Введение к работе
Актуальность темы. Необходимый уровень прочностных характеристик изделий машиностроения формируется в результате подбора сталой определенного хшического состава и последующих режимов упрочняющей обработки.
Химический состав в режимы термической обрлботга* определяют структурное состояние металла, от которого зависит уровень магнитных п электромагнитных свойстк, что попволяет использовать . иагнитные н электромагнитные параметрі для иераярушащего контроля качества структуры а физико-механических характеристик стальных изделий. Неравруяащий контроль струотуры я механических характеристик ответственных изделий машиностроения является важной задачей, которая решается с использованием различных методов структуроскопии. s том чусле и с помощью хорош себя варе-ксмеиловаввих ыегттш и электромагнитных методов.
Физической основой использования магнитных и злектрсмагнкт-иых методов для контроля структуры и механических свойств является существование достоверной корреляционной связи параметра {«знтроля с контролируемыми характеристиками изделий.. В настоящее прет достаточно хорош изучено влияние различных ввдов термической и химико-термической обработок на магнитные и электрические свойства большого количества марок углеродистых и конструк-шюнных сталей и разработаны методы контроля структури п механк-ческих характеристик ихделий. Однако влияние хшического состава (а частности содержания углерода) даже в пределах марочного состава на те или иные магнитные и электрические свойства термически обработанных изделий иэучеио недостаточно, не проводился также сравнительный аналив чувствительности различных магнитных и электромагнитных параметров к изменению содержания углерода. Практически не неучен вопрос о влиянии скорости вакалки на магнитные и электрические свойства изделий различной толщины ив углеродистых, (обладающих низкой прокаливаемостью) сталей, хотя очевидно, что магнитные свойства "тонколистовых" (толщина которых сопоставима с глубиной прокаливания стали) и боле» "масоив-ных" изделий после закалки в масло должны отличаться.
Исследование влияния химического состава сталей на их магнитные я электрические свойства и разработка методов контроля
изделий при его вариациях являются актуальными еще и потому,что колебания химического состава могут превышать установленные ГОСТом пределы, либо по технологии допускается изготовление изделий одновременно из близких но составу марок сталой. Эта же проблема в еще большей степени важна для изделий порошковой металлургии, для которых характерны значительные ісолебания содержания углерода и пористости.
Не менее актуальной остается проблема контроля качества ю-верхностно упрочненных химико-термической обработкой слоев, поскольку, несмотря на существующие публикации на эту тему, сведений об успешной промышленной эксплуатации разработанных методик контроля (особенно небольших по глубине поверхностных слоев) достаточно мало. Причиной является то, что при нескольких меняющихся параметртх контролируемого обьекта (глубина и твердость слоя,химический состав слоя и т.д.) испольвуетсп. как правило только один параметр контроля,что приводит к нивкой достоверности оценки качества изделий. Контроль качества азотированных слоев специальных изделий иэ слабомагнитных аустенитных сталей до настоящего времени проводится выборочно металлографичес им методом и какие-либо заслуживающие внимания публикации о разработке неразрушающих методов контроля таких изделий у нас и за рубежом отсутствуют. Поэтому исследования и разработка методов ког-'роля. азотированных изделий из чустенитных сталей также гредставляется достаточно актуальными.
Цель работы заключается в детальном изучеииі структурной чувствительности магнитных и злєіггрических характеристик закаленных изделий различной толщины из углеродистых и конструкционных сталей к колебаниям химического состава и процессам избиения'структурно-фазового состояния при средне- и высокотемпературном отпуске; поиске оптимальных параметров -юнтроля качества термической и химико-термической обработок, обладающих достаточной локальностью и достоверностью контроля; разработке методик и приборов,пригодных для работы в промышленных условиях.
