам определения твердости относятся методы вдавливания: измерение твердости по методу Бринелля; измерение твердости по методу Роквелла; измерение твердости по методу Виккерса; измерение микротвердости. Методы вдавливания получили наибольшее распространение в промышленности. В результате вдавливания наконечника поверхностные слои металла под ним и вблизи него пластически деформируются, а после снятия нагрузки остается отпечаток.

К динамическим методам определения твердости относят измерение твердости методом ударного отпечатка, метод упругого отскока бойка (метод Шора), твердость при ударе (проба на твердость падающим индентором), проба на твердость царапанием.

 

4. Сущность и значение определения качества упрочненных слоев, получаемых химико-термической обработкой

Существует мнение, что на эксплуатационные свойства детали оказывают влияние точность изготовления, шероховатость рабочих поверхностей, марка материала, его структура и твердость.

В отношении микрогеометрии поверхности считалось, что для технологического обеспечения качества изделия достаточно сформировать по высоте заданную чертежом шероховатость независимо от метода ее получения. Такой подход к оценке качества и эксплуатационных свойств обработанных поверхностей является ошибочным. Практика показывает, что одинаковые по точности и высоте шероховатости детали могут иметь различные эксплуатационные свойства. Это объясняется тем, что несущую способность поверхностного слоя детали обусловливает не только шероховатость, но и физическое состояние материала поверхностного слоя.

В ходе технологического процесса происходит не только уточнение размеров, образование необходимой формы и микрорельефа поверхности детали, но и изменение свойств материала у его поверхности.

В процессе обработки поверхностный слой подвергается сильнейшему силовому и термическому воздействию, которое приводит к сдвигу в зернах металла и изменению их размеров и формы. Кроме того, на состояние поверхностного слоя оказывают влияние структурные превращения, адгезионные и диффузионные процессы, химическое взаимодействие с окружающей средой. В результате структура и физико-механические свойства материала поверхностного слоя детали резко отличаются от основного материала (рисунок 8).

Таким образом, на эксплуатационные свойства деталей наряду с геометрическими параметрами большое влияние оказывает физическое состояние поверхностного слоя. В первом приближении физико-механические свойства поверхностного слоя могут характеризоваться глубиной и степенью упрочнения и величиной, знаком и характером распределения остаточных напряжений (эпюрами остаточных напряжений).

Упрочнение деталей является одной из важнейших задач технологии восстановления, от решения которой во многом зависит получение качественного изделия.

Для обоснованного выбора наиболее эффективного способа упрочняющей обработки необходимо провести анализ технологических возможностей известных способов в отношении обеспечения микротвердости и остаточных напряжений. Существуют следующие основные виды упрочняющей обработки: термоупрочняющая обработка; химико-термическая обработка; нанесение упрочняющих покрытий; поверхностное пластическое деформирование.

 

5. Критерии и параметры качества упрочненных слоев, получаемых химико-термической обработкой

Критерии и параметры качества упрочненных слоев, получаемых химико-термической обработкой, включают:

1. Твердость поверхностного слоя. Твердость поверхности сплава после химико-термической обработки должна быть выше, чем до нее. Это позволяет улучшить его износостойкость.

2. Износостойкость. Упрочнение слоя должно повышать его износостойкость, что позволяет продлить срок службы деталей и установок.

3. Прочность. Упрочненный слой должен обладать высокой прочностью. Это важно для тех деталей, которые подвергаются высоким нагрузкам.

4. Усталостная прочность. Некоторые материалы имеют свойство трескаться при изменении температуры или при частых деформациях. Химико-термическая обработка должна увеличивать усталостную прочность таких материалов.

5. Сцепление поверхностного слоя с основным материалом. Хорошее сцепление способствует более высокой прочности связи между слоями, что обеспечивает более долговечную эксплуатацию изделия.

6. Коррозионная стойкость. После химико-термической обработки поверхностного слоя должна улучшиться его коррозионная стойкость, чтобы предотвратить разрушение материала из-за воздействия окружающей среды.

7. Геометрические параметры. Максимально приближение к размерам детали позволяет сократить время и затраты на последующую обработку, что важно для экономически эффективной технологии.

8. Микроструктура. Химико-термическая обработка может изменить микроструктуру материала, что влияет на его механические свойства (прочность, упругость и др.).

9. Равномерность обработки. Обработка должна быть равномерной по всей поверхности детали. Неравномерность может привести к перепадам твердости и стойкости к коррозии, что приведет к дополнительным затратам на контроль качества и повторную обработку.

10. Экономическая эффективность. Химико-термическая обработка должна быть экономически эффективной и иметь разумные затраты на оборудование и ресурсы.

 

6. Приборы для измерения твердости

Главным показателем эффективности упрочнения является твердость. Для определения твердости используют специальные приборы – твердомеры.

Твердомер – инструмент для измерения твердости различных материалов. Принцип работы твердомера состоит в измерении различных показателей (в зависимости от вида прибора) при механическом воздействии на материал. По результатам этих измерений и проводится оценка твердости материала.

