Магнитные и электромагнитные методы
УДК 620.179.14
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТИРОВАННЫХ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ СТАЛИ 15ХМ
В.Н. Костин, А.Н. Сташков, А.П. Ничипурук, Ю.Г. Сапожникова
Разработана методика многопараметрового контроля глубины и твердости цементированного слоя, а также твердости сердцевины втулок звена, изготовленных из стали 15ХМ, без непосредственного доступа к материалу сердцевины. Контроль проводится по относительной величине коэрцитивной силы при различных схемах намагничивания изделия.
Цементация — один из наиболее широко распространенных способов поверхностного упрочнения стальных изделий. При цементации осуществляется насыщение углеродом поверхностного слоя изделия из малоуглеродистой стали (в данном случае — стали 15ХМ). Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающей от поверхности к сердцевине детали. В структуре слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны: заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита; эвтектоидную — из одного пластинчатого перлита и доэвтектоидную зону — из перлита и феррита [1]. После цементации изделие подвергается закалке и низкотемпературному (200 °С) отпуску. В результате указанных обработок изделие приобретает высокую твердость поверхностного слоя и необходимую вязкость сердцевины.
Магнитный контроль качества поверхностного упрочнения стальных изделий и, в частности, цементации известен достаточно давно [2—8]. Однако в большинстве ранее опубликованных работ контролировались только глубина и твердость цементированного слоя. Контроль прочностных свойств сердцевины проводился только в отдельных случаях при возможности прямого доступа к материалу сердцевины.
Цель данной работы — создание методики контроля глубины и твердости цементированного слоя и твердости сердцевины втулок из стали 15ХМ без прямого доступа к материалу сердцевины.
Контролируемые изделия представляют собой полые цилиндры различной длины и диаметра (рис. 1 и 2). Согласно нормативно-технической
/
3
Рис. 1. Продольный разрез втулки с цементированными
слоями:
/ — электромагнит; 2 — цементированные слои; 3 — сердцевина.
4 Дефектоскопия, № 12, 2004
документации на изделие эффективной толщиной цементированного слоя считается сумма заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон — до 0,40—0,45 % С. После закалки и отпуска толщиной цементированного слоя считается расстояние от поверхности (60—62 Я/?С) до слоя с твердостью 50 НЯС. Толщина слоя должна быть не менее 3 мм. Твердость сердцевины не должна превышать 28 НЯС.
Рис. 2. Поперечный разрез втулки с цементированными слоями. Условные обозначения те же, что и на рис. 1.
Поскольку после цементации и термической обработки коэрцитивная сила цементированного слоя почти на порядок превосходит коэрцитивную силу сердцевины, для решения указанной выше задачи был выбран хорошо себя зарекомендовавший коэрцитиметрический метод контроля [2—8]. Измерения относительной величины коэрцитивной силы промагничиваемого объема изделия проводили с помощью прибора СМ-401.2 [9]. В качестве преобразователя был использован стандартный приставной электромагнит с размерами полюсов 12x28 мм и межполюсным расстоянием 28 мм (изготовителем предусмотрена аттестация коэр-цитиметра СМ-401.2 именно с этим преобразователем). Для селективного контроля параметров слоя и сердцевины были использованы три типоразмера наконечников электромагнита.
Для наилучшего контроля твердости цементированного слоя весь магнитный поток должен проходить только через слой. Как было показано в работе [7], глубина промагничивания для приставного электромагнита с размерами полюсов 12x28 мм и межполюсным расстоянием 28 мм составляет приблизительно 6 мм. Поскольку глубина цементированного слоя должна составлять приблизительно 3 мм, глубина промагничивания должна быть уменьшена за счет наконечников. Для решения этой задачи были изготовлены наконечники с изменяющейся площадью поперечного сечения (от 12x28 до 6x28 мм) и увеличенным до 40 мм эффективным межполюсным расстоянием. Намагничивание проводится вдоль оси детали (рис. 1). При этом глубина промагничивания составляла 2,5 мм. Указанные наконечники далее будут называться наконечниками 1-го типа.
Для контроля глубины цементированного слоя магнитный поток должен захватывать как упрочненный слой, так и сердцевину. В этом случае были использованы наконечники с сечением 12x28 мм и глубиной промагничивания около 6 мм. Намагничивание также проводится вдоль оси детали (см. рис. 1). Это наконечники 2-го типа.
2
Прямого доступа к материалу сердцевины нет. В любом случае в про-магничиваемый объем будет входить какая-то часть наружного цементированного слоя и параметры слоя будут оказывать влияние на показания коэрцитиметра. Необходимо минимизировать влияние параметров слоя на результаты контроля свойств сердцевины. Для этой цели было использовано поперечное намагничивание контролируемых цилиндрических деталей (см. рис. 2). В этом случае выбор межполюсного расстояния и глубины расточки полюсов может обеспечить минимизацию доли цементированного слоя в промагничиваемом объеме. Кроме того, проникновению магнитного потока в цементированный слой препятствует высокое магнитное сопротивление слоя. При указанной схеме намагничивания средняя коэрцитивная сила промагниченного участка должна в основном определяться свойствами (твердостью) сердцевины. Контроль твердости сердцевины реализуется с помощью наконечников 3-го типа.
