УДК 620.179.14
ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ износостойкости УПРОЧНЕННОЙ ЛАЗЕРОМ ЦЕМЕНТИРОВАННОЙ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ И КАЧЕСТВА ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ БУРОВЫХ ДОЛОТ
A.B. Макаров, Э.С. Горкунов, Ю.М. Колобылин, Л.Х. Коган, Л.Г. Коршунов, И.Ю. Малыгина, АЛ. Осинцева
Изучены особенности вихретокового контроля цементированной хромоникелевой стали 20ХН3А, подвергнутой обработке непрерывным излучением лазера, последующей обработке холодом при -196 °C (снижающей количество остаточного аустенита в цементированном слое с 25—40 до 5—10 об. %) и отпуску в интервале температур 100—400 °C. Показано, что вихретоковый метод может быть использован для выявления наличия на поверхности закаленного лазером износостойкого слоя, а также для оценки резкого снижения при низкотемпературном отпуске абразивной износостойкости стали, упрочненной лазером и дополнительно обработанной холодом. Установлена возможность вихретокового контроля качества лазерной закалки беговых дорожек качения опорного узла буровых шарошечных долот из цементированной стали 20ХН3А с использованием накладного преобразователя с выступающим стержневым сердечником.
Ключевые слова: цементированная сталь, лазерная обработка, обработка холодом, буровое долото, структура, износостойкость, вихретоковый контроль, накладной преобразователь.
ВВЕДЕНИЕ
Цементуемые хромоникелевые стали находят широкое применение при производстве бурового инструмента, шестерен, валов, втулок, силовых шпилек, болтов, муфт, червяков и других деталей, работающих под действием высоких контактных и ударных нагрузок, трения, абразивной среды и отрицательных температур, вследствие чего к ним предъявляются требования высокой поверхностной твердости, прочности, пластичности, а также вязкости сердцевины [1—4]. Практически важной задачей является разработка неразрушающих методов контроля качества цементированного слоя. Несмотря на значительное количество работ, выполненных в этом направлении в прошлом столетии (например, [5—10]), вопрос использования электромагнитных методов для контроля структуры, химического состава и свойств цементированных сталей продолжает привлекать внимание исследователей [11—16].
Значительное улучшение трибологических, механических и других важнейших эксплуатационных характеристик цементуемых хромонике-левых сталей обеспечивают современные высокоэнергетические способы упрочнения поверхности, в частности, лазерная и электронно-лучевая обработки [17—20]. Установлены возможности контроля электромаг-
Алексей Викторович Макаров, канд. техн. наук, зав. лабораторией конструкционного материаловедения Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-99. E-mail: makarov@imach.uran.ru
Эдуард Степанович Горкунов, чл.-кор. РАН, директор Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-42. E-mail: ges@imach.uran.ru
Юрий Михайлович Колобылин, научный сотрудник Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-78. E-mail: lkm@imach.uran.ru
Леонид Хонович Коган, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-38-27.
Лев Георгиевич Коршунов, доктор техн. наук, гл. научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН. Тел. (343) 378-37-38.
Ирина Юрьевна Малыгина, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-78. E-mail: lkm@imach.uran.ru
Алевтина Леонтьевна Осинцева, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-78. E-mail: lkm@imach.uran.ru
нитными методами глубины, твердости и износостойкости поверхностных слоев углеродистых и легированных сталей, закаленных при лазерном воздействии [21—29]. Однако особенностям контроля упрочненных лазером цементированных сталей (с переменным содержанием углерода в поверхностном слое) не уделялось должного внимания. В работе [30] предложено оценивать твердость закаленной лазером цементированной стали с использованием корреляции между температуропроводностью поверхностного слоя (определяемой неразрушающим методом, основанным на отражении оптического луча от нагретой металлической поверхности) и микротвердостью по Виккерсу. В настоящем исследовании изучены особенности вихретокового контроля цементированной хромони-келевой стали 20ХН3А, подвергнутой обработке непрерывным излучением СО2-лазера.
Упрочненные лазером изделия могут подвергаться значительному нагреву при шлифовке, сварке, а также в условиях эксплуатации (например, при фрикционном нагреве). Для повышения твердости и сопротивления различным видам изнашивания цементированные стали после лазерной или объемной закалки обрабатывают холодом [11, 20, 31—34]. Поэтому в работе рассмотрено влияние отпуска при температурах до 400 °С на твердость, износостойкость и вихретоковые характеристики цементированного слоя стали 20ХН3А, обработанной лазером, а также дополнительно охлажденной в жидком азоте.
