От температуры отпуска

5.4. Контроль качества поверхностного упрочнения стальных изделий

Поверхностное упрочнение стальных изделий проводится для повышения их износостойкости и сопротивления усталостному разрушению. Для этого используются различные виды обработок: поверхностный наклеп (дробеструйная обработка, накатка роликами и т.д.), цементация, азотирование, цианирование, поверхностная закалка.

При поверхностном наклепе, то есть при холодной деформации поверхностного слоя, упрочнение происходит благодаря существенному повышению плотности дислокаций, что снижает возможность их движения и возможность образования новых дислокаций. Появляющиеся на поверхности сжимающие напряжения повышают сопротивление усталостному разрушению.

При цементации поверхностный слой стали насыщается углеродом, в результате чего в низкоуглеродистой стали, используемой для цементации, после закалки образуется прочный высокоуглеродистый поверхностный слой при относительно мягкой и вязкой сердцевине изделия. Скорость диффузии углерода в феррите наименьшая, в аустените наибольшая, поэтому процесс цементации проводят при температурах выше (900-970С). Поскольку цементация является диффузионным процессом, то увеличение температуры цементации сопровождается увеличением глубины слоя, а содержание углерода в поверхностном слое будет определяться пределом растворимости углерода в аустените при данной температуре согласно диаграмме Fe-C. После охлаждения до комнатной температуры насыщенная углеродом (С > 0,8-0,9 %) поверхностная зона имеет структуру заэвтектоидной стали (перлит + цементит), глубже идет эвтектоидная зона (С = 0,8 %) и доэвтектоидная зона (С < 0,7 %), которая плавно переходит в структуру сердцевины. За техническую глубину цементированного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зон. Иногда за глубину слоя принимается расстояние от поверхности до первых участков феррита. Необходимый уровень эксплуатационных свойств достигается закалкой цементированных изделий с последующим низкотемпературным отпуском, после которых в поверхностном слое получается высокоуглеродистый мартенсит с высокой твердостью и износостойкостью, а в сердцевине - низкая твердость и высокая вязкость.

Поверхностную закалку проводят после нагрева поверхности вихревыми токами, возникающими в металле при помещении его в переменное электромагнитное поле высокой частоты (см. далее ч. III). Вследствие неравномерного нагрева (скин-эффект) в сечении закаленного изделия можно выделить три зоны: - поверхностно упрочненный слой (нагревается выше , после охлаждения имеет мартенситную структуру); - переходный слой (нагревается до<<, структура меняется от мартенситной до феррито-перлитной); - исходная структура сердцевины (нагрев ниже, поэтому структурных превращений практически не происходит). Глубина слоя оценивается по изменению твердости (0,8 от значения твердости на поверхности) или металлографически от поверхности до участков с 50 % мартенсита в структуре. Глубина, конфигурация и свойства закаленного слоя зависят от характера нагрева и охлаждения, от геометрии изделия и формы индукторов. Таким образом, для аттестации изделия в ряде случаев требуется определять не только глубину слоя, но и его твердость, и расположение слоя на изделии, что требует разработки измерительных преобразователей с большой локальностью измерений.

В основе неразрушающих методов контроля параметров упрочненных слоев лежит различие в физических свойствах слоя и сердцевины  изделия. Чем больше это различие, тем более достоверным и надежным будет метод контроля.

При закалке с нагрева ТВЧ коэрцитивная сила закаленного слоя в 2-4 раза больше коэрцитивной силы сердцевины изделий. Различие между коэрцитивными силами цементированного слоя и сердцевины достигает наибольшего значения после последующей закалки и доходит до 10 раз. Однако контроль цементированных слоев осложняется большей, чем для закаленных слоев, протяженностью переходной зоны и наличием в структуре упрочненного слоя остаточного аустенита.

Определение параметров упрочненных слоев возможно за счет проникновения магнитного и электромагнитного полей на заданную глубину. Это может быть достигнуто двумя способами: а) намагничивание изделия в постоянных магнитных полях при помощи намагничивающих устройств определенной конфигурации и определение магнитных характеристик усредненных в заданном промагничиваемом объеме; б) применение для намагничивания контролируемых изделий переменных электромагнитных полей необходимой частоты.

Для определения глубины и прочностных характеристик упрочненных слоев широкое распространение нашли коэрцитиметры с приставными электромагнитами (упомянутый выше вариант а). Глубина проникновения магнитного потока в изделие в основном зависит от формы и размеров приставного электромагнита. Изменяя для П-образного электромагнита площадь сечения полюсов, расстояние между ними и высоту полюсов, можно получить различную глубину проникновения магнитного потока в изделие.

На рис. 2.57 в относительных единицах приведена полученная на поверхностно закаленных массивных изделиях обобщенная кривая зависимости показаний П-образных приставных электромагнитов различных размеров от глубины закаленного слоя. На указанной кривой можно выделить четыре участка.

Рис. 2.57. Обобщенная зависимость относительных значений показаний