В зависимости от различных параметров заготовки, например, размеров, конструкции, свойств материала, для контроля твердости могут быть использованы стационарные или переносные твердомеры.

Их конструкция отличается, в зависимости от используемого метода исследования. Переносные модели используют в тех случаях, когда невозможно применение стационарных вариантов, например, если детали заготовки слишком велики, или из-за их большой массы, когда объект исследования невозможно транспортировать в лабораторию.

Твердомеры состоят из нескольких основных элементов:

 корпус с вычислительной электроникой. На нем имеется элементы управления, дисплей для вывода результата измерений и отображения настроек. На стационарных вариантах может быть вмонтирован микроскоп;

 наковальня (для стационарных вариантов) – площадка, на которую устанавливается исследуемый образец;

 датчик с индентором – элемент механического воздействия на образец с регистратором силы этого воздействия. В портативных вариантах соединен с корпусом гибким проводом или жестко.

Стационарные твердомеры имеют большие габариты и вес, используются в лабораториях для проведения измерений с минимальными погрешностями. Переносные (портативные) твердомеры – это приборы с небольшой массой и габаритами. Несмотря на свои размеры, некоторые малогабаритные твердомеры имеют внушительный функционал.

Стационарные твердомеры измеряют твердость с помощью прямых (классических) методов. В соответствии со шкалой, по которой работает прибор, он получает свое название: твердомер Бринелля (HB), Роквелла (HRA, HRB, HRC), Супер-Роквелла (HRN, HRT), Виккерса (HV), Микро-Виккерса (HV).

Существуют модели, объединяющие 2 метода измерения (Роквелла и Супер-Роквелла) или больше, каковыми являются универсальные твердомеры. Также приборы отличаются по принципу приложения нагрузки: механический (ручной), электромеханический, автоматический (полностью автоматизированный процесс измерений).

Стационарные твердомеры могут быть самыми простыми – с ручным приводом, аналоговым индикатором и без какой-либо электроники; а могут быть многофункциональными автоматическими установками с ЖК дисплеем, встроенным цифровым микрометром и ПО.

Основные характеристики приборов: прецизионность результатов измерений; исследование образцов любых металлов и сплавов; большие габариты (высота от 500 мм) и вес (от 30 кг).

Переносные портативные твердомеры имеют меньшую точность по сравнению со стационарными, однако незаменимы для измерения твердости прямо на изделиях или на крупных заготовках, которые трудно поместить на стандартный стационарный твердомер.

Портативные твердомеры работают с помощью косвенных методов – ультразвукового контактного импеданса, динамического метода и комбинированного – которые не напрямую измеряют твердость, а только оценивают значение твердости металла в зависимости от других физических свойств.

Работа ультразвуковых твердомеров основана на внедрении датчика в поверхность материала с последующим измерением частоты колебаний индентора. На основе степени изменения частоты колебаний и проводится расчет твердости. Ультразвуковые твердомеры работают по методу ультразвукового контактного импеданса. На конце металлического стержня, входящего в состав датчика твердомера, закреплен алмазный наконечник. Стержень колеблется на собственной резонансной частоте. При создании нагрузки рукой пользователя алмазный наконечник внедряется в материал и изменяет резонансную частоту стержня. Изменение собственной резонансной частоты стержня пропорционально глубине внедрения наконечника в материал, которая является показателем твердости, поэтому существует зависимость между изменением резонансной частоты F стержня и твердостью материала H:

Н = f(F).

Электронный блок твердомера осуществляет прием сигнала с датчика прибора, преобразование его в единицы твердости, вывод результатов измерений на дисплей, статистическую обработку и другие функции данного твердомера.

Динамические твердомеры работают по методу отскока. В основу принципа действия твердомера заложен динамический способ контроля твердости. Метод заключается в определении скорости отскока твердосплавного индентора от поверхности контролируемого изделия. Датчик прибора устанавливается на изделие, твердость которого нужно измерить. Основными частями датчика являются индентор и электромагнитная катушка. При отскоке индентора от испытуемого изделия в катушке наводится ЭДС, пропорциональная скорости отскока от поверхности изделия. Поскольку скорость отскока индентора является показателем твердости, то существует функциональная зависимость между скоростью отскока V и твердостью материала H:

Н = f(V).

Существенным недостатком динамических твердомеров является то, что не рекомендуется измерять с их помощью твердость изделий массой менее 5 кг или с толщиной стенки в месте измерения менее 10 мм. В таких случаях твердость таких деталей рекомендуется измерять только, если притереть их к массивной плите через слой смазки таким образом, чтобы изделие и плита образовали единую монолитную массу.

Комбинированные твердомеры способны проводить измерения описанными выше способами одновременно. Комбинированный твердомер – это прибор, который может измерять твердость обоими методами – динамическим и ультразвуковым просто заменой датчика, который используется. Это самый функциональный вариант, если рассматривать переносные приборы. Твердомер практически не имеет ограничений по применению. Является лучшим методом реализации экспресс-контроля, так как позволяет получать более точные данные. Твердомеров, реализующих в настоящее время в промышленности, либо динамический, либо ультразвуковой метод контроля твердости, либо оба метода одновременно от разных производителей существует достаточно много.

