2828.Экспертиза качества и разрушений

5.4. Контроль качества после объемной термической обработки

Исследование макро- и микроструктуры готовой продукции дает большой объем информации, свидетельствующей о ее качестве. Визуальный контроль на первом этапе и тщательный анализ тонкой структуры на заключительном позволяют прогнозировать дальнейшее поведение мателла при эксплуатации.

Впервую очередь проводятся, как правило, макроструктурные исследования.

Макроструктура стали в подавляющем большинстве при проверке на протравленных темплетах или в изломе не должна иметь усадочной раковины, рыхлости, пузырей, трещин, расслоений, шлаковых включений и флокенов. Перечисленные дефекты связаны с условиями выплавки и разливки стали.

Всталях с содержанием углерода более 0,3 % по требованию потребителей проверяют глубину обезуглероженного слоя, который не допускается на прутках с обточенной или ободранной поверхностью.

Ввысокоуглеродистых сталях контролируется наличие карбидной сетки, есть ограничения по структурной полосчатости, карбидной ликвации, неметаллических включений. Для пружинной проволоки, поставляемой по высшей категории качества, обезуглероживание не допускается. Для листов не допускается расслоение, не должно быть трещин, зазубрин, расслоений

Более подробно особенности макродефектов рассмотрены в главах 2

и4 настоящего пособия.

Ко многим деталям, особенно ответственного назначения, предъявляется ряд требований по структуре после окончательной термической обработки. Поэтому структурный контроль качества термической обработки деталей, подвергнутых наиболее широко распространенному режиму – объемной закалке с последующим отпуском, является обязательной процедурой.

Мартенсит – основная структурная составляющая объемнозакаленных сталей. Для сталей, подвергаемых объемной термообработке, важное значение имеют закаливаемость и прокаливаемость.

Закаливаемость – способность приобретать максимальную твердость в результате закалки.

Прокаливаемость – способность стали воспринимать закалку на определенную глубину. Прокаливаемость углеродистых сталей отличается

281

нестабильностью. Ее определяют на отожженных образцах сечением 20×20 и длиной 60–100 мм по ГОСТ 1435–74. От прокаливаемости стали зависят ее свойства по сечению изделия (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схема, показывающая влияние глубины закалки на механические свойства закаленной и отпущенной стали

(заштрихована прокаленная зона, а–в – стали различной прокаливаемости)

Прокаливаемость нелегированных и легированных высокоуглеродистых сталей определяют методом торцевой закалки (ГОСТ 5657–69). Этот метод применяют для цилиндрических тел небольшой длины, размеры сечения в которых обеспечивают прокаливаемость в данной среде. Различают полную прокаливаемость (до 90–100 % мартенсита) и прокаливаемость до полумартенситной зоны (до 50 % продуктов немартенситного характера). Это связано с тем, что для малоответственных деталей или деталей, основным критерием качества которых являются твердость или прочность, допускается наличие немартенситных продуктов. Но, к примеру, для упругих элементов требуется полностью мартенситная структура.

Свойства мартенсита зависят от содержания углерода. Наряду с этим твердость зависит от температуры закалки и легирования (рис. 5.3).

С увеличением содержания углерода в химическом составе закаленной стали прочность изменяется иначе, чем твердость, снижается вязкость.

282

деталей участки троостита должны быть точечными. Оптимальной после закалки заэвтектоидных сталей является микроструктура скрытого или мелкоигольчатого мартенсита с равномерно распределенными избыточными карбидами (рис. 5.5). Структура мартенсита с крупными карбидами является недопустимой (рис. 5.6).

Рис. 5.4. Структура феррита и перлита стали 27ХГР (а) и зернистого перлита в стали ХГ (б)

Рис. 5.5. Структура закаленной стали ШХ15

Рис. 5.6. Грубые карбиды в структуре штамповой стали (темнопольное изображение)

284

Как правило, крупное зерно, а также наличие в структуре закаленных сталей сорбита, троостита (рис. 5.7), верхнего бейнита и, достаточно часто, феррита (рис 5.8) в структуре стали не допускается.

Рис. 5.7. Сфералиты троостита в структуре мартенсита

Рис. 5.8. Избыточный феррит в структуре закаленной стали 40, полученный в результате недостаточного нагрева под закалку

Количество остаточного аустенита в микроструктуре закаленной стали, как правило, регламентируется в зависимости от химического состава стали и назначения изделия. При одном и том же содержании углерода и легирующих элементов может допускаться определенное количество этой фазы (например, режущий инструмент), а иногда – практически полностью устраняется (измерительный инструмент). Остаточный аустенит устраняется термической обработкой (отпуск, обработка холодом) или пластической деформацией.

285

В процессе нагрева под закалку и при закалке могут появляться следующие дефекты: трещины, деформация и коробление, обезуглероживание, мягкие пятна и низкая твердость.

