Оценка магнитных свойств изделий с поверхностным упрочнением

ОЦЕНКА МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ С ПОВЕРХНОСТНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ

ASSESSMENT OF MAGNETIC PRODUCTS SURFACE HARDENING

Власовец В.М. (ХНТУСХ , г.Харьков, Украина)

Vlasovets V.М. (KHNTUA, Kharkov, Ukraine)

Обобщены зависимости по оценке поверхностной твёрдости упрочнённого токами высокой частоты рабочего слоя изделий магнитным методом

Generalize based on the evaluation of the surface hardness of the hardened high-frequency current working layer of magnetic products

Ключевые слова: твёрдость, рабочий слой, коэрцитивная сила

Keywords: hardness, working layer, coercitive force

Введение. Наиболее распространённым способом поверхностного упрочнения является закалка токами высокой частоты, при которой неравномерное проникновение электромагнитного поля в металл приводит к неравномерному нагреву изделия по сечению. Одним из важных параметров такого слоя является его глубина. В зарубежной литературе глубина закаленного слоя определяется [1] как кратчайшее расстояние от поверхности до участка, на котором твёрдость отличается от твёрдости сердцевины на 1/е часть разности значений твёрдости на поверхности и в сердцевине. Согласно международному стандарту ISO 3754 под эффективной глубиной закалки при индукционном нагреве понимается расстояние между поверхностью изделия и слоем, в котором твёрдость, по Виккерсу (HV), под нагрузкой 9,8 Н равна пределу текучести (0,8 минимальной поверхностной твёрдости HV). Довольно распространённым способом определения глубины упрочнённого слоя является металлографический, когда расстояние отсчитывается от поверхности до участков с 50%-ной структурой мартенсита в переходном слое [2]. Поскольку для различных сталей известна твёрдость изделий, имеющих в структуре 50% мартенсита, то, используя эти данные, можно определять глубину закалённого слоя, исходя из измерений твёрдости по сечению упрочнённой детали. Для оценки твёрдости таких слоёв целесообразно использовать структурночувствительный неразрушающий метод – коэрцитивную силу (Н_с).

Цель и постановка задачи. Цель исследований – обобщить зависимости по оценке поверхностной твёрдости упрочнённого токами высокой частоты рабочего слоя изделий магнитным методом.

Материал и методики исследований. В качестве объекта исследований были отобраны 32 коленчатых вала двигателя СМД-60, изготовленных из стали 45 и закалённых токами высокой частоты.

Для определения глубины закалки изготовили по два образца с концентрацией углерода на нижнем и верхнем пределах марочного состава 0,42% и 0,50% соответственно. Прокаливаемость определяли методом торцевой закалки, ГОСТ 5657.

Образцы закалили от температуры 840°С, прошлифовали с двух противоположных сторон по длине на глубину 0,5 мм. Твёрдость определяли от охлаждаемого торца: 12 замеров через 1,5 мм, остальные – через 3 мм. Испытаниям подвергли образцы, вырезанные из проката Ø60, 70 и 125 мм стали 45.

Кривые прокаливаемости, построенные по усреднённым значениям двух образцов для каждого диаметра проката, укладываются в марочную полосу прокаливаемости стали 45 (ГОСТ 1050).

Измерения коэрцитивной силы в условиях производства проводили с помощью переносных приборов КРМ-Ц с двумя типами накладных преобразователей и 6 видами полюсных наконечников, предназначенных для оценки изделий отличающихся размерами, формой, наличием градиента изменения свойств по глубине (табл. 1).

