научная статья по теме ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 40Х Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 40Х»

УДК 620.179.14

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 40Х

Г. В. Вида

Рассмотрены методы неразрушающего контроля твердости деталей из стали 40Х, подвергнутых закалке, в том числе ступенчатой ("теплой"), и последующему отпуску в различных интервалах температур.

Сталь 40Х (ГОСТ 4543—71) широко применяется в машиностроении. Из нее изготовляют оси, валы, пальцы, втулки, болты и гайки специального назначения, фланцы, впускные клапаны, фрикционные диски, коленчатые валы и др. Используется она после нормализации, закалки и последующего отпуска (улучшения), поверхностного упрочне-

55 50 45

40 а: 3;

35

150 135 .120 105 90 75

30 25 20 15 10

0 100 200

300

f Oj

ОТП'

400 500 600

Рис. 1. Магнитные свойства и твердость стали 40Х в

зависимости от температуры отпуска: О — закалка в масле, температура закалочной среды Ги11„ ~ 20 °С; Д — = 250 "С; V — Т^ = 265 °С; О — Г„,ф = 280 °С.

ния. В зависимости от условий эксплуатации деталей температура отпуска может быть средней (Готп = 450 ± 20 °С) или повышенной (Готп = = 580 ± 10 °С). Детали чаще всего подвергаются предварительной (перед закалкой) термической обработке (отжиг, нормализация) [1]. От

всего комплекса режимов термообработки зависят как эксплуатационные, так и магнитные свойства.

55

50

45

О ас а:

40

35

30

д

О • ▼

Д А

О

АО

*

АО»

ОЛ.

1200

1600 2000 МНг, А/см

2400

Рис. 2. Корреляция релаксационной намагниченности и твердости

стали 40Х:

1 т

1 1а1

ПЛ. 1, _ = 250 °С; Д — пл. 2, Г„ ,„ = 265 'ЧГ; ♦ — пл. 3, Г,

= 250 °С; V — пл. 1, = 265 °С; О — пл. С; • — пл. = 280 °С; А — пл. 2,

▼ пл. 1 мк.ср *» 1 зак.ср . •

= 280 "С; Г — пл. 3, Т^ = 280 °С; ■ — пл. 4, Тшср = 280 °С.

1

О

О

-

Исследованию зависимости магнитных и механических свойств стали 40Х от Тзак и Тотп, а также возможности применения магнитных методов контроля их качества посвящен ряд работ [2—5].

На рис. 1 приведены зависимости от температуры отпуска Тотп коэрцитивной силы Нс, релаксационных намагниченности Мн и магнитной восприимчивости %,., а также твердости ИКС стали 40Х, 'подвергнутой нормальной (в масло комнатной температуры) и ступенчатой (с предварительной изотермической выдержкой в щелочной ванне при 250, 265 и 280 °С и последующим охлаждением в воде) закалке. Видно, что лучше всего с твердостью коррелирует релаксационная намагниченность. Корреляционное поле МНг и НЯС для образцов разного химического состава (пяти плавок), подвергнутых нормальной (одна плавка (0,38 % С)) и "теплой" закалке при указанных выше температурах (четыре плавки: пл. 1 — 0,37 % С, 1,03 % Сг; пл. 2 — 0,39 % С, 1,00 % Сг; пл. 3 — 0,41 % С, 0,80 % Сг; пл. 4 — 0,38 % С, 1,05 % Сг), а также отпущенных при различных температурах, представлено на рис. 2. Уравнение связи между НЯС и МНг имеет вид:

НЯС = 16,1 + 0,0152734М„г; Я = 0,923, 5СТ = 1,596НЛС.

Здесь /? — коэффициент множественной корреляции; 5СТ — стандартная ошибка расчета. Видно, что по Мн можно успешно контролировать твердость этой стали, подвергнутой как нормальной, так и ступенчатой закалке и последующему отпуску.

На рис. 3 приведены зависимости показаний /,ю магнитного структуро-скопа МС-1 ИФМ от твердости закаленных и отпущенных при различных температурах деталей специзделия двух типоразмеров из стали 40Х.

Указанные детали изготовляются из круга (ГОСТ 7417—75) и подвергаются ступенчатой закалке:

нагрев в соляной ванне при 840—900 °С, выдержка 5—10 мин; переохлаждение в щелочи при 180—260 °С в течение 1—2 мин; две промывки в горячей воде.

Отпуск осуществляется нагревом в селитровой ванне при 420—450 °С с выдержкой 35—40 мин и охлаждением в холодной воде.

70

60

50

ч

о

В£

40

30

20

10

0

1

_L

_L

140

120

100

V

к

80

60 -

40

•I.

20

J

0

30 35 40 45 50 55

%

• •

• \

• •

• •

•••

_L

30 35 40 45 50 HRC, ед

Рис. 3. Зависимость показаний магнитного структуроскопа МС-1 ИФМ от твердости деталей двух типоразмеров. Пунктиром обозначен интервал нормальной твердости.

б

а

В зависимости от режимов эксплуатации для разных типов этих деталей техническими условиями установлены различные верхние и нижние пределы годности по твердости (37—42,5; 38—45; 42—46,5НЯС). Из рис. 3 видно, что при определенном объеме перебраковки можно успешно контролировать указанные детали магнитным методом.

Магнитный структуроскоп МС-1 ИФМ был внедрен для контроля твердости мотоциклетных коленчатых валов ИЖЮ4-1-12, ИЖЮ4-1-13, ИЖЮ4-1-14 и ИЖЮ4-1-21. Деталь представляет собой ось с махович-ным диском. Технологический цикл изготовления следующий:

штамповка заготовок после нагрева до 1200—1230 °С. Температура конца штамповки не ниже 780 °С;

нормализация при 910±10 °С. При получении после нормализации твердости (1 < 3,9 мм (с1 — диаметр отпечатка) детали подвергаются отпуску при Тотп = 670 ± 20 °С с последующим охлаждением в воде или на воздухе;

предварительная механическая обработка;

закалка с температур Гзак = 850 ± 10 °С в масле с температурой не выше 85 °С;

отпуск при 450±20 °С.

