Виды брака. Контроль качества термической обработки. Способы предупреждения и устранения брака.

Дефекты при предварительной термической обработке.

При нормализации стали могут появиться исправимые и неисправимые дефекты, наиболее распространенными из которых являются:

1. Окисление (окалинообразование) и обезуглероживание,

2. Недогрев, перегрев и пережог стали. При нагреве в пламенных печах поверхность стальных деталей взаимодействует с печными газами. В результате металл окисляется и на деталях образуется окалина — химическое соединение металла с кислородом. С повышени­ем температуры и увеличением времени выдержки окисление резко возрастает. Образование окалины не только вызывает угар (потерю) металла на окалину, но и повреждает поверхность в деталей. Поверхность стали под окалиной получается разъеденной и неровной, что затрудняет и обработку металла режущим инструментом. Окалину с поверхности деталей удаляют травлением в растворе серной кислоты в воде, очисткой в дробеструйных установках.

Обезуглероживание, т. е. выгорание углерода с поверхности деталей, происходит при окислении стали. Обезуглероживание резко снижает прочностные свойства конструкционной стали. Кроме того, обезуглероживание поверхно­сти может вызвать образование закалочных тре­щин и коробление (поводку детали).Для предохранения деталей от окисления, а следовательно, и от обезуглероживания при нормализации и закалке применяют безокислительные (защитные) газы, которые вво­дят в рабочее пространство печи.

При слишком высокой температуре нормализации, а также при очень длительной выдержке в области высоких температур можно получить перегрев стали, который выражается в росте зерна и образовании крупнокристаллического излома. Перегретая сталь имеет низкие механические свойства (низкую прочность и вязкость) и большую склонность к закалочным трещинам при последующей закалке. Перегрев стали можно исправить правильным отжигом или нормализацией. При длительном нагреве стали в области высокой температуры в окислительной среде наступает пережог стали, который выражается в оплавлении поверхности стальных изделий и окислении металла по границам зерен. Пережженную сталь исправить термической обработкой невозможно.

Дефекты при закалке стали.

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

Закалочные трещины - это неиспра­вимый брак, образующийся в процессе термиче­ской обработки. Они являются следствием воз­никновения больших внутренних напряжений. В штампах крупных размеров закалочные трещи­ны могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому штампы целесообразно охлаждать до 150 - 200°С с быстрым последующим отпуском. Закалочные трещины, обычно расположен­ные в углах деталей или инструмента, имеют дугообразный или извилистый вид. Трещины возникают при неправильном на­греве (перегреве) и большой скорости охлаж­дения в деталях, конструкция которых имеет резкие переходы поверхностей, грубые риски, оставшиеся после механической обработки, ост­рые углы, тонкие стенки и т д.

Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномер-

ных структурных и связанных с ними объемных пре­вращений, обусловливающих возникновение внутренних напряжений в металле при нагреве и охлаждении.

Внутренние напряжения при закалке стали возникают вследствие неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины (эти напряжения называют тепловыми), увеличения объема и неоднородности протекания мартенситного превращения по объему изделия. Напряжения, вызываемые этим превращением, называют структурными (или фазовыми). Неодинаковое распределение температур по сечению изделия при быстром охлаждении сопровождается и неравномерным изменением объема. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние. Однако сжатию поверхностных слоев препятствуют внутренние слои. Это приводит к тому, что в поверхностных слоях образуются временные растягивающие, а во внутренних слоях сжимающие напряжения. После того как поверхность охладителя и изменение объема прекратится, сердцевина еще будет испытывать тепловое сжатие. Вследствие этого напряжения начнут уменьшаться и в некоторый момент произойдет изменение знака напряжений на поверхности и в сердцевине. После окончательного охлаждения на поверхности получаются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине – растяжения (рисунок 9, а). Появление остаточных напряжений является результатом того, что временные напряжения вызывают не только упругую, но также в той или иной степени неодновременную и неодинаковую пластическую деформацию

Рисунок 9 – Эпюры остаточных напряжений: а – тепловых, б – структурных, в – суммарных.

по сечению. Рассмотрим теперь условия образования структурных напряжений при полной прокаливаемости. При этом тепловые напряжения условно учитываться не будут. По достижении при закалке температур ниже точки Мн

мартенсит в первую очередь образуется на поверхности, где точка М_н будет достигнута раньше, чем в сердцевине. Так как превращение аустенит → мартенсит сопровождается увеличением объема, то это приводит к образованию на поверхности временных сжимающих напряжений, а во внутренних слоях – растягивающих. По мере развития превращения знак напряжений на поверхности и в сердцевине меняется.

Структурные напряжения относительно тепловых изменяются в обратном порядке. В результате образуются остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине – сжатия (рисунок 9, б). Эти остаточные напряжения так же, как и тепловые, возникают в результате появления под действием временных напряжений не только упругой, но и неодинаковой по сечению остаточной деформации.