Таблица 1 – Типы используемых полюсных наконечников различных датчиков

Условное обозначение	Геометрический параметр			Тип полюсного наконечника	Условное обозначение	Геометрический параметр			Тип полюсного наконечника
Условное обозначение	толщина, а, мм	ширина, b, мм	Площадь поперечного сечения, S_эл, мм²	Тип полюсного наконечника	Условное обозначение	толщина, а, мм	ширина, b, мм	Площадь поперечного сечения, S_эл, мм²	Тип полюсного наконечника
Б00¹	12	27	324		Б04	12	27	324
Б01	12	27	324		Б05	12	27	324
Б02	4	27	108		М00	5	27	135
Б03²	5	27	135		М01	22	26	572

Примечание: 1 – тип полюсного наконечника аналогичен стандартному накладному преобразователю коэрцитиметра; 2 – увеличено расстояние от катушек до детали, более узкое расстояние между щупами, чем Б02

Результаты эксперимента и их обсуждение. Проведённые исследования с одно- и двухслойными изделиями позволили выявить ряд закономерностей. С увеличением толщины однородного по структуре (однослойного) изделия величина размагничивающего тока, измеряемого электромагнитом, убывает до определенного значения толщины h = h_м. Величина h_м является минимальной толщиной промагничивания однородного по структуре изделия. Дальнейшее увеличение толщины однородного по структуре изделия (h ≥ h_м) не влияет на показания коэрцитиметра, и величина размагничивающего тока не меняется. С помощью восьми полюсных наконечников, двух типов накладных преобразователей КРМ–Ц–1 и КРМ–Ц–2, на закалённых образцах прямоугольной формы с меняющейся толщиной от 1 до 40 мм из заэвтектоидного сплава с 1,05% С и коэрцитивной силой 38 А/см установлено, что величина h_м зависит от сечения полюса электромагнита и выражается зависимостью , что совпадает с результатами аналогичных исследований других авторов [3].

По результатам проведённых экспериментальных исследований на поверхностно закалённых изделиях и данных априорной информации [4], установлены зависимости показаний коэрцитиметров для четырёх основных участков (табл. 2, рис. 1).

Параметры электромагнита, соответствующие участку I, могут быть использованы, когда контролю подвергают сердцевину изделия и пренебрегают свойствами тонкого поверхностного слоя, например, при обезуглероживании. Условия, соответствующие участку II, используются при контроле толщины поверхностного упрочнённого слоя, если её величина изменяется в известных пределах от h_н до h_к. Параметры электромагнита, соответствующие участку IV, используют для контроля свойств однородных упрочнённых слоёв большой толщины. В случае, если параметры электромагнита соответствуют участку III, необходимо учитывать H_c как упрочнённого слоя, так и сердцевины, а также его толщину. В таком случае зачастую дополнительно используют накладной преобразователь с малым сечением полюса, соответствующий участку IV.

Пользуясь зависимостями (см.табл. 2), можно подобрать необходимое сечение приставного электромагнита для оценки глубины закалённого слоя контролируемого изделия.

Зависимость размагничивающего тока от толщины изделий в интервале h_н < h < h_к близка к линейной, и эту часть кривой можно выразить аналитически, т. е. коэрцитиметр будет выступать как толщинометр, и его шкалу можно непосредственно проградуировать в единицах толщины.

Для используемых накладных преобразователей в зависимости от сечения электромагнитных полюсов определены основные участки, влияющие на уровень H_c (см. рис. 1). Для полюсных наконечников с сечением 324 мм² и 108–135 мм² участок I (см.табл. 2) имеет протяженность 0,5 и 0,3 мм соответственно.

На участке ІІ показания коэрцитиметра зависят от H_c и толщины закаленного слоя, а также H_c сердцевины. На участке ІІІ показания коэрцитиметра определяются главным образом H_c закаленного слоя и слабо зависят от изменения его толщины и свойств сердцевины. На IV участке показания зависят только от H_c закаленного слоя. Поэтому при измерениях H_c изделий, подвергнутых закалке, учитывали, что в контролируемую зону для полюсных наконечников сечением 324 мм² (Б00, Б01, Б04, Б05, магнитный анализатор) попадают участки до глубины 36 мм со структурой мартенсита (50–58 HRC), троосто-мартенсита (40–50 HRC), троостита (23–40 HRC), феррито-перлитной смеси (до 250 HB), а для наконечников с сечением 108–135 мм² (Б02, Б03, М00) до глубины 21–23 мм. Интенсивное снижение твердости, наблюдаемое на расстоянии 2–7 мм от охлаждаемого торца соответствует II участку всех типов щупов, поэтому глубина и однородность закаленного слоя, зависящая от качества и постоянства процесса термической обработки, влияет на уровень H_c.