В связи о этим поставлены следующие задачи:
- изучить чувствительность к изменениям содержания углерода и структурного состояния при среднем и высокотемпературном отпуске магнитных и электрических характеристик изделий и? углеродистых сталей различной толщины;
- изыскать параметры, позволяющие определить содержание уг-
лерода в контролируемых ивделиях о погрешностью сравнимой с погрешностью разрушающего метода и определить полмо, лость отстройки от влияния содержания углерода, ісак мешащего фактора при контроле качества среднего и высокотемпературного отпуска изделий из углеродистых сталей;
- изучить магнитные и электромагнитные характеристики цементированных образцов из конструкционных сталей в зависимости от температуры и времени выдержки при цементации; насыщенности слоя углеродом: вариаций режимов термической обработки, а также установить наиболее информативные параметры контроля и разработать ' методику достоверного определения параметров цементированного слоя;
исследовать магнитные и электрические характеристики азотированных образцов слабомагнитных аустенитных сталей до и после азотирования, связь их со структурой,, фазовым составом, глубиной а8от**оованного слоя и разраОот; 'Ь методшсу локального неразруша-щего контроля глубины авотированного слоя;
разработать методику и аппаратуру локального и интегрального нераврушаодего контроля качества ;реднетемпературного отпуска "тонколистовых" (до 2х мм толщиной) изделий ив среднеугле-родистых сталей при колебании содержания углерода в них порядка O.ZZ;
равработать методику и. аппаратуру локального нераэрушаоще-го контроля глубины и твердости вакаленного ТВЧ слоя изделий ив углеродистых сталей с использованием наклалных вихретоковых преобразователей с феррктовьши сердечниками.
Научная новизна.
-
Установлено, что магнитные свойства термообработанных изделий из углеродистых сталей со сквоаной прокаливазмоспя ("тонколистовые") в гораздо большой степени по сравнению со свойствами "массивных!1 ивделий зависят от колебаний содержания углерода.
-
Предложена методика нераврушаюшего определения содержания углерода в контролируемых "тонколистовых" термически обработанных ивделиях из углеродистых сталей по величине размагничивающего тока коэрцитиметра КйФМ-Ш и сигналам накладных вихретоковых преобразователей. Показано, что погрешность опредепения со-
держания углерода таким способом сравнима с погрешностью разрушающего метода.
-
Показана возможность применения вихретокового метода, как с использованием накладных, так и проходных преобразователей для контроля качества среднетемпературного отпуска "тонколистовых" ивделкй из углеродистых, сталей при колебаниях содержания углерода в них от 0,62 до 0,82 X.
-
Определена оптима* ная глубина проникновения электромагнитного поля при контроле качества цементированных изделий, составляющая" величину порядка 50Z .от максимально возможной по технологическим условиям глубины цементированного слоя и разработана методика и аппаратура, позволяющая, оа счет использования двух параметров контроля (сигналов вихретокового преобразователя и коэрцитивной силы Нс) с высокой достоверностью определять основные характеристики качества цементированного слоя ивделий из стали І2ХН4А.
Б. Установлена корреляционная связь максимальной и начальной магнитной проницаемостеЙ с глубиной азотированного слоя ивделий из слабомагиигных аустенитных сталей. Показано, что магнитная проницаемость азотированных аустенитных сталей зависит от количества титана, образующего в процессе авотирования стойкие нитриды,что необходимо учитывать при выборе сталзй для квотируемых и?пелий, которые поляны иметь низкую магнитную проницаемость .
Практическая ценность работы.
Установленные закономерности поведения магнитных и элек-ои-ческих характеристик изделий различной толщины из углеродистых сталей позволили: осуществить неразрушающий контроль качества термической обработки "тонколистовых" изделий различной.конфигурации ив углеродистых сталей при вариации содержания углерода в них порядка 0,2%; определить неразрушагаиим способом содержание углерода в контролируемых отпущенных "тонколистовых" изделиях из углеродистых сталей с погрешностью, сравнимой с погреганостью его определения разрушающим способом..
