Практическая значимость работы состоит в научном обосновании эффективной технологии упрочнения штока-поршня, обеспечивающей этой детали высокие эксплуатационные свойства, в частности исключительно высокую износостойкость и твердость.

1. Литературный обзор

Общие сведенья о штоке-поршне

Часто на машиностроительных предприятиях используют газовое азотирование. Процесс газового азотирования происходит следующим образом. Изделия загружают в электрическую печь. По трубке в печь подается аммиак (NH₃), предварительно пропущенный через поглотитель влаги. При температурах азотирования аммиак диссоциирует (разлагается) на свои составные части - азот и водород. Образовшийся атомарный азот поглощается поверхностью изделий, а водород с неразложившейся частью аммиака выходит из муфеля по отводящей трубке. Отходящие газы проходят через диссоциометр - прибор который служит для определения степени диссоциации аммиака - этого важного показателя течения процесса. Обычно при азотировании диссоциация аммиака поддерживается в пределах 25 - 40%, т.е. ведут процесс так, чтобы диссоциировало только 25 - 40% аммиака. При диссоциации свыше 60% аммиака глубина азотированного слоя уменьшается, а твердость поверхности изделия понижается, так как на ней накапливается водород, который препятствует взаимодействию металла с азотом и, кроме того, вызывает обезуглероживание стали. [4]

Длительность процесса зависит от требуемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя и больше толщина слоя. Снижение твердости азотированного слоя связано с коагуляцией нитридов легирующих элементов. Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной 0,3 - 0,6 мм. Процесс азотирования при 500 - 520 ⁰С в этом случае является продолжительным и составляет 24 - 60 ч.

В процессе насыщения азотом изменяются, но очень мало, размеры изделия вследствие увеличения объема поверхностного слоя. Деформация возрастает при повышении температуры азотирования и толщины слоя. [5]

Для ускорения процесса азотирования в последнее время широко применяют ступенчатый нагрев. При ступенчатом азотировании продолжительность процесса удается сократить в 1,5 - 2 раза.

Рисунок 1 - Установка для газового азотирования: 1 - электропечь; 2 - герметичный муфель; 3 - детали; 4 - баллон с NH₃; 5 - скруббер; 6 - трубка подачи газа в печь; 7 - манометр; 8 - трубка отвода газа из печи; 9 - диссоциометр; 10 - бульбер

Общий вид установки для газового азотирования приведен на рис. 1.

Азотирование чаще всего ведут в шахтных печах с принудительной циркуляцией газа и с максимальной рабочей температурой 600 и 700 ⁰С. Шахтные печи (США) выпускают с 2 сменными муфелями или с одним стационарным.

Рисунок 2 - Вертикальная электрическая печь для азотирования типа США

В вертикальных печах, используемых для азотирования небольших деталей (рис. 2), циркуляция атмосферы осуществляется вентилятором 1, размещенным в поде печи. Ленточные нагреватели 3 отделений от рабочего пространства цилиндрическим экраном 4. Герметичность крышки создают масляным затвором 5 глубиной 0,2 м и асбестовой прокладкой 6. Детали загружают в печь в специальных корзинах с рыхлым дном. Для ускорения охлаждения деталей газ с помощью вентилятора пропускается через трубы 2, охлаждаемые водой. [12]

Охлаждение, так же как и нагрев, должно производиться в закрытой печи в атмосфере аммиака во избежание окисления поверхности изделия.

Ионное азотирование

Метод химико-термической обработки в тлеющем разряде начал развиваться сравнительно недавно. В 50-х годах появились сообщения об азотировании в тлеющем разряде. В последующие годы азотирование в тлеющем разряде, которое для краткости называют ионным азотированием, получило распространение в промышленности. [1]

Поиски источников активного азота привели к разработке процесса азотирования в тлеющем разряде.

Теоретические положения процесса азотирования к настоящему времени характеризуются двумя подходами. Первый из них сформирован как учеными школы Лахтина Ю.М., так и учеными немецкой школы. Другой принцип сформулирован Б.Н. Арзамасовым с сотрудниками.

