Контроль качества поверхностной закалки

Категория:
Термическая обработка


Контроль качества поверхностной закалки

Высокочастотная закалка деталей отличается, прежде всего, тем, что в большинстве случаев закалке подвергается только поверхностный слой заданной толщины. Это приводит к своеобразному распределению внутренних механических напряжений, отличному от такового при закалке с нагревом в печах и ваннах. Наличие поверхностного закаленного слоя заставляет пересмотреть ряд вопросов, связанных с прочностью изделий; существенно изменяются по сравнению со сквозной закалкой их усталостная прочность, ударная вязкость.

Другой особенностью высокочастотной закалки является возможность чрезвычайно гибкого регулирования процесса нагрева. Однако несмотря на такую гибкость регулирования, осуществление непосредственного контроля температур связано с целым рядом трудностей. Поэтому для проверки правильности выбранного режима термической обработки приходится прибегать к металлографическому анализу, позволяющему изучать структуру металла, и на основе полученных результатов корректировать электрический режим нагрева.

Следует различать три характерных случая контроля результатов высокочастотной закалки:

1. Проверка результатов в ходе налаживания процесса закалки деталей нового типа.

В этом случае после закалки одной детали ее подвергают подробному, иногда всестороннему исследованию. Результаты исследования используют для установления ориентировочного режима, затем вновь закаливают деталь и снова ее исследуют. Этот процесс продолжают до тех пор, пока не будут окончательно установлены электрический режим нагрева, оптимальная конфигурация индуктора и технология собственно закалки, пригодные для серийного или массового производства.

2. Проверка результатов закалки при серийном или массовом производстве однотипных деталей.

Такая проверка производится на деталях, отбираемых от партии по определенной системе, которую иногда указывают в технологических картах.

3. Отыскание причины брака.

В этом случае рассмотрению подвергаются детали, вышедшие из строя в процессе производства или во время эксплуатации.

Во всех приведенных случаях контроль результатов высокочастотной закалки может осуществляться различными методами, причем некоторые из них вызывают разрушение детали. Полезно одновременно использовать несколько методов контроля.

Каждый метод обладает своими особенностями и служит преимущественно для определенных целей. Так, например, исследование поверхности обычно предшествует всем другим исследованиям и заключается во внешнем осмотре детали и травлении поверхности. Это позволяет ориентировочно судить о применявшейся в процессе обработки температуре нагрева. Травление поверхности позволяет четко выявить закаленную зону и обнаружить ряд дефектов, например, микротрещины, незакаленные участки. Важным преимуществом метода исследования поверхности является то, что его можно использовать в серийном производстве, так как он не ведет к повреждению детали

Наблюдение излома детали позволяет приближенно, но зато быстро выявить конфигурацию, глубину и качество закаленного слоя. Естественно, что деталь при этом приходится разрушать, но чрезвычайная быстрота этого метода делает его очень удобным, особенно при наладке технологического процесса закалки массовых однотипных деталей.

Исследование разреза детали путем приготовления макрошлифа позволяет судить о конфигурации закаленного слоя.

Макрошлифом называют шлифованное и травленное сечение детали, при котором невооруженным глазом можно видеть закаленный слой. Для приготовления макрошлифа деталь разрезают по определенным плоскостям. Гладкую поверхность разреза обрабатывают одним из специальных реактивов — травителей, в результате чего закаленные участки металла приобретают более темную окраску. Макрошлиф дает возможность проверить по конфигурации закаленного слоя, правильна ли конструкция индуктора и какова полученная глубина закалки. Как будет показано дальше, глубина закаленного слоя, найденная этим методом, не является истинной и носит специальное название «глубина слоя по макро». Недостатком этого метода является также необходимость разрушения детали, но он более точен и совершенен, чем контроль по излому.