После закалки проводят отпуск для формирования окончательной структуры и механических свойств. Как известно из теории термической обработки, температуру отпуска назначают исходя из условий эксплуатации конкретной стали.

Низкий отпуск (150–250 °С) практически не изменяет структуру, позволяет уменьшить напряжения, вызванные закалочным охлаждением. Требования по контролю низкоотпущенных сталей практически сравнимы с контролем качества объемно-закаленных сталей. После низкого отпуска возможно дополнительное коробление деталей, поэтому контроль геометрических размеров является основной процедурой контроля в случае отсутствия других дефектов после закалки.

При среднем отпуске (от 300 до 500 °С) в строении углеродистых, низко- и среднелегированных сталей происходят существенные изменения. В первую очередь это касается мартенсита и остаточного аустенита. Также интенсивно протекают процессы карбидообразования. В результате среднего отпуска формируются высокие упругие свойства стали. После среднего отпуска стали могут иметь следующие недостатки: сохранение остаточного аустенита, проявление необратимой отпускной хрупкости, недостаточная прочность, коробление. В некоторых случаях возможно появление трещин вследствие нарушения режима термической обработки.

Сочетание закалки и высокого отпуска является одним из самых распространенных режимов обработки на машиностроительных заводах. Например, для грузовых автомобилей по такому режиму обрабатывается более 200 деталей. Для конструкционных сталей закалкой и высоким отпуском (улучшением) достигается максимальный уровень конструкционной прочности. Этот класс сталей наиболее распространен для изготовления деталей машиностроения и получил название «улучшаемых» сталей. Для некоторых инструментальных сталей (быстрорежущих, штамповых сталей холодного деформирования и др.) этот режим термической обработки обеспечивает максимальную твердость, прочность и износостойкость. После высокого отпуска можно обнаружить пониженную прочность стали, обезуглероживание, проявление обратимой отпускной хрупкости и другие дефекты.

286

5.5. Контроль качества химико-термической обработки

Высокие значения предела выносливости при изгибе (до 1200 МПа), при контактном нагружении (до 2500 МПа) достигаются путем цементации и нитроцементации. Легирующие элементы в цементуемых сталях при одинаковой структуре и твердости слоя в большинстве случаев не оказывают существенного влияния на прочность при изгибе. Для малоцикловой усталости важна вязкость сердцевины.

Под дефектами насыщенного слоя следует понимать наличие фаз или структурных составляющих, отличающихся размерами, объемной долей или составом от оптимального, рекомендуемых для данного конкретного случая. При наличии дефектов происходит ухудшение механических свойств слоя как вследствие их собственного влияния, так и в результате косвенного воздействия, вызванного последствиями ихобразования.

Наличие крупных карбидов и нитридов (размером более 1 мкм) снижает долговечность и контактную прочность. Особенно сильное влияние оказывает карбидная сетка. На механические свойства отрицательно влияет «темная составляющая», которая представляет собой частично разрушенные продукты окисления. При взаимодействии насыщающих атмосфер со сталью возможно образование в слое различных соединений (оксиды, карбиды, карбонитриды, нитриды), в состав которых переходит из твердого раствора значительное количество легирующих элементов. Это снижает устойчивость аустенита, что приводит к неизбежному образованию ферритно-цементитных структур в слое и снижению механических свойств детали. Одной из главных причин образования ферритно-цементитных структур в поверхностных зонах насыщенного слоя является обеднение твердого раствора аустенита при цементации и нитроцементации. Значительное обеднение легирующими элементами твердого раствора поверхностного слоя глубиной до 50 мкм вызвано внутренним окислением. Взаимодействие металла с эндотемической атмосферой приводит к образованию двух типов оксидов: поверхностной пленки оксидов толщиной 1 мкм со структурой типа шпинели и, чаще всего, оксидов кремния, расположенных на несколько большей глубине по границам зерен в виде тонкой разорванной сетки толщиной 0,1–0,2 мкм. Наибольшую опасность представляет обеднение твердого раствора хромом и марганцем. Достаточно высокие значения пограничной диффузии этих элементов приводят к тому, что твердый раствор обедняется ими на поверхности, вызывая прежде всего снижение сопротивления усталости.

287

Другой причиной обеднения твердого раствора является образование карбидов. При образовании в цементитном слое до 8 % карбидной фазы цементитного типа, содержащей в своем составе 7 % Cr, концентрация последнего в твердом растворе снижается до 0,2 %. Одновременное легирование стали для нитроцеметации двумя нитридообразующими элементами приводит к сохранению в твердом растворе химических элементов сменьшей термодинамической устойчивостью нитридов.

Прочность сердцевины должна находиться в пределах 1200– 1500 МПа (29–42 HRC). Оптимальной структурой является низкоуглеродистый мартенсит или нижний бейнит. При наличии включений феррита в структуре сердцевины сопротивление усталости снижается. При увеличении предела прочности от 1200 до 1500 МПа допустимые контактные нагрузки повышаются от 1750 до 2200 МПа. Однако дальнейшее увеличение прочности сердцевины приводит к снижению сопротивления усталости и резко увеличивает коробление деталей при закалке. Оптимальным значениям прочности и структуры сердцевины соответствует содержание углерода в стали 0,1–0,3 %. С увеличением степени легирования оптимальное содержание углерода сдвигается в сторону меньших значений.

