Неразрушающий контроль качества термообработки стали 4Х5МФС Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

УДК 620.179. 16; 669.017.53(075.8)

Белихов Александр Борисович

кандидат технических наук Костромской государственный университет им. Н. А. Некрасова

belikhov@gmail. com

Одинцов Алексей Владимирович

Костромской государственный университет им. Н. А. Некрасова

genphys@ksu.edu. ru

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ТЕРМООБРАБОТКИ СТАЛИ 4Х5МФС

Предложена методика контроля термической обработки штамповой инструментальной стали измерением токов размагничивания с применением двухканального коэрцитиметра МФ-72НК. Получена линейная зависимость разности токов первого и второго канала от твёрдости образцов. Точность контроля твердости составляет 1 HRC.

Ключевые слова: коэрцитиметр, токи размагничивания, твердость.

Сталь 4Х5МФС используется для производства поковок различных деталей общего машиностроения; пресс-форм для литья под давлением алюминиевых, цинковых и магниевых сплавов; мелких молотовых штампов; крупных (толщиной или диаметром более 200 мм) молотовых и прессовых вставок при горячем деформировании конструкционных сталей и цветных сплавов в условиях крупносерийного массового производства.

Характерной особенностью стали 4Х5МФС является комплексное легирование и склонность к дисперсионному твердению. Высокий уровень легирования благоприятно влияет на прочность, прокали-ваемость, теплостойкость стали и дает возможность использовать ее для инструментов, разогревающихся в процессе работы до 600оС. Дисперсионное твердение обеспечивает хорошие режущие свойства инструмента [2]. Структура и, соответственно, свойства стали могут меняться в зависимости от термической обработки в широких пределах, которые обеспечивают не только получение заданных свойств инструмента, но и дают определенный экономический эффект за счет снижения производственных затрат.

Для производства пресс-форм сталь подвергают закалке при температуре 1010±10оС с последующим высоким отпуском. В зависимости от требуемой твёрдости и прочности, температура отпуска может варьироваться в пределах от 500 до 560оС. Ввиду сильной чувствительности стали к режиму термической обработки, высока роль использования неразрушающего контроля на всех этапах термической обработки. Проведенные испытания по-

Химический состав <

зволили повысить достоверность неразрушающего контроля закалки и отпуска.

Данная сталь не относится к аустенитному классу, поэтому к ней применимы электромагнитные методы неразрушающего контроля, которые позволяют осуществлять контроль непосредственно в цехах термической обработки, не требуют специальной подготовки поверхности, а на показания приборов практически не влияют температура и влажность воздуха [5]. В силу данных особенностей, на практике себя положительно зарекомендовали ко-эрцитиметры [1; 4].

Целью данной работы является изыскание возможности электромагнитного контроля образцов из стали 4Х5МФС после ее термической обработки.

Использовались цилиндрические образцы диаметром 30 мм и высотой 20 мм (табл. 1). Выявление микроструктуры осуществлялось по стандартной методике с помощью реактива Курпатова (4%-ный раствор азотной кислоты в спирте). С помощью двухканального коэрцитиметра МФ-72НК измерялись токи размагничивания участка образца, предварительно намагниченного до насыщения. Двойной датчик коэрцитиметра МФ-72НК представляет собой конструкцию, сочетающую два электромагнита, большой и малый, причём магнитная цепь малого электромагнита находилась внутри большого. «Пятно контроля» большого (внешнего) электромагнита составляло около 5 см2, а малого (внутреннего) - около 1 см2 [3].

Токи размагничивания обоих электромагнитов коэрцитиметра измерялись встроенным миллиамперметром магнитоэлектрической системы класса

Таблица1

ш 4Х5МФС, % масс

С Si Mn Ni Cr Mo S P V Cu

0,32-0,4 0,9-1,2 0,2-0,5 до 0,35 4,5-5,5 1,2-1,5 до 0,03 до 0,03 0,3-0,5 до 0,03

© Белихов А.Б., Одинцов А.В., 2012

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 1, 2012

5

Рис. 1. Микроструктура стали: 4X5МФС после отжига. Увеличение: х500

точности 2,5 со стрелочным индикатором. Конструкция прибора позволяла подключать внешний микроамперметр параллельно встроенному.

После отжига от 1000°С и медленного охлаждения вместе с печью в образцах выявлена мелкодисперсная перлитная структура с равномерно распределёнными карбидами (см. рис. 1). Твердость образца составила 230 НУ, методом Роквелла по шкале НЯС такая величина не определяется.

Для предотвращения растрескивания крупногабаритных деталей закалку в производственных условиях обычно производят ступенчато. По такой же методике осуществлялась и закалка исследуемых образцов - нагревом в муфельной печи при температуре 1030°С в течение 15 минут, затем в соляном расплаве при температуре 730°С в течение 7 минут с последующим охлаждением в воде. В результате была получена мелкодисперсная мартенситная структура (см. рис. 2). При детальном рассмотрении выявляются границы первичного аустенитного зерна, на которых образуются более крупные мартен-ситные иглы. Твердость достигает 740 НУ (63 ЖС).