Метод контроля результатов закалки по твердости является одним из наиболее удобных и распространенных. Твердость замеряют как на поверхности, так и в сечении детали. Это позволяет объективно определить зону закаленного слоя. Измерение твердости ро глубине большей частью производят на макрошлифах, что позволяет точно определить истинную глубину закаленного слоя, а также ширину переходной зоны. Распределение твердости по глубине обычно изображают графиком, который называют кривой твердости. Измерение твердости по глубине закаленной детали связано с необходимостью

рушения детали и поэтому чаще применяется в процессе наладки. При текущем контроле закаленных деталей обычно ограниваются измерением твердости на поверхности.

Микроисследование полированной и протравленной поверхности боазца, вырезанного из детали, заключается в рассмотрении ее поп микроскопом при увеличении от 100 до 2000 раз. Такой образец называют микрошлифом. Микроструктурный анализ является наиболее детальным, но в то же время и наиболее трудоемким и требует от лица, производящего наблюдение, достаточной квалификации. Микроструктурный анализ позволяет еще более точно и объективно, чем по кривым твердости, определить истинную глубину закаленного слоя, т. е. слоя со структурой мартенсита.

Мартенситом называют структуру, соответствующую наибольшей твердости закаленного металла. По виду различают игольчатый и безыгольчатый мартенсит. Последний характерен для высокочастотной закалки.

Как и при макроисследовании, при изучении микроструктуры деталь, как правило, приходится разрушать.

Часто закалка деталей сопровождается их деформациями, возникающими вследствие действия внутренних механических напряжений. Измерив величину деформаций, можно судить о качестве закалки, особенно в массовом производстве. Величина деформаций при высокочастотной закалке во многих случаях меньше, чем при обычной, и имеет закономерный и однообразный характер. Измерение деформаций производят общепринятым измерительным инструментом. Такой способ контроля высокочастотной закалки не дает исчерпывающего представления о ее качестве, но сами по себе замеры деформаций имеют часто первостепенную важность для последующей механической обработки деталей.

В массовом или серийном производстве очень важно правильно выбрать систему отбора деталей для контроля. В большинстве случаев практики прибегают к выборочному контролю, проверяя отдельные образцы, от определенной партии. Процент деталей, отбираемых для исследования, зависит от условий производства. Так, если меняются химический состав стали, условия обработки, напряжение сети и т. п., если закалочный станок не автоматизирован или изношен, — необходимо от каждой партии для испытаний отбирать большее число деталей. Если же условия технологического процесса и качество сырья неизменны и нет оснований ожидать значительных отклонений качества закалки, то можно контролировать только незначительный процент от суточной продукции. Таким образом, автоматизация производства и постоянство самого технологического процесса позволяют снизить количество контролируемых деталей, Например, внешнему осмотру подвергаются все 100% деталей, а травление с поверхности, как процесс более трудоемкий, рекомендуется производить для одной из 20—50 деталей, причем последняя Цифра относится к закалке на станках-автоматах.

Контролю твердости на поверхности при ответственных изделиях желательно подвергать все 100% закаленных деталей. При этом для каждой детали для контроля равномерности закалки необходимо производить не менее 3—5 измерений в разных точках поверхности.

Для полного металлографического анализа часто берут одну деталь от партии в 200—300 шт., если средняя суточная производительность составляет примерно 100 шт. Если же производство более массового характера, а детали имеют простую конфигурацию то можно исследовать одну деталь из 1000 шт.

В некоторых же случаях при хорошо налаженном процессе закалки для серийных малогабаритных деталей простейшей формы применяют контроль только по излому. Для этого ломают одну из каждых 20—30 тыс. деталей. Правда, этот метод пригоден для деталей, на которых легко получить излом в нужном сечении и где можно ограничиться приближенным определением глубины слоя.

В целях упорядочения ведения контроля деталей, закаленных высокочастотным способом, можно рекомендовать для участков контроля групповые карты.