В термообработанном виде твердость должна находиться в пределах 37—44 HRC.

Рис. 4. Зависимость показаний магнитного структу-роскопа МС-1 ИФМ от твердости мотоциклетных коленвалов (О). Темные точки (•) соответствуют коленвалам, у которых в закаленном состоянии /„ < 67 мА.

На ряде деталей, предварительно прошедших на заводе-изготовителе технологический цикл вплоть до закалки, с целью вариации твердости, оценки возможности контроля и градуировки магнитного структуро-скопа МС-1 ИФМ в лабораторной печи провели отпуск в интервале 300 °С < Гот„ < 650 °С. Результаты испытания прибора приведены на рис. 4. Из рисунка видна удовлетворительная корреляция показаний прибора с твердостью деталей. Вместе с тем результаты испытаний отдельных коленвалов в закаленном состоянии, для которых показания прибора в режиме измерения коэрцитивной силы составляли /рс < 67 мА, выпадают из общего линейного корреляционного поля и на рис. 4 они представлены черными точками.

Этот результат показал необходимость рассортировки деталей после закалки по коэрцитивной силе. На рис. 5 приведена кривая распределения по показаниям коэрцитиметра деталей (100 шт.) из производственного потока (сплошная линия 1): она обладает асимметрией и появлением дополнительных максимумов в области низких коэрцитивных сил. Если выделить в отдельную группу изделия с < 67 мА, соответствующие

нормально закаленным, то получится почти симметричная кривая распределения 3. Среднее значение /рс. = 71,2 мА также близко к максимуму кривой 3.

Оставшиеся после выделения детали образовали кривую 2 распределения с двумя максимумами. Максимум, соответствующий /рс ~ 64 мА, вероятно, отражает недогретые при закалке детали, второй максимум трудно объяснить одним лишь недогревом при закалке. Можно предположить, что здесь имеет место неудовлетворительная исходная структура, обусловленная штамповкой и последующим отпуском.

Рис. 5. Кривая (1) распределения по показаниям магнитного структуроскопа МС-1 ИФМ в режиме измерения коэрцитивной силы числа л, коленвалов в закаленном состоянии, часть (3) этой кривой (п2) для коленвалов, у которых /рс > 67 мА и разностная (л, - п2) кривая (2).

Для деталей, которые отражает кривая 3, уравнение связи твердости с показаниями магнитного структуроскопа имеет вид:

НЯС = 46,8 - 0,158/*, при Я = -0,88; 5СТ = 0,99ИКС.

Особую категорию деталей из стали 40Х, представляют собой седла клапана впуска и выпуска дизельного двигателя, которые после закалки подвергаются более высокому отпуску, чем описанные выше детали. В основном технология их изготовления аналогична описанной выше технологии для мотоциклетных коленвалов. Исключение составляет несколько более высокая температура нагрева перед закалкой — Гзак = = 860 ± 10 °С с выдержкой 1,5 ч, охлаждение — в масле при температуре не выше 70 °С. Отпуск проводится при Тотп = 580 ± 10 °С в течение 3 ч с последующим охлаждением в воде комнатной температуры. Твердость нормально обработанных деталей должна составлять 21—28НЯС.

2 Дефектоскопия, № 1, 2003

Поскольку в процессе термообработки клапаны (в форме колец) приобретали овальность, встал вопрос об уменьшении влияния зазора на показания магнитного структуроскопа МС-1 ИФМ. С этой целью был раз-

Рис. 6. Схематическое изображение двойного ПЭМ: со сплошным сердечником (а) и раздельным сердечником (б).

работай двойной приставной электромагнит (ПЭМ), варианты схематических изображений которого представлены на рис. 6, а общий вид — на

рис. 7. Из рис. 6 видно, что двойной преобразователь фактически представляет собой два стандартных П-образных электромагнита. Здесь 1 — ферродатчики, 2 — катушки намагничивания (перемагничивания), 3 — испытуемые детали, 4 — сердечники ПЭМ.

Рис. 7. Общий вид двойного электромагнита

В зависимости от формы детали сердечники 4 электромагнита могут быть сплошными (общими для обоих электромагнитов), как показано на

10 20 30 40 НЯС, ед

Рис. 8. Зависимость величины показаний магнитного структуроскопа МС-1 ИФМ от твердости колец клапанов при различных значениях перемагничивающего тока: /,,.„ = 16 (линия У), 40(2), 72 .У), 80 (4), 120 (5), 160 (б) и 200 мА (7).

рис. 6а, или разрезными (рис. 66). Первые можно использовать для контроля качества прутков, полос (тогда его сердечник следует надрезать

лишь несколько более половины), второй — для любых деталей с ограниченными размерами испытуемого участка.

Электрическое соединение намагничивающих катушек — последовательное, однако полярность в участке детали в зависимости от типа сердечника может быть разной. Для случая, представленного на рис. 6а, оба ПЭМ на одном конце испытуемого участка прутка при намагничивании или перемагничивании должны создавать один и тот же полюс, намагничивая и перемагничивая этот участок сообща. Если изделие имеет форму кольца, как например, в исследуемом случае, катушки ПЭМ можно подключить и встречно. Тогда каждый ПЭМ будет работать индивидуально. В обоих случаях сигнал в измерительных катушках ферродатчиков суммируется. Уменьшение чувствительности к зазору двойного ПЭМ осущес

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.

Показать целиком