Разработаны методики перазрупающего контроля: - качества цементированных слоев изделий из конструкционный сталей . (глубины и износостойкости цементированного слоя, коли-
чества остаточного аустенита в нем, наличия поверхностной обе-зуглероженной зоны);
глубины азотированных слоев изделий из слабомагнитных аустенитних сталей с локальностью контроля не более Б мм в диаметре;
глубины и твердости заішленних ЇВЧ слоев изделий из стали 45 с локальностью контроля не более 7 мм в диаметре.
Методики неразрувшщего контроля и аппаратура для ее осуществления внедрены на:
- Артинском механическом заводе Гнихретокавый структуроскоп
ВСФ-1ИЇМ с накладним преобразователем для контроля качества тер
мической ообработки "тошсолистовых" изделий (сельскохозяйствен
ных кос) из сталей У7А и У8А)
- Ухтомском вертолетном заводе и Уфимском машиностроительном производственном объединении (двухчастотный вихретоковый структуроскоп ВСФ-1ИФМ с накладным преобразователем и специализированный коэрцитиметр КПС-2М для контроля качества цементации ив-делий из ртали 12Х2Н4А);
- Златоустовском механическом заводе (ПО "Булат") [вихрето
ковый структуроскоп ВО-21Ф с проходным преобразователем для
контроля' качества термической обработки 7-ми типоразмеров дис
ков электромагнитных муфт из сталей У/и,У8А и вихретоковый
структуроскоп ВСФ-1ИЇМ с накладным преобразователем для локаль
ного (* 7 мм в диаметре) контроля глубины и твердости закаленно
го ТВЧ слоя боїсовьіх поверхностей выступов поводков электромаг
нитных муфт из стали 453;
Вихретоковый прибор ИТ-1 с накладным преобразователем чля локального (~ б мм в диаметре) контроля глубины азотированного слоя изделий из аустенитних сталей прошел производственные испытания на ПО "Звезда" (г.Санкт-Петербург) и рекомендован межотраслевым экспертным советом по содействию внедрения научно-технических достижений (Москва, ВШИ, 19Є? г.) для внедрения в отраслях промышленности.
. Основные положения выносимые на эа-диту.
1. Изученные закономерности изменения от температуры закалки и отпуска магнитных, электрически); и механических характеристик образцоп различной топтни из углеродистых сталей о оодерка-
ниєм углерода от 0,32 до 1.32Z.
-
Методика электромагнитного контроля качества среднотем-нературного отпуска "тонколистових" изделий ив углеродистых сталей при колебании содержания углерода в них порядка 0.2Х.
-
Способ неразрушающего определения содержания углерода в контролируемых "тонколистових" термически обработанных ивделиях из углеродистых сталей с погрешностью сравнимой с погрешностью разрушающего метода.
Б..Методика неразрушашего локального (пятно контроля ~ 7 ш в диаметре) контроля глубины и твердости закаленных ТВЧ слоев игделий из углеродистых сталей с использованием накладных вихре-токовых преобразователей с сердечником броневого тина.
6. Установленные особенности изменения содержания ферромагнитной а-фаоы, образующейсл в поверхностной еоно азотированного слоя изделий ив слабомагнитных аустенитных сталей, с глубиной азотированного слоя и методика неразрушающего определения \дуби-ны слоя с использованием накладных вихретокоьых прсобравовате-лей.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы доложены на 10ой Международной іаднференшіи по нераэрушшцим методам контроля (Москва, 1082), на Всесоюзной межвузовски конференции (Омок, 1983), на'Межотраслевом экспертном совете по содействии внедрения научно-технических достижений (Москва, ВИМИ. ГІ37), на 12ой Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие фиэичес te методы контроля" (Свердловск. 1900), на Уральской региональной научно-технической конференции "Современные методи прразрушаэдего контроля" (Свердловск, 1991), на Уральской региональной научно-технической конференции "Современные методы неразруш&ощего контроля" (Челябинск, 1903).
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пнти глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложений. Она изложена на ^ОЗстраницах. включая 66 рисунков и 17- таблиц, список литературы состоит из 1^5 наименовании.