При измерении твердости упрочненных деталей чаще всего применяются переносные твердомеры. При измерении у них могут возникнуть различия в получаемых результатах. В частности при контроле твердости азотированного слоя на штоках компрессоров было замечено, что в некоторых случаях значения твердости, полученные при помощи динамического твердомера ТЭМП-2 , и ультразвукового твердомера МЕТ-У1 (Рисунок 9.) практически совпадали, а иногда значения твердости полученные динамическим твердомером были значительно ниже и не удовлетворяли значениям твердости азотированного слоя, твердость которого согласно технической документации должна составлять не менее 950HV. Поэтому возник вопрос «Почему так происходит?» и может ли это быть связано с толщиной упрочненного слоя?

Рисунок 9. Ультразвуковой твердомер МЕТ-У1 и динамический твердомер ТЭМП-2.

 

Для определения причин, почему результаты, полученные различными методами, в некоторых случаях столь сильно различаются, необходимо было провести более детальное исследование с определением толщины азотированного слоя. Поскольку провести данные исследования на готовом изделии невозможно, в этом случае используют образцы свидетели.

Практическая часть

Объект контроля: Шток компрессора 2ГМ-16-20/42-60СМ2

Измерения проводились на поверхности штоков переносным прибором для измерения твердости ТЭМП-2.

Схема замеров твердости

 

Таблица 1. Результаты замеров твёрдости поверхности штоков

 

Замеры проводили на нерабочих поверхностях, твердость которых может отличаться от твердости рабочих поверхностей. При измерении твердости на готовом изделии толщина азотированного слоя не контролировалась. Для подтверждения достоверности замеров проведены контрольные измерения твердости образцовых мер с твердостью 63,78 HRC прибором ТЭМП-2 и получены результаты: 63,3; 64,4; 64,4; 64,0; 63,7 единиц HRC, (820-850 HV). При проведении измерений вала динамическим твердомером ТЕМП было замечено, что иногда твердость нормальная, а иногда низкая (Таблица 1). Это наводит на мысль, что низкая твердость в тех местах, где упрочненный слой меньше требуемого. Для получения более объективных, корректных результатов были проведены измерения на образцах – свидетелях.

Объект контроля: Образцы — «свидетели», образцовая мера HV5 894

 

Измерения проводились переносным прибором для измерения твердости по методу Виккерса TIV 105, твердомером портативным ультразвуковым МЕТ-У1, переносным прибором ТЭМП-2.

 

Таблица 2. Результаты замеров твёрдости поверхности образцов

 

Значения твердости, полученные на образцовой мере, соответствуют паспортным данным с учетом погрешностей приборов. Проведение замеров твердости на образцах свидетелях и образцовой мере твердости прибором ТЕМП-2 проводили после притирки образцов к массивной металлической плите. При этом полученные результаты соответствовали твердости образцовой меры. На образцах свидетелях значения твердости, полученные прибором ТЕМП-2, были значительно ниже, чем полученные приборами TIV -105 и MET-У! В тоже время отдельные значения твердости (780 на первом образце и 890 на втором) были достаточно близки к твердости азотированного слоя. (Таблица 2)

Общий вид образцов свидетелей с замерами твердости переносным прибором для измерения твердости по методу Виккерса TIV 105 (Материал №38Х2МЮА, структура сорбит отпуск)

Из образца № 1 были вырезаны два темплета. Из темплетов были изготовлены два шлифа. На травленых шлифах проводились замеры твердости переносным прибором для измерения твердости по методу Виккерса TIV 105. Твердость основного металла — 260 HV, твердость упрочненного слоя (на расстоянии ~0,12 — 0,15 мм от поверхности) — 792-914 HV. По результатам предварительных исследований на шлифах после травления наблюдается упрочненный слой толщиной до ~ 0,3 мм.

 Шлиф после травления. Схема замеров твердости. Большие отпечатки замерены прибором TIV при нагрузке 1,0 кг

Твердость упрочненного слоя неравномерна и резко уменьшается от поверхности к основному металлу изделия. При измерении твердости прибором ТЭМП-2 упрочненного слоя прибор выдает интегральное (усредненное) значение твердости всего упрочненного слоя. При толщинах упрочненного слоя менее 0,25-0,35 мм полученные прибором ТЭМП-2 значения твердости ниже твердости поверхностного слоя обладающего наибольшей твердостью.

 

Замеры твердости проводили так же микротвердомером Micromet при нагрузке 100 гр. (Таблица 3)

 

Таблица 3. Результаты замеров твёрдости микротвердомером Micromet

 

Из полученных данных мы видим, что заниженные значения твердости с высокой долей вероятности могут свидетельствовать о недостаточной толщине упрочненного слоя.