Объективная и однозначная оценка качества слоя при химикотермической обработке связана с большой сложностью. На готовых изделиях тщательный контроль качества практически невозможен, поэтому для оценки деталей используют образцы-свидетели или определенное количество деталей из всей партии.

Дополнительным критерием качества нитроцементованного слоя является наличие темной составляющей во внешней зоне слоя. Анализ темной составляющей проводят металлографически на нетравленом шлифе и определяют балл. К примеру, для тяжело нагруженных деталей допускается содержание темной составляющей, не превышающей 5–8 изолированных пор размером не более 1 мкм в поле зрения микроскопа. Наличие пор большего размера большего количества и на большей глубине является основанием для браковки деталей.

Наличие во внешней зоне слоя троостита наиболее характерено для нитроцементации. Образование нитридов хрома приводит к большему обеднению твердого раствора хромом, вследствие чего толщина дефектной зоны увеличивается в несколько раз. Оценку качества нитроцементованного слоя по наличию троостита во внешнем слое проводят

288

сопоставлением микроструктуры слоя при просмотре на микроскопе поперечных шлифов с микроструктурой шкалы, баллы которой соответствуют различной толщине зоны выделения троостита (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Критерии оценки троостита по глубине слоя нитроцементованной стали 25ХГТ: а – балл 1, глубина залегания трооститной сетки менее 5 мкм; б – балл 2, глубина залегания сетки менее 10 мкм; в – балл 3, глубина залегания сетки менее 20 мкм; г – балл 4, глубина залегания сетки до 40 мкм

Контроль количества остаточного аустенита и карбидов не требует создания дополнительных шкал. Оценку карбонитридов типа (Fe, Me)хCNу в нитроцементованном слое также можно проводить по шкалам балльности, разработанном для контроля цементованного слоя.

Оценка содержания углерода и азота в нитроцементованном слое проводится химическим анализом по ГОСТ 12359–81 стружки, снятой послойно через 0,025–0,05 мм с поверхности нитроцементованного образца. Этот контроль необходим для корректировки состава атмосферы по изменению расхода аммиака.

Параметры контроля качества азотированного слоя регламенти-

руются ГОСТ 20495–75. Контроль производится как на стадии подготовки деталей к азотированию, так и в процессе, а также после химикотермической обработки. Процесс контроля целесообразно разделить на контроль качества изделий на технологических этапах изготовления и на контроль готовой продукции.

На технологических этапах до азотирования контролируются:

1. Химический состав и структура материала в состоянии поставки:

1.1.Химический состав по углероду и по постоянным примесям

ипо основным легирующим элементам.

289

1.2. Макроструктура (неметаллические включения, сегрегации алюминия).

2. Свойства заготовок, характеризующие сердцевину готовых деталей:

2.1.Микроструктура. Величина зерна должна быть не меньше номера 6–7 (ГОСТ 5639–82). Микроструктура должна соответствовать микроструктуре улучшенной стали для углеродистой и среднелегированной стали и мартенситу отпуска для высоколегированных сталей. Текстура деформации должна быть исключена.

2.2.Качество поверхности насыщения. Шероховатость с учетом увеличения на 2–4 мкм после азотирования оценивается по высоте микронеровностей, поверхность не должна иметь признаков окисления, следов масляных пятен, охлаждающей жидкости.

2.3.Качество поверхностей изделия, защищаемых от диффузии азота. Защитные покрытия не должны иметь трещин и пор.

2.4.Размеры деталей с учетом установленного технологического допуска на их прирост (4–6 % в зависимости от толщины диффузионного слоя) и возможные коробления деталей.

После азотирования контролируются следующие параметры. 1. Характеристика и свойства азотированного слоя.

1.1.Толщина диффузионного слоя: общая, эффективная и нитридной зоны. Общую толщину диффузионного слоя и толщину нитридной зоны определяют на приготовленном шлифе под микроскопом. Структура слоя для углеродистой и среднелегированной стали должна соответствовать сорбиту, для высоколегированных сталей – мартенситу отпуска. Эффективную толщину диффузионного слоя устанавливают по критерию твердости. Обычно значение твердости принимают 450–500 HV. Значения этого параметра может быть дополнительно установлено отраслевыми стандартами или ТУ предприятия.

1.2.Микроструктура слоя:

– распределение нитридов (карбонитридов) в зоне внутреннего азотирования;

– анализ количества и распределения микропор в нитридной зоне. Микроструктуру диффузионного слоя определяют на протравленном шлифе, а присутствие микропор устанавливают на нетравленом

микрошлифе.

290