При закалке стали одновременно возникают как тепловые, так и структурные напряжения, которые суммируются (рисунок 9, в). В данной схеме тепловые напряжения превышают структурные, поэтому на поверхности образовались сжимающие напряжения. Однако в зависимости от соотношения между тепловыми и структурными напряжениями могут получиться различные эпюры суммарных напряжений, а в поверхностных слоях напряжения могут иметь разный знак и различную величину. Во многих случаях величина фазовых напряжений больше, чем тепловых.

Остаточные напряжения, полученные после закалки, не характеризуют напряжения, возникающие при охлаждении (нагреве) стали. Остаточные напряжения всегда меньше временных напряжений, образовавшихся в процессе охлаждения. Если величина напряжений превышает сопротивление отрыву и металл мало пластичен, то напряжения не могут быть уменьшены пластической деформацией. В такой ситуации образуются трещины. Наиболее опасны при этом растягивающие напряжения на поверхности, которые, способствуя образованию трещин, снижают предел выносливости стали.

Растягивающие напряжения возникают в основном вследствие структурных напряжений, которые стараются уменьшить. Структурные напряжения тем больше: чем выше температура закалки и скорость охлаждения в интервале температур М_н и М_к. Для снижения структурных напряжений скорость охлаждения ниже М_н нужно замедлять и избегать перегрева стали.

При погружении деталей и инструмента в закалочную среду надо учитывать их форму и размеры. Детали, имеющие толстые и тонкие части, погружают в закалочную среду сначала толстой частью, длинные детали (штоки, про­тяжки, сверла, метчики и т. д.) опускают в стро­го вертикальном положении, а тонкие плоские (диски, отрезные фрезы, пластинки и др.) — ребром.

Таблица 4 - Виды брака, его причин возникновения и меры предупреждения.

Вид брака	Причина	Меры предупреждения
Внешние и внутренние трещины (разрывы металла)	Неправильный выбор закалочной среды Несвоевременный отпуск Недостаточная защита опасных мест при закалке изделия с различным сечением и сложной конфигурацией Нерациональная конструкция изделий (резкие переходы, острые углы)	Соблюдение технологического процесса Сокращение промежутка времени между закалкой и отпуском Изолирование асбестом отверстий у краев и уменьшение или ликвидация резких переходов При конструировании изделий избегать острых углов и резких переходов
Сильное окисление (значительный слой окалины на поверхности детали)	Нагрев в окислительной атмосфере Завышенное время выдержки при нагреве	Проведение нагрева в контролируемой атмосфере Соблюдение технологического процесса
Обезуглероживание (выгорание углерода с поверхности)	Завышенное время выдержки при нагреве	Соблюдение технологического процесса
Оплавление	Слишком высокая температура нагрева и завышенное время выдержки при нагреве Неисправность оборудования, нагревательных и регулирующих устройств Неправильная укладка изделий в печи (близко к нагревателям)	Соблюдение технологического процесса   Ремонт оборудования     Не располагать изделия близко к спиралям или электродам (в соляной ванне)
Крупнозернистая микроструктура	Перегрев выше заданной температуры и завышенное время выдержки Неисправность оборудования, нагревательных и регулирующих устройств	Соблюдение технологического процесса   Ремонт оборудования
Оплавление поверхност­ного слоя при нагреве т. в. ч	Завышенное время вы­держки при нагреве. Слиш­ком высокая темпера­тура нагрева	Соблюдение технологи­ческого процесса

Контроль качества термической обработки.

Вцикле производственного процесса изготовления деталей термическая обработка часто является последней опера­цией, меняющей качество выпускаемой продукции, поэтому организация надлежащего контроля качества продукции в термическом цехе имеет важное значение. Разработан ряд комплексных систем организации управления качеством продукции, связывающих технические и эконо­мические мероприятия (ГОСТ 15.895—77). При их внедре­нии значительно сокращаются потери от брака, повышает­ся качество продукции, увеличивается количество изделий, аттестуемых знаком качества, снижается стоимость обра­батываемых изделий. Основными документами управления качеством являются требования ГОСТ, ОСТ, а для новых видов продукции, на которые нет стандартов, — техниче­ские условия (ТУ), заключаемые между поставщиком и потребителем. С целью повышения качества выпускаемой продукции и усиления ее конкурентоспособности на международном рынке вводится Государственная приемка про­дукции. В термическом цехе осуществляется текущий контроль качества продукции, который сводится к определению твер­дости, структуры и обнаружению наружных и внутренних дефектов. Проверка механических свойств деталей, техно­логических свойств сплавов, химический и подробный металлографический контроль сосредотачиваются в централь­ной заводской лаборатории (ЦЗЛ).

Наибольшее применение получили методы измерения твердости путем вдавливания более твердых тел, заключающиеся во вдавливании под большой нагрузкой стакана из более твердого материала. Геометрические характеристики отпечатка (площадь, глубина) и используемая нагрузка являются исходными для определения твердости металлов.

Измерение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-73) заключается во вдавливании в испытываемый образец индентора в виде стального шарика определенного диаметра под действием заданной нагрузки Р в течение определенного времени, получении отпечатка диаметром и определении значения твердости НВ, как отношения приложенной нагрузки Р,Н, к площади сферической поверхности (шарового сегмента) отпечатка.