Лазерная закалка, а также лазерная закалка в сочетании с обработкой холодом, эффективно повышают сопротивление абразивному и контактно-усталостному изнашиванию опор качения буровых шарошечных долот [20]. Предложено проводить коэрцитиметрический контроль твердости и глубины цементированного слоя деталей буровых долот (лап и шарошек) после объемной термической обработки (закалка в масле с низкотемпературным отпуском при 180 °С) [35]. В настоящей работе изучены возможности вихретокового метода для контроля качества лазерного упрочнения цапф лап буровых долот. Поскольку беговые дорожки качения долот представляют собой сложные криволинейные поверхности, в работе рассмотрено использование вихретокового датчика с выступающим стержневым сердечником.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследовали сталь 20ХН3А промышленной плавки, содержащей в мас. %: 0,20 С; 0,68 Сг; 2,90 N1; 0,14 Мо; 0,28 Б1; 0,44 Мп; 0,01 Р, остальное Бе. Образцы размером 7x7x20 мм были подвергнуты цементации в твердом карбюризаторе при 950 °С в течение 12 ч, охлаждению на воздухе от 890 °С, закалке в масле от 790 °С (выдержка 1 ч 30 мин), отпуску при 180 °С в течение 2 ч, лазерной обработке, охлаждению в жидком азоте при температуре -196 °С, а также отпуску при температурах 100—400 °С (выдержка 2 ч). Глубина цементированного слоя составляла 1,1—1,3 мм, максимальная концентрация углерода в слое — 0,95 мас. %. Перед лазерным облучением образцы шлифовали для удаления обезуглероженного слоя и подвергали травлению в 10 %-ном водном растворе персульфата аммония для повышения коэффициента поглощения лазерного излучения.
Рабочие поверхности образцов (7x7 мм) обрабатывали с использованием СО2-лазера непрерывного действия в струе гелия за один проход прямоугольным пятном размером 7x0,7 мм в режиме с оплавлением поверхности. Для повышения скорости теплоотвода образцы в процессе облучения частично погружали в воду (подобный способ применяется при лазерной обработке малых изделий [36]). Мощность излучения составля-
ла 2,3 кВт, скорость перемещения пучка 30 м/ч, плотность энергии 40 Дж/мм2. Глубина оплавленной зоны составляла 0,10—0,15 мм при общей глубине закаленной зоны 0,8—0,9 мм. Лазерной закалке в режиме без оплавления подвергали также беговые дорожки лап шарошечных буровых долот диаметром 190,5 мм из цементированной стали 20ХН3А.
Изменения абразивной износостойкости по глубине цементированного слоя образцов определяли в процессе многократных испытаний, приводящих к последовательному удалению (изнашиванию) поверхностного слоя. Испытания выполняли на лабораторной установке при скольжении торцевых поверхностей (7x7 мм) образцов по закрепленному абразиву — шлифовальной шкурке марок 14А16 (электрокорунд зернистостью ~160 мкм) и 81Кр20 (кремень зернистостью ~200 мкм) со средней скоростью 0,175 м/с при нагрузке 49 Н, длине рабочего хода 100 мм, пути трения единичного испытания 17,6 м, поперечном смещении образца 1,2 мм за один двойной ход. Для каждого отдельного испытания определяли
й
интенсивность изнашивания по формуле ¡к = —— , где й — потери
массы образца, г; о — плотность материала образца, г/см3; 5 — геометрическая площадь контакта, см2; Ь — путь трения единичного испытания.
Структуру цементированного слоя изучали металлографическим и электронно-микроскопическим методами. Фазовый состав определяли методом рентгеноструктурного анализа в БеК^-излучении. Содержание углерода в остаточном аустените и мартенсите в закаленной лазером цементированной стали 20ХН3А определяли с использованием методик, рассмотренных в [20].
Измерения электромагнитных параметров выполняли на лабораторном макете вихретокового прибора с использованием дифференциально включенных накладных трансформаторных преобразователей с сердечником броневого типа с плоской торцевой поверхностью (локальность контроля 5—6 мм в диаметре) [27] и с выступающим стержневым ферри-товым сердечником (локальность 3—4 мм в диаметре) (рис. 1).
2
I 2,7
Рис. 1. Схематическое изображение накладного вихретокового трансформаторного преобразователя с выступающим стержневым ферритовым сердечником:
1 — обмотки преобразователя; 2 — стержневой фер-ритовый сердечник; 3 — сердечник броневого типа.
Локальность использованных преобразователей позволяла проводить измерения на торцевых поверхностях образцов (7x7 мм) без влияния краевого эффекта. Измерения на образцах проводили на частоте f = 72 кГц, при которой расчетная глубина проникновения электромаг-
нитного поля в материал, пропорциональная л/1/ [37], составляет
~0,17 мм. При этом изменения электромагнитных характеристик по глубине зоны лазерного влияния определяли при послойном сошлифовыва-нии цементированного слоя образцов. Криволинейные поверхности беговых дорожек цапф лап буровых долот исследовали с использованием преобразователя с выступающим сердечником на частотах / = 72 и 2,4 кГц (в последнем случае расчетная глубина проникновения электромагнитного поля составляет ~0,85 мм).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Структура, фазовый состав, микротвердость и абразивная износостойкость зоны лазерного воздействия. Образцы стали 20ХН3А, подвергнутые перед лазерным облучением цементации и стандартной термической обработке (закалка от 790 °С
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.