Таблица 2 – Зависимость показателей коэрцитиметров от глубины упрочнённого слоя

Участок №	Протяженность упрочненной зоны и формула расчета¹	Краткое описание показаний коэрцитиметра на оцениваемом участке
1	от 0 до	Практически постоянны и зависят главным образом от H_c неупрочненной сердцевины (h_н – начальная величина поверхностного слоя, начиная с которой показания коэрцитиметра заметно увеличиваются с ростом толщины упрочненного слоя)
2	от h_н до	Показания зависят от H_c упрочненного слоя, его толщины, и от H_c сердцевины (h_k – предельная контролируемая толщина упрочненного слоя)
3	от h_k до	Показания определяются главным образом H_c упрочненного слоя и слабо зависят от изменения его толщины и свойств сердцевины
4	h ≥ h_м	Показания зависят только от H_c закаленного слоя и не зависят от магнитных свойств сердцевины

Примечание: Экспериментально подтверждена близость значений коэффициентов в формулах расчёта для коэрцитиметра КРМЦ и известных данных для КИФМ [4]

Рисунок 1 – Кривые прокаливаемости исследуемых образцов, вырезанных из проката стали 45 различного диаметра при оценке Н_с: h_M₁ – полюсный наконечник сечением 324 мм²; h_M₂ – полюсные наконечники 108–135 мм²

Для оценки твёрдости закалённого слоя по уровню Н_с в таких условиях необходимы магнитные параметры соответствующие мартенситной структуре закалённого слоя, сердцевины изделия и усреднённый показатель соответствующий участку II, полученный непосредственным измерением коэрцитивной силы на изделии. При наличии трёх измеренных параметров предложено выражение для определения твёрдости поверхностно упрочнённого слоя изделия:

(1)

где – размагничивающий ток коэрцитиметра, получаемый при контроле упрочнённой части изделия приставным электромагнитом с малым сечением полюса; а₀, а₁, а₂, а₃ – эмпирические коэффициенты.

На основании оценки 32 коленчатых валов двигателей СМД–60, изготовленных из стали 45 и закаленных токами высокой частоты, для оценки поверхностной твердости шеек предложена следующая аналитическая зависимость:

, (2)

где показания коэрцитивной силы соответствуют: H_сш. – измеренным непосредственно на шейке, А/см; Н_{сзак.сл.} – закаленному слою, А/см (29–30 А/см) получены при закалке специально подготовленных образцов с S_и = S_эл); H_сисх. ‑ исходной структуре, соответствующей сердцевине вала (6,5–7,4 А/см). Оценка глубины закаленного слоя (h_зак.сл.) возможна, если правильно подобрана необходимая площадь поперечного сечения полюса электромагнита и соблюдено условие (0,03<h_зак.сл.<0,6).

Выводы. Обобщены зависимости, позволяющие выбирать необходимую площадь полюсов накладного преобразователя прибора неразрушающего контроля, при известных толщинах упрочненных слоев. На примере шеек коленчатых валов двигателя СМД–60 с переменной толщиной закаленного слоя установлена аналитическая зависимость для оценки поверхностной твердости.

Список использованных источников

1. Chattopadhyay R. Advanced Thermally Assisted Surface Engineering Processes. / R. Chattopadhyay. – Berkeley: Springer, 2004. – 374 p.

2. Малинина Р.И. Практическая металлография. / Р.И. Малинина, Е.С. Малютина, В.Ю. Новиков – М: Интермет Инжиниринг, 2004. – 233 с.

3. Михеев М.Н. Определение размеров приставного электромагнита, предназначенного для неразрушающего контроля глубины и твердости поверхностно-упрочненных слоев. / М.Н. Михеев, Г.В. Бида, В.Н. Костин // Дефектоскопия. – 1984. – № 8. – С. 10–16.

4. Щербинин В. Е. Магнитный контроль качества металлов. / В. Е. Щербинин, Э. С. Горкунов – Екатеринбург: УрО РАН, 1996. – 263 с.