В картах имеет смысл отразить следующие элементы:
1) марка стали;
2) глубина закаленного слоя по чертежу;
3) глубина закаленного слоя с учетом припуска на шлифование;
4) твердость закаленного слоя с поверхности и на определенной глубине;
5) твердость сердцевины и характер предварительной термической обработки;
6) место закалки (и особые условия распределения закаленного слоя);
7) место контроля;
8) виды массового контроля (твердость, качество поверхности, деформации, наличие микротрещин и т. д.);
9) процент деталей, подвергающихся контролю на глубину, и микроструктуру закаленного слоя.

Такая карта позволила бы сконцентрировать в одном месте все технические данные, относящиеся к деталям, подвергающимся высокочастотной закалке.

ляемые специально, но повторяющие форму соответствующего участка целой детали, мы будем называть моделями. Применение моделей приводит не только к экономии металла, но и создает удобства при контроле качества закалки. При помощи моделей подбирают форму индуктора, режим нагрева и охлаждения. Если материалом детали является дорогостоящая легированная сталь, то первоначально модели изготовляют из дешевой стали и на них подбирают форму индуктора. После этого уже на моделях из заданного сорта стали подбирают электрический и термический режимы, необходимые для получения нужной конфигурации и глубины закаленного слоя и его микроструктуры.

В тех случаях, когда требуется определить свойства данной марки стали при закалке, например — закаливаемость, структурные превращения и т. п., закалке подвергаются образцы простейшей формы, обычно цилиндрической.

Подготовка объекта исследования зависит от того, в чем будет заключаться само исследование.

При исследовании поверхности большей частью ограничиваются ручной зачисткой поверхности мелкой корундовой и карборундовой шкуркой.

Для измерения твердости, в особенности при пользовании склероскопом Шора, на измеряемом участке необходимо удалить следы механической обработки; обычно это делают вручную при помощи наждачного камня.

При подготовке образцов для проведения исследования на макро- или микро шлифах очень важно правильно выбрать плоскость сечения, в которой будут производиться исследования. Обычно при закалке необходимо получить закаленный слой равномерной глубины. Поэтому если имеется опасение, что слой по глубине получится неравномерным, плоскость сечения нужно выбрать так, чтобы эта неравномерность была выявлена. Неравномерность закаленного слоя может иметь место, например, при наличии у детали галтелей, выступов, вырезов, отверстий, кромок и других усложнений формы. В районе расположения перечисленных элементов, изменяющих пути прохождения индуктированных токов в детали, возможны местные нагревы и перегревы. Для более тщательного исследования через такие места детали нужно проводить не менее двух взаимно перпендикулярных плоскостей сечения (рис. 1). Ряд деталей сложной конфигурации, например, шестерни, приходится исследовать по очень большому количеству плоскостей, чтобы вое-произвести сложную картину пространственного распределения закаленного слоя.

Рис. 1. Выбор плоскости разреза

Для микроисследований из детали вырезают небольшой объем при этом выбор участка детали удобнее всего проводить по предварительно изготовленному макрошлифу. Особую важность представляют микрошлифы участков, где можно опасаться перегрева или недогрева.

Чтобы получить макрошлиф, деталь прежде всего необходимо разрезать. В подавляющем большинстве случаев макрошлиф приходится изготовлять именно по разрезу, а не по излому. При поломке детали плоскость излома располагается произвольно, тогда как при высокочастотной закалке для определения конфигурации закаленного слоя нужно, чтобы плоскость проходила вполне определенным образом. Сочетание закаленных и незакаленных участков на одной детали вызывает особенно прихотливую форму излома.

Резка закаленных деталей может осуществляться различными способами, в зависимости от твердости материала и наличного оборудования. Наиболее широко применяют резку на шлифовальных станках или на станках специальной конструкции посредством тонкого абразивного диска, а также на анодно-механических станках. Последний метод является наиболее совершенным. В некоторых случаях, особенно при крупных деталях, сначала деталь режут автогеном, а затем на станке срезают некоторый слой по сечению, отпущенный при нагреве пламенем автогена.

При резке деталей нужно заботиться о том, чтобы не нарушить структуру металла, полученную в процессе закалки, т. е. чтобы при резке температура не превышала 200 °С и не создались большие усилия, способствующие появлению трещин. Следовательно, резку детали необходимо вести при малых скоростях подачи и при интенсивном охлаждении.