Обе модели основаны на движении положительных ионов от анода к катоду. И в первой, и во второй модели образующим началом является бомбардировка поверхности металла положительными ионами азота. Это предполагает только один вариант полярности: подложка может иметь только отрицательный потенциал.

Как бы существенно не отличались эти модели, в них есть одно общее: они обе основаны на движении положительных ионов в естественном направлении от анода к катоду.

Таким образом, и в первой, и во второй модели образующим началом является бомбардировка поверхности металла положительными ионами активного компонента. Это предполагает только один вариант полярности: деталь может служить только катодом.

При ионной бомбардировке происходит интенсивное распыление поверхности подложки, что часто требует последующей механической обработки (шлифования, полирования).

В 1974 г. появилась статья, автор которой показал, что для процесса азотирования железа и стали в тлеющем разряде существенны только атомы азота и температура подложки. Но эта статья осталась незамеченной.

В литературе до сих пор продолжают называть азотирование в тлеющем разряде - «ионным», а в зарубежной - «плазменным», хотя последнее определение нельзя назвать однозначным, так как плазма при азотировании может быть создана различными разрядами: тлеющим, высокочастотным, дуговым с накаливаемым катодом, дуговым с холодным катодом.

Позже, в 1982 г., появились сведения об азотировании стали в тлеющем разряде в атмосфере аммиака (который легко разлагается в разряде с образованием атомарного азота) при положительном потенциале на образцах. Однако эти исследования не получили дальнейшего развития. [14]

При ионном азотировании время процесса сокращается с 50-60 до 16-24 ч. При этом улучшаются физико-механические свойства стали.

Учеными МАДИ, МВТУ им Н.Э. Баумана, МАИ им. С. Орджоникидзе проведены глубокие исследования многих процессов химико-термической обработки в тлеющем разряде, в результате которых успешно внедряются в промышленность как ионное азотирование, так и другие процессы. Проведен большой комплекс работ по созданию промышленных установок для ионного азотирования. ВНИИЭТО приступил к серийному выпуску таких установок. [1]

Для активизации газовой фазы применяют различные виды электрических разрядов: дуговой, тлеющий, искровой и коронный; магнитные и электростатические поля; облучение ультрафиолетовыми и г-лучами.

Наибольшее распространение в настоящее время получает процесс азотирования ионизированным азотом в плазме тлеющего разряда (ионное азотирование). В разреженной азотсодержащей атмосфере между катодом (деталью) и анодом возбуждается тлеющий разряд (ТР), ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до температуры насыщения. Температура азотирования 470 - 580°С, разрежение 1 - 10 мм рт. ст., рабочее напряжение колеблется от 400 до 1100В, продолжительность процесса составляет от нескольких минут до 24 ч.

Интенсификация процесса при ионном азотировании объясняется воздействием тлеющего разряда на все элементарные процессы, ответственные за образование диффузионного слоя: активацию газовой фазы, адсорбцию и диффузию.

Ионное азотирование применяют для обработки различных типов сталей и сплавов: азотируемых сталей - нитраллоев, инструментальных, мартенситно-стареющих сталей, коррозионностойких, хромистых и хромоникелевых сталей, чугунов и т.д. [3]

Установки для ионного азотирования

В настоящее время разработаны серии установок мощностью до 150 кВт, которые могут обрабатывать крупногабаритные детали длиной до 12 м.

В настоящее время установки для азотирования, работающие на тлеющем разряде, почти полностью вытеснили установки для газового и жидкого азотирования. Это связано, прежде всего, с тем, что процесс ионного азотирования в них оказывается наиболее быстрым и эффективным.