Для измерения твердости по Бринеллю применяют специальные приборы: прессы электромеханического и гидравлического действия.

Измерение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) заключается во вдавливании в испытываемый образец индентора в виде алмазного (твердосплавного) конуса или стального шарика диаметром 1,588 мм под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок - предварительной и основной.

Измерение твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) заключается во вдавливании в испытываемый образец индентора в виде четырехгран­ной алмазной пирамиды с углом U = 136° при вершине между противо­положными гранями под действием нагрузки Р в течение определенного времени (обычно 10-15 с для черных и 30с для цветных металлов), получении четырехгранного отпечатка и определении значения твер­дости HV, как отношения приложенной нагрузки Р, Н к площади пор­ченного отпечатка F, мм. Для измерения твердос­ти по Виккерсу применяют спе­циальные приборы – прессы электромеханического и гидравлического действия.

Визуальный метод контроля. Глаз человека исторически являлся основным контрольным прибором в дефектоскопии. Глазом контролируют исходные мате­риалы, полуфабрикаты, готовую продукцию, обнаруживают откло­нения формы и размеров, изъяны поверхности и другие дефекты. В процессе производства и эксплуатации такие дефекты как: остаточную деформацию, пористость поверхности, крупные трещины, подрезы, риски, надиры, следы наклёпа, раковины и т.д.

Для расширения возможностей глаза используют оптические приборы. Они увеличивают угловой размер объекта, при этом острота зрения и разрешающая способность глаза увеличиваются примерно во столько же раз, во сколько увеличивает оптический прибор. Это позволяет увидеть мелкие дефекты, невидимые невооружённым взглядом, или их детали. Однако при этом существенно сокращается поле зрения и глубина резкости, поэтому обычно используются оптические приборы с увеличением не более 20-30.

Визуальный контроль с использованием оптических прибо­ров называют визуально-оптическим.

Визуально-оптический контроль и визуальный осмотр- наи­более доступный и простой метод обнаружения поверхностных дефектов деталей.

Одним из распространенных является капиллярный метод. Этот метод неразрушающего контроля основан на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей (пенетрантов) в полости поверхностных и сквозных несплошностей материала объектов контроля и регистрации образующихся индикаторных следов визу­альным способом или с помощью преобразователя.

Капиллярный НК предназначен для обнаружения невидимых или слабовидимых невооруженным глазом поверхностных и сквозных дефектов в объектах контро­ля, определения их расположения, протяженности (для дефектов типа трещин) и ориентации по поверхности.

Этот вид контроля позволяет диагностировать объ­екты любых размеров и форм, изготовленные из черных и цветных металлов и сплавов, пластмасс, стекла, кера­мики, а также других твердых неферромагнитных мате­риалов.

Капилляр, выходящий на поверхность объекта кон­троля только с одной стороны, называют поверхностной несплошностью, а соединяющий противоположные стенки объекта контроля, - сквозной. Если поверхностная и сквозная несплошности являются дефектами, то допус­кается применять

вместо них термины «поверхностный дефект» и «сквозной дефект».

Необходимым условием надежного выявления ка­пиллярным методом дефектов, имеющих выход на по­верхность объекта, является относительная их незагряз­ненность посторонними веществами, а также глубина распространения, значительно превышающая ширину их раскрытия (минимум 10/1).

Капиллярные методы подразделяют на основные, использующие капиллярные явления, и комбинированные.

Основные капиллярные методы контроля подразде­ляют в зависимости от типа проникающего вещества на следующие:

1. Метод проникающих растворов - жидкостный метод капиллярного неразрушающего контроля, осно­ванный на использовании в качестве проникающего ве­щества жидкого индикаторного раствора.

2. Метод фильтрующихся суспензий - жидкост­ный метод капиллярного неразрушающего контроля, ос­нованный на использовании в качестве жидкого прони­кающего вещества индикаторной суспензии, которая об­разует индикаторный рисунок из отфильтрованных час­тиц дисперсной фазы.

Капиллярные методы в зависимости от способа вы­явления индикаторного рисунка подразделяют на:

• люминесцентный, основанный на регистрации контраста люминесцирующего в длинноволновом ульт­рафиолетовом излучении видимого индикаторного ри­сунка на фоне поверхности объекта контроля;

• контрастный (цветной), основанный на регист­рации контраста цветного в видимом излучении индика­торного рисунка на фоне поверхности объекта контроля;

• люминесцентно-цветной, основанный на реги­страции контраста цветного или люминесцирующего индикаторного рисунка на фоне поверхности объекта контроля в видимом или длинноволновом ультрафиоле­товом излучении;

• яркостный, основанный на регистрации контра­ста в видимом излучении ахроматического рисунка на фоне поверхности объекта контроля.

В силу сложности реализации, высокой стоимости материалов, в ряде случаев - опасности материалов для здоровья персонала (методы с использованием ионизи­рующего излучения), вышеописанные комбинированные методы не нашли широкого применения в промышлен­ности и в основном известны как экспериментальные.