В результате последующего высокого отпуска формируется структура мартенсита отпуска. При этом исходные мартенситные иглы различимы, а относительно крупные карбидные выделения выявляются как стержни или пластины. Границы первичных зерен аустенита металлографически определяются по темным крупным карбидным выделениям (левая сторона микрофотографии).

Рис. 3. Микроструктура стали после закалки и отпуска. Увеличение: х1500

Рис. 2. Микроструктура стали: 4Х5МФС после закалки. Увеличение: х1500

Микроструктура исследуемой стали после закалки от 1030°С, отпуска при температуре 600°С в течение 2 ч и последующего охлаждения на воздухе представлена на рисунке 3. Твердость составила 350 НУ (39 ЖС).

Полученные результаты представлены в таблице 2 для различных режимов термической обработки (температура закалки T1 и температура отпуска ^). Ток размагничивания второго канала не учитывался, так как его значения находились на пределе чувствительности встроенного стрелочного миллиамперметра. Следует учесть также, что в термических цехах обычно используются одноканальные ко-эрцитиметры КИФМ-1 [2]. Обнаружена высокая корреляция между твердостью образцов и током размагничивания первого канала (внешний магни-топровод) с коэффициентом корреляции 97,3%. Практически это означает точность контроля с погрешностью до 4 НЯС, что в большинстве случаев приемлемо в условиях производства.

Точность коэрцитиметрического контроля удалось повысить при учете показаний второго канала коэцитиметра, измеренных внешним цифровым миллиамперметром СА3010/2-000. Обнаружена корреляция между разностным током первого и второго канала (/2 - /1) и твёрдостью с коэффициентом 99,2 %, выражаемая эмпирической формулой ЖС = 0,077 (I - /1) + 2,5, что на практике означает точность контроля твердости с погрешностью до 1 НЯС. Такая погрешность соответствует точности твердомера Роквелла [3].

Физически это может быть объяснено следующим образом. Совмещенный датчик с двумя каналами одинаково реагирует на несовершенства методики измерения (зазор между датчиком и образцом, наличие слоя окалины на образце и др.). Измерение «разностного тока» позволяет отстроиться от несовершенств данной методики.

Таким образом, показана возможность коэрци-тиметрического контроля термической обработки (закалки с отпуском) изделий из штамповой стали 4Х5МФС. Точность контроля составляет ± 1 ЖС или 2,5%. Метод неразрушающего контроля может использоваться для определения качества процесса

6

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 1, 2012

Таблица2

Условия обработки и результаты измерений твердости и тока размагничивания внешнего электромагнита 11

Температуры, °С икс /!= 34,07 ЖС-74,91 (аппроксимация) 11, мА (измеренное)

Ті Т2

1350 550 49 1595 1592

1350 550 50 1629 1635

1350 550 46 1492 1504

1350 550 47 1526 1532

1350 650 46 1492 1502

1350 650 47 1526 1530

1350 650 50 1629 1600

1350 600 51 1663 1667

1350 600 47 1526 1528

1350 600 46 1492 1500

1300 550 46 1492 1503

1300 550 47 1526 1533

1300 550 47 1526 1531

1300 550 48 1561 1570

1300 650 49 1595 1595

1300 650 48 1561 1573

1300 650 42 1356 1372

1300 600 44 1424 1389

1300 600 41 1322 1355

1300 600 42 1356 1368

1250 550 44 1424 1398

1250 550 45 1458 1440

1250 550 43 1390 1382

1250 550 44 1424 1402

1250 650 37 1186 1184

1250 650 36 1152 1156

1250 650 38 1220 1216

1250 600 40 1288 1280

1250 600 39 1254 1253

1250 600 40 1288 1285

термической обработки в инструментальном производстве, если объект контроля имеет участок плоской поверхности площадью не менее 1 см2, достаточный для размещения датчика. Номенклатура деталей, подлежащих коэрцитиметрическому контролю, может быть расширена за счет усовершенствования конструкции датчика.

Библиографический список

1. Ермолов И.Н., Фихман И.Д., Чернова В.С. Технико-экономическая эффективность применения неразрушающего контроля в промышленности. -М.: Машиностроение, 1974. - 160 с.

2. Зубченко А. С. Марочник сталей и сплавов. -М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.

3. Касимов Г.А. Основы проектирования и конструирования аппаратуры неразрушающего контроля в промышленности. - М.: Московский энергетический институт, 1989. - 171 с.

4. КлюевВ.В., Соснин Ф.Р., ФилиновВ.Н. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. -М.: Машиностроение, 1995. - 400 с.

5. Клюев В.В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Кн. 1. - М.: Машиностроение, 1986. - 488 с.

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 1, 2012