Полный процесс определения эффективной глубины упрочнённого слоя цементированных и закалённых деталей

Применимые образцы и цели

Процесс применим к цементированным (или карбонитрированным) и закалённым деталям — зубчатым колёсам, валам, осям и т. п.; типичные материалы — низкоуглеродистые легированные стали, такие как 20CrMnTi и 20CrMo. Цель — определить расстояние, отсчитанное перпендикулярно поверхности до точки с нормированной предельной твёрдостью, то есть эффективную глубину упрочнённого слоя (CHD), и одновременно подтвердить микроструктуру поверхностного слоя и сердцевины, что служит основанием для оценки технологии термической обработки и приёмки по качеству.

Основной метод — градиент твёрдости, вспомогательный — наблюдение микроструктуры: металлографический метод нагляден, но зависит от состава сердцевины и используется лишь как справочная проверка; метод твёрдости с нормированным пределом является базовым по стандарту.

Полный процесс

1. Отбор образцов и резка

   Сечение вырезают перпендикулярно поверхности упрочнённого слоя на зубьях или представительном участке. Используют прецизионный отрезной станок с алмазным или смоляным отрезным диском, малую подачу и обильное охлаждение, чтобы тепло резки не отпустило структуру поверхностного слоя и не занизило твёрдость.

2. Запрессовка

   Для защиты кромки применяют холодную запрессовку (низкоусадочной эпоксидной смолой); при необходимости в смолу добавляют наполнитель или устанавливают защитную оснастку кромки, чтобы при шлифовке и полировке кромка не скруглялась и приповерхностные точки измерения не терялись и не занижались.

3. Шлифовка и полировка

   Водостойкими SiC-бумагами шлифуют ступенчато от P240 до P2000 (при хорошем исходном состоянии поверхности можно начинать с P400), на каждом шаге поворачивая образец на 90° и тщательно очищая его; затем полируют алмазной суспензией 3 мкм и 1 мкм, при необходимости финишная полировка 0.05 мкм коллоидным кремнезёмом, до поверхности без царапин и затянутости.

4. Травление

   Травление 4% ниталом в течение нескольких — до десятка — секунд, пока поверхностный слой не станет равномерно тёмным. Травление служит для наблюдения и оценки структуры; можно также сначала выполнить измерения твёрдости на той же полированной поверхности, а затем протравить её для подтверждения структуры.

5. Наблюдение в металлографическом микроскопе

   При увеличении 100×~500× наблюдают форму мартенсита и остаточного аустенита в поверхностном слое, распределение карбидов и структуру сердцевины; по применимым требованиям оценки подтверждают качество закалки и фиксируют примерное положение переходной зоны структуры — это помогает интерпретировать кривую твёрдости.

6. Измерение градиента микротвёрдости

   По GB/T 9450 микротвердомером наносят ряды отпечатков в направлении, перпендикулярном поверхности; нагрузка 1 кгс (для тонких слоёв или более высокого разрешения — 0.5 кгс), шаг между соседними отпечатками по глубине 0.1 мм, первый отпечаток — примерно в 0.05 мм от поверхности. Обычно делают 2~3 ряда и усредняют значения по глубинам.

7. Обработка данных и заключение

   Строят кривую «твёрдость — глубина»; по пределу 550 HV1 интерполяцией находят глубину, на которой твёрдость снижается до предельного значения, — это и есть эффективная глубина упрочнённого слоя. При повышенной твёрдости сердцевины применяют предусмотренное стандартом правило коррекции предела.

8. Регистрация и отчёт

   В отчёте указывают место отбора, нагрузку, шаг, число рядов, кривую «твёрдость — глубина», результат заключения и металлографические снимки.

Пример данных «твёрдость — глубина» (нагрузка 1 кгс, шаг 0.1 мм):

В примере твёрдость пересекает 550 HV между 0.9 и 1.1 мм; интерполяцией получена эффективная глубина упрочнённого слоя около 0.95 мм.

Различия металлографического метода и метода твёрдости

Металлографический метод определяет слой по положению перехода протравленного упрочнённого слоя (мартенситной зоны) в структуру сердцевины; он быстр, но зависит от содержания углерода в сердцевине и прокаливаемости, интерпретация субъективна — применяют в основном для мониторинга процесса и экспресс-оценки. Метод твёрдости использует объективный предельный уровень, хорошо воспроизводим и служит арбитражным при разногласиях между поставщиком и заказчиком. В повседневной работе рекомендуется сочетать оба: числа даёт метод твёрдости, происхождение структуры объясняет металлография.

Ключевые контрольные точки

• Сечение должно быть строго перпендикулярно поверхности упрочнённого слоя; наклон систематически завышает измеренную глубину.
• Резка, шлифовка и полировка — с обильным охлаждением, чтобы перегрев и отпуск не занижали приповерхностную твёрдость.
• Защита кромки обязательна: её скругление теряет данные важнейшего диапазона 0.1~0.3 мм.
• Расстояние между отпечатками — не менее 2.5 диагонали, чтобы наклёп не влиял на соседние отпечатки; отпечатки не должны попадать на дефекты или включения.
• Первый ряд отпечатков размещайте как можно ближе к поверхности, но вне зоны скругления; для тонких слоёв используйте 0.5 кгс и уменьшенный шаг.
• Твердомер регулярно проверяйте по эталонным мерам твёрдости; нагрузки 1 кгс и 0.5 кгс подтверждают раздельно.

Типичные отклонения и меры

• Аномально низкая твёрдость у поверхности: чаще всего скругление кромки или обезуглероживание; проверьте качество запрессовки и атмосферу термообработки, при необходимости отберите образец заново.
• Большое расхождение между соседними рядами: проверьте перпендикулярность сечения и параллельность подготовки; увеличьте число рядов и усредните.
• Металлографический слой заметно больше слоя по твёрдости: типично для материалов с высокой твёрдостью сердцевины; по стандарту приоритет у результата метода твёрдости.
• Неправильная форма отпечатков: следствие плохой полировки; повторите точную полировку и измерения.
• Перетравление скрывает структуру: сократите время травления или переполируйте и протравите заново.

Ссылочные стандарты

• GB/T 9450 Определение и контроль глубины упрочнённого слоя стальных деталей после цементации и закалки
• GB/T 4340.1 Металлические материалы. Определение твёрдости по Виккерсу. Часть 1. Метод испытания
• GB/T 13298 Методы металлографического исследования микроструктуры металлов
• ISO 2639 Сталь. Определение и контроль глубины упрочнённого слоя после цементации и закалки

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.