Применимые образцы и цели
Процесс применим к определению поверхностного обезуглероживания горячекатаных, кованых или термообработанных стальных деталей: пружинные, подшипниковые, инструментальные стали, крепёж и т. п. Цель — измерить глубину полного обезуглероживания (зона чистого феррита) и общего обезуглероживания (полное плюс частичное, до уровня углерода сердцевины); результаты служат основанием приёмки и совершенствования технологии. Стандарт предусматривает два маршрута — металлографический и метод микротвёрдости; выбор зависит от состояния материала и остроты разногласий.
Полный процесс
Отбор и резка
Поперечное сечение вырезают перпендикулярно поверхности изделия; место отбора — вдали от острых углов и зон повреждения от обработки. Режут прецизионным отрезным станком с малой подачей и обильным охлаждением, чтобы тепло резки не повлияло на поверхностную структуру.
Запрессовка
Обезуглероженный слой находится на самой поверхности, поэтому защита кромки — суть измерения: используют низкоусадочный материал холодной запрессовки, при необходимости металлическое защитное кольцо или зажим нескольких образцов, чтобы после шлифовки и полировки кромка осталась прямолинейной.
Шлифовка и полировка
SiC-бумагами шлифуют ступенчато от P240 до P2000, на каждом шаге поворачивая образец на 90° и всё время не допуская скругления кромки; затем полируют алмазом 3 мкм и 1 мкм до зеркальной поверхности. Направление шлифовки полезно чередовать относительно кромки, чтобы вовремя заметить и исправить её скругление.
Травление (металлографический метод)
Травление 4% ниталом: зона полного обезуглероживания выглядит белым ферритом, к сердцевине перлит постепенно увеличивается, переходная зона видна отчётливо.
Измерение в металлографическом микроскопе (металлографический метод)
Наблюдают при 100× и измеряют глубину полного и общего обезуглероживания: сначала глубину чисто ферритной белой зоны, затем глубину до места, где структура совпадает со структурой сердцевины. Обычно измеряют не менее 5 равномерно распределённых положений; по стандарту на изделие за результат принимают максимальное или среднее значение.
Измерение градиента микротвёрдости (метод твёрдости)
Для материалов в закалённом состоянии или с малозаметным изменением структуры на нетравленой полированной поверхности наносят ряды виккерсовских отпечатков перпендикулярно поверхности (обычно 1 кгс, для тонких слоёв 0.5 кгс) с шагом около 0.1 мм; за глубину обезуглероживания принимают положение, где твёрдость восстанавливается до устойчивого значения сердцевины (или до нормированного предела).
Обработка данных и заключение
При расхождении результатов двух методов арбитражный метод согласовывают по правилам стандарта; в отчёте указывают применённый метод, число измерительных положений и предельный уровень.
Сравнение применимости двух методов:
| Параметр сравнения | Металлографический метод | Метод микротвёрдости |
|---|---|---|
| Принцип | граница по различию структуры после травления (доля феррита) | граница по точке восстановления на кривой «твёрдость — глубина» |
| Применимое состояние материала | стали с контрастной структурой: отожжённые, горячекатаные и т. п. | закалённые, улучшенные и стали с малозаметным изменением структуры |
| Преимущества | наглядно, быстро, недорого | не зависит от качества проявления структуры, отражает градиент обезуглероживания |
| Ограничения | в закалённом состоянии контраст структуры слаб, граница субъективна | поэтапное измерение точек, дольше по времени, зависит от качества кромки |
| Форма результата | глубина полного/общего обезуглероживания (мм) | глубина до точки с предельной твёрдостью (мм) |
Ключевые контрольные точки
- Скругление кромки — главный источник погрешности: слой полного обезуглероживания часто тоньше 0.1 мм, и скругление искажает значения или ведёт к пропуску слоя.
- Сечение должно быть перпендикулярно поверхности; наклон завышает результат.
- Металлографические измерения выполняйте вдали от поверхностных царапин, закатов и загрязнённых участков.
- Первая точка метода твёрдости — не далее 0.05~0.1 мм от поверхности; при тонком слое уменьшайте шаг и нагрузку.
- При совместном применении сначала отпечатки твёрдости, затем травление — так травление не испортит отпечатки.
- Максимальное или среднее значение принимать за результат — оговаривайте заранее по стандарту на изделие.
Типичные отклонения и меры
- Из-за скругления кромки приповерхностные данные отсутствуют: запрессуйте заново с усиленной защитой и перешлифуйте.
- Недотравление размывает границу зон полного и частичного обезуглероживания: переполируйте и умеренно увеличьте время травления.
- Сильный разброс кривой твёрдости: проверьте качество поверхности и стабильность нагрузки, увеличьте число рядов.
- Неравномерное обезуглероживание (где-то глубже, где-то мельче): добавьте измерительных положений, за результат принимайте наибольшую глубину и опишите распределение.
- Ошибки из-за науглероживания поверхности: оценивайте в комплексе с твёрдостью и структурой сердцевины, при необходимости — анализ содержания углерода.
Ссылочные стандарты
- GB/T 224 Сталь. Метод определения глубины обезуглероженного слоя
- ISO 3887 Сталь. Определение глубины обезуглероживания
- ASTM E1077 Стандартные методы определения глубины обезуглероживания стальных деталей
- GB/T 4340.1 Металлические материалы. Определение твёрдости по Виккерсу. Часть 1. Метод испытания
Выше приведён пример методики для обсуждения метода и технологической проработки, а не фактические данные заказчика; конкретный план контроля, места отбора и предельные значения определяются по оценке образца и согласованным сторонами регламентам.
Учебные материалы MICROCRE · режим уточняйте по оценке образца и регламенту работ.