Испытания методики контроля глубины цементированного слоя проводили в цеховых условиях на объединенной выборке из 30 изделий трех типоразмеров. Входящие в выборку изделия имеют одинаковый наружный диаметр 90 мм.
Твердость цементированного слоя на поверхности была измерена микротвердомером. Вариаций твердости слоя не обнаружено. Все изделия имели твердость слоя на поверхности 60—62 НЯС. Вследствие этого не было возможности селективной оценки поверхностной твердости слоя неразрушающим методом.
А, мм
Рис. 3. Зависимость показаний прибора СМ-401.2 с наконечниками 2-го типа от глубины"цементированного слоя И.
Определение глубины цементированного слоя и твердости сердцевины проводили путем измерения микротвердости на шлифах, представляющих поперечное сечение изделия. Разброс глубины цементированного слоя в некоторых случаях достигал 0,3—0,5 мм по сечению детали, а твердости сердцевины — до 5 НЯС. Возможности точно соотнести места разрушающего и неразрушающего контроля не было, поэтому сопоставлялись усредненные по изделию результаты. Вынужденное усреднение показаний может являться источником дополнительной погрешности при сопоставлении результатов контроля.
На рис. 3 представлена зависимость показаний прибора СМ-401.2 с наконечниками 2-го типа от глубины цементированного слоя деталей
объединенной выборки. Видна достаточно надежная (7? = 0,73) корреляция показаний прибора и глубины цементированного слоя.
Поскольку схема намагничивания наконечниками 2-го типа допускает прохождение части магнитного потока по сердцевине изделия, возникает необходимость определения того, что в этом случае оказывает преимущественное влияние на показания прибора: глубина слоя или твердость сердцевины. Как было указано выше в исходной выборке, эти величины оказываются коррелирующими. Чтобы раздельно оценить влияние слоя и сердцевины на показания прибора с наконечниками 2-го типа, был использован метод многопараметрового регрессионного анализа и рассчитаны величины нормированных коэффициентов уравнения регрессии (3. [10]. По полученным результатам оказалось, что (3, = 0,57 (для глубины цементированного слоя), а (3, = 0,23 (для твердости сердцевины). Таким образом чувствительность прибора с наконечниками 2-го типа к глубине слоя более чем в два раза превышает чувствительность к твердости сердцевины. Уравнение регрессии при этом имеет следующий вид:
Е2 = 1072 + 4б,53/г + 2,70ЯЯСс, (1)
где Е2 — показания прибора с наконечниками 2-го типа; к — глубина цементированного слоя; НЯСс — твердость сердцевины.
Возможность использования наконечников 3-го типа для определения твердости сердцевины втулок оценивали на выборке из 7 деталей с существенно различающимися значениями твердости сердцевины. Коэффициент корреляции между показаниями прибора Еъ и твердостью сердцевины НЯСс составил /? = 0,79. Регрессионный анализ показал, что Р, = -0,85 (для глубины цементированного слоя), а (Зл = 1,56 (для твердости сердцевины). Таким образом чувствительность прибора с наконечниками 3-го типа к твердости сердцевины почти в 2 раза выше, чем к глубине цементированного слоя. Уравнение регрессии при этом имеет следующий вид:
£3 = 1086 - 58,45/г + 14,62Я/?Сс, (2)
где Еъ — показания прибора с наконечниками 3-го типа.
Поскольку схемы намагничивания с наконечниками 2-го и 3-го типа имеют различную чувствительность к глубине цементированного слоя /г и твердости сердцевины НЯСс, оказывается возможной раздельная оценка величин И. и НЯСс. Уравнения, связывающие глубину цементированного слоя к и твердость сердцевины НЯСс с показаниями прибора с наконечниками 2-го типа (Е2) и 3-го типа (£3), имеют вид:
/г = -11,38 + 0,013£2 - 0,0017£3; (3)
Я/?Сс = -104,90 + 0,072Е2 + 0,030Еу (4)
Коэффициенты множественной ре<^сеш{<доя7уравнений (3) и (4) равны соответственно /?Л = 0,8 и ЯНКС = 0,9.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные испытания показывают, что прибор СМ-401.2 и разработанная двухпараметровая методика контроля с использованием измерений при помощи наконечников 2-го типа (узкие продольные) и 3-го типа (поперечные) позволяют раздельно оценивать два основных параметра цементированных и термообработанных втулок: глубину цементированного слоя и твердость сердцевины, причем без прямого доступа к последней. Проведенные испытания показывают возможность использова-
ния предлагаемой методики для контроля качества цементации и термообработки втулок из стали 15ХМ в цеховых условиях.
Настоящая работа выполнена при поддержке гранта НШ—
1. Мозберг Р. К. Материаловедение.— М.: Высшая школа, 1991.— 448 с.
2.Михеев М.Н. Магнитный метод контроля толщины закал
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.