Очень большое значение имеет размер зерна резательного круга. Например, круги марки Э60, вследствие очень мелкого зерна, дают прижоги более сильные, чем круги марки Э46 с более крупным зерном. Имеет значение также и твердость круга. Обычно применяют круги средней твердости типа С1 и С2, что в марке круга также указывается.

При несоблюдении этих правил на практике получаются ошибочные результаты. За дефекты закалки принимают микротрещины и трещины, возникшие в процессе резки, а также отпуск и подкалку. Поэтому необходимо тщательно инструктировать персонал, осуществляющий резку.

Если поверхность разреза подверглась отпуску, а отпуск иногда происходит на глубину до 2—3 мм, то она покрывается цветами побежалости в зависимости от температуры нагрева; по наличию этих цветов можно судить о неправильности режима резки (рис. 2).

Если нагрев в плоскости реза произошел до температуры, превышающей 200 °С, то микроструктура металла уже претерпевает значительные изменения, так что разобраться в результатах закалки становится невозможным. Не исключена возможность развития и более высоких температур, вплоть до закалочной. В последнем случае на поверхности реза цвета побежалости неразличимы, так как серый цвет, соответствующий температуре выше 500 °С, весьма похож на цвет исходного металла. При травлении такого макрошлифа получаются черные участки, фиксирующие места прижогов (рис. 3).

Рис. 2. Микрошлифы колец шарикоподшипников. Темные участки являются результатом отпуска при резке. Трещины также вызваны неправильным режимом резки.

Во всех тех случаях, когда поверхность разреза получилась недоброкачественной (неровной, с уступами, прижогами, трещинами и т. д.) или оплавленной после анодно-механической резки, ее необходимо отшлифовать на плоскошлифовальном станке. К такому же шлифованию прибегают, когда нужно приготовить качественный макрошлиф для фотографирования и когда Для измерения твердости по глубине закаленного слоя необходимо обеспечить строгую параллельность верхней и нижней плоскостей шлифа.

При шлифовании следует соблюдать те же предосторожности, что и при резке, во избежание прижогов, трещин и других дефектов. Трещины, возникающие при шлифовании, имеют характерный вид тонкой сетки, а прижоги, возникающие вследствие биения камня, Дают на макрошлифе пунктир (рис. 4). Для устранения таких прижогов нужно обеспечить систематическую правку шлифовального круга.

Рис. 3. Макрошлиф части коленчатой оси: 1 — подкаленный при резке участок; б — закаленный слой; в — исходный материал.

Рис. 4. Дефекты, возникающие от станочного шлифования: а — «пунктир»; б — сетка трещин.

В некоторых случаях на поверхности можно обнаружить местные оплавления или участки с тонким розоватым налетом. Эти признаки означают, что в процессе нагрева в этих местах произошел пробой между индуктором и деталью. Розовый налет представляет собой слой, образовавшийся вследствие конденсации паров меди на поверхности детали. Ясно, что в этом случае необходимо отрегулировать зазор между индуктором и деталью.

При контроле закаленных деталей можно широко применять метод травления поверхности. Суть его заключается в том, что наружная поверхность детали после шлифования и обезжиривания смачивается специальным раствором — реактивом, в результате чего на поверхности появляется рисунок. Этот рисунок позволяет судить о поверхностной макроструктуре и дефектах закалки. Обезжиривание можно производить любым из известных способов, например, обмывая поверхность спиртом,ацетоном, чистым бензином и др.

Наибольшее распространение получили следующие способы травления:

1. Травление персульфатом аммония. Этот реактив применяется для выявления мелких трещин. Его химическая формула: (NH4)2S208.

