Рубрика: Термическая обработка
Твердость — главный и самый доступный показатель качества термической обработки. По ней судят, правильно ли выполнена закалка, достаточен ли отпуск, нет ли обезуглероживания и мягких пятен. Но число в протоколе имеет смысл только тогда, когда измерение выполнено подходящим методом, на правильно подготовленной поверхности и в нужной зоне. Ошибки в выборе шкалы или нагрузки нередко приводят к спорам между заказчиком и исполнителем: одна и та же деталь может «пройти» на одном приборе и «не пройти» на другом. Разберем, как устроен контроль твердости и как избежать разночтений.
Твердость — способность материала сопротивляться внедрению более твердого тела — индентора. Это не фундаментальная физическая константа, а условная характеристика, которая зависит от метода измерения. Тем не менее твердость тесно связана с прочностью, износостойкостью и структурой стали, поэтому служит надежным индикатором результата термообработки. Ее преимущества как контрольного параметра:
Самый распространенный метод для закаленных деталей. Индентор — алмазный конус для шкалы C или стальной шарик для шкалы B — вдавливается сначала с предварительной, затем с основной нагрузкой. Твердость определяется по глубине внедрения и считывается прямо со шкалы прибора. Шкала HRC применяется для закаленных и отпущенных сталей в диапазоне примерно 20–70 единиц. Шкала HRA с меньшей нагрузкой — для очень твердых материалов и тонких слоев, HRB — для мягких сталей и цветных сплавов. Существуют также поверхностные шкалы HR15N, HR30N, HR45N с малыми нагрузками для тонких слоев и тонкостенных деталей.
В поверхность вдавливается твердосплавный шарик диаметром обычно 10, 5 или 2,5 мм. Твердость рассчитывается по диаметру отпечатка. Метод дает усредненное значение по большой площади, поэтому хорошо подходит для неоднородных материалов: отожженных и нормализованных сталей, улучшенных заготовок, чугуна, цветных сплавов. Для закаленных сталей выше примерно 450–650 HBW метод не применяют.
Индентор — алмазная четырехгранная пирамида. Твердость вычисляется по диагоналям отпечатка, измеряемым под микроскопом. Метод универсален: им измеряют и мягкие, и очень твердые материалы, а малые нагрузки позволяют контролировать тонкие слои после азотирования, цементации, покрытий. Микротвердость по Виккерсу с нагрузками от долей до нескольких килограмм-сил используется для построения кривой распределения твердости по глубине слоя.
Динамические (по отскоку бойка, метод Либа) и ультразвуковые твердомеры позволяют измерять твердость крупногабаритных деталей прямо на месте, без установки на стол стационарного прибора. Они удобны для валов, плит, штампов, сварных конструкций. Однако их показания пересчитываются в шкалы HRC, HB, HV по калибровочным зависимостям и сильно зависят от массы детали, шероховатости и кривизны поверхности. Для арбитражного контроля портативные приборы не используют.
| Метод | Обозначение | Диапазон применения | Когда выбирать |
|---|---|---|---|
| Роквелл, шкала C | HRC | Закаленные и отпущенные стали 20–70 | Основной метод для закаленных деталей и инструмента |
| Роквелл, шкала A | HRA | Очень твердые материалы, твердые сплавы | Тонкие закаленные детали, твердый сплав |
| Роквелл, шкала B | HRB | Мягкие стали, латунь, бронза | Отожженные детали, цветные металлы |
| Поверхностный Роквелл | HR15N, HR30N | Тонкие слои и стенки | Цементованные и ТВЧ-слои малой глубины, листы |
| Бринелль | HBW | Мягкие и средней твердости материалы | Заготовки после отжига, нормализации, улучшения, чугун |
| Виккерс | HV | Любые материалы | Азотированные слои, покрытия, шлифы, арбитраж |
| Портативные | HL, пересчет | Крупные детали | Оперативный контроль на месте, массивные изделия |
Главное правило: глубина влияния отпечатка должна быть заметно меньше толщины контролируемого слоя или стенки. Если алмазный конус при нагрузке 150 кгс продавливает тонкий азотированный слой, прибор покажет смешанное значение слоя и сердцевины, и деталь будет ошибочно забракована.
Корректный результат невозможен без правильной подготовки места измерения.
Часто приходится сопоставлять значения разных методов: заготовка контролировалась по Бринеллю, а чертеж требует HRC, или портативный прибор выдает результат в HL. Для перевода используют таблицы соответствия, но нужно помнить, что они приближенные и справедливы для углеродистых и низколегированных сталей.
| HRC | HV | HBW | Ориентировочный предел прочности, МПа |
|---|---|---|---|
| 20 | 240 | 230 | 770 |
| 30 | 300 | 285 | 990 |
| 40 | 390 | 370 | 1270 |
| 45 | 450 | 425 | 1480 |
| 50 | 515 | 480 | 1700 |
| 55 | 595 | — | — |
| 60 | 700 | — | — |
| 64 | 800 | — | — |
Для высоколегированных, аустенитных сталей, чугунов и цветных сплавов соответствие нарушается, поэтому контроль следует вести тем методом, который указан в документации.
Для поверхностно упрочненных деталей важна не только твердость поверхности, но и глубина слоя. Ее определяют разрушающим методом на образце-свидетеле или контрольной детали.
Деталь или свидетель разрезают перпендикулярно поверхности с охлаждением, чтобы не изменить структуру.
Поверхность разреза шлифуют и полируют, при необходимости запрессовывают в оправку для сохранения кромки.
По Виккерсу наносят серию отпечатков с шагом 0,05–0,2 мм от поверхности вглубь.
Глубину слоя находят по расстоянию до заданной граничной твердости, например 550 HV для цементации или твердости сердцевины плюс 50 HV для азотирования.
Дополнительно глубину оценивают по травлению: закаленный слой и сердцевина травятся по-разному, что дает быстрый, хотя и менее точный результат.
Корректная запись твердости в технических требованиях избавляет от разногласий при приемке. Рекомендации:
Даже правильно выбранный метод даст ошибку, если прибор не проверен. Стационарные твердомеры проходят периодическую поверку, а в повседневной работе их состояние контролируют по эталонным мерам твердости — калиброванным плиткам с известным значением. Проверку по мерам выполняют в начале смены и после смены индентора. Изношенный или сколотый алмазный конус занижает или искажает показания, поэтому его состояние осматривают под лупой. Для портативных приборов дополнительно проверяют настройку на материал и массу изделия: на легких деталях без притирки к массивной опоре они систематически ошибаются.
По итогам термообработки исполнитель оформляет протокол или отметку в сопроводительной документации. Типичный состав протокола: обозначение детали и партии, марка стали, вид термообработки, метод и шкала измерения, количество проконтролированных деталей, фактические значения твердости, при необходимости — глубина слоя и результаты металлографии. Для ответственных изделий к протоколу прикладывают фото шлифов и кривые распределения микротвердости. Термообработку с контролем твердости и выдачей протокола выполняет участок термической обработки нашего производства.
Контроль твердости — простой, но требующий аккуратности этап. Метод нужно выбирать с учетом твердости материала, толщины слоя и размеров детали: HRC — для объемно закаленных деталей и глубоких слоев, поверхностные шкалы и HV — для тонких слоев, HB — для отожженных и улучшенных заготовок, портативные приборы — для крупных изделий и оперативной проверки. Корректная подготовка поверхности, достаточное количество отпечатков и однозначная запись требований в чертеже позволяют получать воспроизводимые результаты и избегать споров при приемке. Отклонения твердости, в свою очередь, служат надежной подсказкой, где именно в режиме термообработки нужно искать причину.
Если нужна термообработка с гарантированным контролем твердости и протоколом, отправьте заявку с чертежом и требованиями — согласуем метод контроля до начала работ.