Во время процесса азотирования катодное падение напряжения находится в интервале 600 - 800В в зависимости от режима азотирования. Катодное падение полностью определяет энергию ионов и, как следствие, скорость азотирования и глубину слоя. Поэтому увеличение катодного падения напряжения может повлиять на режимы азотирования в лучшую сторону. Увеличить катодное падение можно различными способами. Например, перевести нормальный тлеющий разряд в аномальный. Но при этом будет увеличиваться мощность, выделяемая на катоде, что может привести к перегреву детали. Можно также использовать магнетронные системы разряда, которые сложны в реализации. [3]

Вследствие бомбардировки катода положительными ионами его можно нагревать до высокой температуры. Некоторое количество энергии катод может получить в результате экзотермических реакций между материалом катодами соответствующей газовой средой.

Для нагрева металлов и сплавов в тлеющем разряде и химико-термической обработки используют установки, принцип работы которых заключается в следующем.

Обрабатываемую деталь 4 (рис. 3) помещают в газоразрядную реакционную камеру 3. Реакционная камера должна быть достаточно герметична и иметь небольшое натекание воздуха из атмосферы. Реакционная камера снабжается системой откачки и напуска газовой среды. Для откачки воздуха или газа достаточно вакуумного ротационного масляного насоса (форвакуумного насоса). Вентили 1 и 10 используют для регулирования расхода и давления газовой среды. Манометром 6 измеряют давление газа в камере. В камеру через герметичные изоляторы вводят электроды. Один из электродов - катод - необходим для подачи отрицательного потенциала к обрабатываемым деталям. На рис. 3 катод показан в виде стержня 8, заканчивающегося подставкой 7 под образец 4. Стержень изолируют кварцевой или фарфоровой трубкой 9. Анодом разряда является специально вводимый электрод 5, либо металлический корпус самой камеры.

Расстояние между анодом и катодом не является критическим и может изменяться в широких пределах. Вследствие этого тлеющее свечение равномерно охватывает поверхность деталей, имеющих сложную конфигурацию, что обеспечивает равномерную подачу энергии к поверхности разогреваемой детали.

Рисунок 3 - Схема установки для нагрева и химико-термической обработки металлов в тлеющем разряде: 1, 10 - вентили для регулирования расхода и давления газовой среды; 2 - термопара для измерения температуры обрабатываемой детали; 3 - реакционная камера; 4 - образец; 5 - анод; 6 - манометр для измерения давления газа в камере; 7 - подставка для образца; 8 - катод; 9 - изолирующая трубка; 11 - источник напряжения; 12 - ограничительное сопротивления R_огр

Для дугогашения можно использовать реактивные элементы - дроссели и конденсаторы, - препятствующие внезапным изменениям тока и напряжения. При этом дроссель включается последовательно, а конденсатор - параллельно тлеющему разряду. В промышленных установках применяют специальные электронные дугогасящие устройства, практически мгновенно реагирующие на изменение тока или напряжения разряда.

Температуру обрабатываемой детали обычно измеряют термопарой. Горячий спай термопары вместе с глухим концом защитного чехла из кварца помещают в специально высверленное отверстие в детали (поз. 2 на рис. 4). Измерение температуры термопарой позволяет использовать систему автоматического регулирования температуры. [1]

В.Г. Каплун, И.М. Пастух, Л.А. Силина и др. была усовершенствована установка для ионного азотирования.

Формулой изобретения является установка для ионного азотирования деталей в вакууме, содержащая герметичную камеру с размещенными в ней анодом и катодом, с захватом для крепления деталей, систему электропитания и систему газообеспечения с трубопроводами подвода и отвода газовой среды, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества азотирования деталей путем повышения равномерности распределения концентрации реагентов по высоте камеры, трубопровод подвода газовой среды выполнен в виде кольца с равномерно расположенными по периметру камеры вертикальными перфорирооанными патрубками с заглушёнными концами. [7]

С целью интенсификации процессов диффузии и, как следствие, увеличение скорости насыщения обрабатываемой поверхности ионами азота, разработан и внедрен новый технологический процесс ионного азотирования в тлеющем разряде с эффектом полого катода.