Подготовленную поверхность детали при помощи ваты смачивают 15-процентным водным раствором персульфата в течение 10 мин. Затем обрабатывают 10-процентным водным раствором азотной кислоты и промывают водой. Чтобы защитить руки от действия реактивов, вату следует брать щипцами. После просушивания фильтровальной бумагой и горячим воздухом выжидают 10—15 мин. и обследуют поверхность посредством лупы. Трещины выступают в виде черных линий. Попутно на светлом фоне незакаленного металла выявляется закаленная зона, имеющая темно-серую окраску.

2. Травление 25-процентным водным раствором азотной кислоты Применяется для выявления макроструктуры. Поверхность металла смачивается кислотой до потемнения закаленных участков. Затем, как обычно, производится промывка и сушка поверхности и визуальное обследование. Этот реактив также выявляет трещины.

3. Травление 3-процентным водным раствором азотной кислоты. Применяется для выявления обезуглероженных участков, а также трооститных пятен (рис. 5), которые образуются при недостаточно резком охлаждении в процессе закалки и обладают пониженной твердостью. Для травления поверхность, подготовленная как обычно, смачивается раствором в течение нескольких минут. На влажной поверхности трооститные пятна выглядят темными, а обезуглероженные участки — белыми на светло-сером фоне закаленной поверхности На сухой поверхности эти пятна мало заметны.

Рис. 5. Трооститные пятна на закаленной поверхности, выявленные путем травления 3-процентным водным раствором азотной кислоты (на рисунке отмечены стрелками).

Как уже было отмечено, цель травления первым и вторым реактивами состоит в выявлении на поверхности трещин, которые могут возникнуть или в процессе закалки или в процессе последующей механической обработки. Кроме того, эти реактивы полезны тем, что, выявляя на поверхности зону закалки, они позволяют контролировать соответствие ее техническим требованиям.

Например, при закалке шейки коленчатого вала, когда строго заданы ширина и расположение закаленного участка, их можно быстро определить посредством травления (рис. 6).

Pиc. 6. Рисунки, выявленные на поверхности травлением и образовавшиеся вследствие охлаждения струями закалочной воды: а — пятна, возникающие при одновременной закалке без вращения детали, расположены также в шахматном порядке, как и отверстия в индукторе; б — рисунок в виде спирали; получается при последовательной закалке с вращением детали

В некоторых случаях, когда одна закаливаемая зона находит на другую, закаленную ранее, в зоне смыкания образуется так называемая отпускная полоска, снижающая прочность детали. Она также хорошо выявляется травлением.

Часто на поверхности, протравленной первым или вторым реактивами, выявляются различного вида рисунки (рис. 6). Так, при закалке с одновременным нагревом всей закаливаемой поверхности без вращения детали иногда на протравленной поверхности ‘очень резко выступают пятна в виде очерченных кружков. Эти кружки расположены в определенном порядке, в таком же, как и отверстия на внутренней поверхности индуктора, и образуются от остро направленных струй закалочной воды, попадающих на раскаленную поверхность металла.

Рисунок сам по себе не является, отрицательным признаком, но часто в центре этих пятен выявляются микротрещины (рис. 7). Хотя эти микротрещины имеют незначительную протяженность и глубину, так что при последующем шлифовании детали на 0,1—0,2 мм они полностью снимаются, все же в таких случаях желательно принимать меры для их устранения, например, снизить давление воды если это не сказывается на твердости; можно также подогревать закалочную воду. Избежать образования указанных микротрещин можно и путем применения индуктора соответствующей конструкции

При последовательной закалке с вращением детали на поверхности иногда выявляется рисунок в виде перемежающихся очень узких светлых и темных полосок, идущих по спирали, которые появляются вследствие неравномерного попадания водяного душа на раскаленную поверхность металла. Эта неравномерность обусловлена отсутствием водяных струй в месте разреза кольца индуктора, а также малой скоростью вращения детали. Обычно этот рисунок не связан с какими-либо дефектами в закаленном слое.

Рис. 7. Микротрещины на шейке коленчатого вала, выявленные при травлении персульфатом аммония. Образовались в местах падения струй закалочной воды (кружком обведено место, представленное справа в увеличенном масштабе).

Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум