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 Мн 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 Мн и Мк. Для снижения структурных напряжений скорость охлаждения ниже Мн 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.

Недостаточная твердость

Недостаточная твердость закаленного изделия появляется в результате неправильно выбранной температуры закалки или недостаточно интенсивного охлаждения. Скажем, при закалке доэвтектоидных сталей недостаточная твердость может получиться в результате того, что температура закалки была ниже АС3

и в структуре стали сохранился феррит.

Кроме того, в доэвтектоидной стали пониженная твердость может быть результатом перегрева. Образование при этом крупноигольчатой структуры мартенсита, помимо пониженной твердости, вызывает понижение ударной вязкости.

В заэвтектоидных сталях недостаточная твердость закаленного изделия может также являться результатом перегрева и образования крупноигольчатого мартенсита.

Окисление и обезуглероживание

Такой брак характеризуются образованием окалины на поверхности стальных изделий и выгоранием углерода в поверхностных слоях (так называемое — обезуглероживание) .

Такой брак термической обработки неисправим,

но если позволяет припуск на механическую обработку, то окисленный и обезуглероженный слой удаляют шлифовкой.

Для предотвращения этого вида брака нагрев изделий рекомендуется проводить в печах с нейтральной атмосферой либо в жидких средах.

Недостаточная твердость

и в структуре стали сохранился феррит.

Виды термообработки сталей

В зависимости от характера термического воздействия на металл, и способов введения дополнительной энергии в его структуру различают следующие основные виды термической обработки:

Отжиг – применяется с целью улучшения последующей деформации заготовок, и обеспечивает им равновесную мелкозернистую структуру. В свою очередь, отжиг может быть высоко- и низкотемпературным.
Закалка – придает деталям повышенную твердость и механическую прочность. Выполняется в электрических или пламенных нагревательных устройствах, подразделяется на поверхностную и объемную.
Отпуск – выполняется, как правило, после закалки, и обеспечивает плавное снижение прочностных показателей стали по мере удаления от поверхности. В результате снимаются термические напряжения, приводящие к короблению деталей.
Нормализация – заключается в исправлении неблагоприятной структуры стали и улучшения ее последующей обрабатываемости резанием.
Улучшение – выполняется для придания стальным деталям оптимального сочетания прочности и вязкости, что существенно, если изделие работает при значительных динамических нагрузках.

Менее распространены, но также используются: старение (стабилизация структуры термообработанной стали), обработка холодом (обеспечивает деталям повышенную точность), а также комбинированные процессы, сочетающие термообработку с деформацией стали, насыщением ее поверхности другими элементами и так далее.

Закалочные трещины

Закалочные трещины могут являться результатом слишком быстрого и неравномерного нагрева, либо слишком быстрого охлаждения,

либо наличия на детали резких переходов сечений, где возникают большие внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию.

Они могут получиться и в том случае, если после закалки деталь сразу не подвергли отпуску для снятия внутренних напряжений.

Для устранения растрескивания деталей при закалке необходимо обеспечить равномерный и более медленный нагрев, использовать закалку с одстуживанием (в двух средах или ступенчатую), отпускать изделия непосредственно после закалки и т.д.

Деформация и коробление

И последний возможный дефект закаленной стали — деформация и коробление.

Структурные изменения, происходящие в металле при термической обработке, вызывают изменение объема (деформацию), а неравномерность охлаждения — искажение внешней формы (коробление).

Такие дефекты закаленной стали происходят в связи с тем, что структуры имеют различный удельный объем. Это следует учитывать при назначении допуска на шлифовку. Например, удельный объем мартенсита больше, чем удельный объем перлита. Также форма различных деталей под влиянием структурных напряжений изменяется иначе, чем под влиянием термических напряжений.

Тела простой формы после деформации и правильное положение положение деталей при погружении их в закалочный бак

Для предотвращения деформаций и коробления необходимо обеспечить медленное охлаждение в интервале мартенситного превращения путем ступенчатой и изотермической закалок, закалки.

Окисление и обезуглероживание

Такой брак термической обработки неисправим,

Дефекты

Дефекты, возникающие при термической обработке стали, принято подразделять на два вида: обратимые и необратимые. В первом случае, их можно «снять» дополнительной тепловой обработкой заготовки, во втором – изделие является браком, и далее подлежит переплавке.

К первой группе относится перегрев – нагрев стали до температуры выше 1250…11000С (меньшие значения – для сталей с повышенным содержанием углерода). Дефект усугубляется, если к тому же увеличить время выдержки заготовки при таких температурах. В перегретом металле начинается интенсивный рост зерен, сопровождающийся неблагоприятным изменением их формы. У высокоуглеродистых сталей на фоне такой структуры дополнительно появляются грубые игольчатые формы цементита Fe3C. В результате механические свойства стали резко падают, причем особенно интенсивно у перегретого изделия уменьшаются показатели ударной вязкости. Такие заготовки разрушаются при попытке любой механической их обработки (а также обработки давлением со сколько-нибудь значительными степенями деформаций).

Перегрев стали можно устранить. Для этого применяют отжиг до температур, на 40…600С превышающих температуру начала аустенитного превращения. После некоторой выдержки заготовки медленно охлаждают вместе с печью. В теплое время года возможно охлаждение на спокойном воздухе (без сквозняков и искусственных воздушных потоков). В результате зерна становятся мельче, приобретают округлую форму, а металлу возвращаются его прежние физико-механические характеристики.

Необратимым дефектом термообработки является пережог. Он возникает при нагреве стали до температур ниже температуры начала плавления на 50…1000С. При таких температурах неметаллические включения в стали, располагающиеся всегда по границам зёрен – сера и фосфор – плавятся. Этому сопутствует также интенсивное окисление, которое проходит по границам зерен. Пережженный металл полностью теряет свою пластичность, следствием чего является появление рваных трещин при последующей ковке или прокатке. Восстановить исходную структуру такой стали невозможно.