Будиловым В.В. и Рамазановым К.Н. был проведен эксперимент ионного азотирования в тлеющем разряде с эффектом полого катода на образцах из сталей 16Х3НВФМБ-Ш, 13Х11Н2В2МФ-Ш и 38Х2МЮА. При этом использовалась модернизированная установка ЭЛУ-5. В качестве рабочего газа была выбрана смесь азота, аргона и ацетилена. Типовой технологический процесс азотирования в тлеющем разряде осуществляется в промышленной установке «Эльтропульс» (Германия).

Для создания полого катода, на расстоянии 5-7 мм от обрабатываемой поверхности устанавливается специальный экран в виде сетки. Обрабатываемая деталь и экран находятся под отрицательным потенциалом и образуют полость, между ними формируется плазма с повышенной концентрацией заряженных частиц.

Из анализа полученных данных было установлено, что скорость насыщения ионами азота в тлеющем разряде с ЭПК поверхности конструкционных сталей в 5-6 раз выше по сравнению с типовым технологическим процессом ионного азотирования. Разработанная технология ионного азотирования, основанная на фазовом модифицировании в тлеющем разряде с полым катодом, позволяет получать диффузионные слои заданного фазового состава, а также значительно сократить общее время обработки в 2 - 4 раза, энергозатраты и расход насыщающих газов. Ионное азотирование в плазме тлеющего разряда с ЭПК приводит к интенсификации процесса насыщения и обеспечивает высокую кинетическую эффективность процесса по сравнению с традиционным ионным азотированием. [6]

Более приемлемым является использование импульсного тлеющего разряда (ИТР). Импульсный режим ТР должен обеспечиваться ключом, установленным в катодной цепи. Как показали предварительные исследования, такой способ формирования разряда позволяет увеличить катодное падение в 2-3 раза по сравнению с обычным тлеющим разрядом без увеличения выделяемой мощности. [3]

Куксеновой Л.И., Лаптевой В.Г., Березиной Е.В. и др. было проведено исследование влияния температур предварительного отпуска и газового азотирования на износостойкость и структуру поверхностных слоев стали 38Х2МЮА. Получены триботехнические и структурные характеристики азотированного слоя, включая слой с практической безызностностью. Даны представления о путях оптимизации режимов азотирования. Также было установлено следующее: структурное состояние азотированного твердого раствора на основе железа и нитридов, формирующееся при азотировании стали, является фактором, определяющим работоспособность пары трения; техническим параметром, регулирующим реализацию износостойкого структурного состояния является не только температура азотирования, но и температура высокого предварительного отпуска, а также их определенное сочетание, которое требует дальнейшего исследования. [8]

Более подробная информация по данной теме указаны в приложение Г.

Ионное азотирование в плазме тлеющего разряда по сравнению с традиционными методами позволяет добиться ряда важных преимуществ, таких как:

· высокая скорость насыщения;

· получение диффузионных слоев заданного фазового состава и строения;

· высокий класс чистоты поверхности;

· возможность азотирования пассивирующихся материалов без дополнительной депассивирующей обработки;

· значительное сокращение общего времени процесса за счет уменьшения времени нагрева, охлаждения садки и исключения промежуточных технологических операций по активации поверхности деталей;

· большая экономичность процесса за счет увеличения коэффициента использования электроэнергии и сокращения расхода насыщающих газов;

· экологическая чистота процесса. [1], [11]

Применение ионного азотирования позволяет сократить продолжительность технологического цикла в 2 - 5 раз, оптимизировать состав диффузионного слоя, обеспечить технологически простую схему автоматизации процесса, улучшить качество азотированных покрытий. [3]

2. Материалы и методика исследований

сталь шток поршень азотирование

Условия работы штока - поршня характеризуются большими механическими и тепловыми нагрузками. На поршень действуют механические нагрузки от давления газов и сил инерции. [14]

При сжатии воздуха температура поршня повышается. Такое нагревание нежелательно, поскольку ухудшаются условия работы поршня. Кроме того, если отводить тепло, выделяющееся при сжатии, то требуется меньше работы для сжатия. Поэтому компрессоры обычно имеют водяное или воздушное охлаждение. [15]

Трение поршня о стенки цилиндра вызывает механический износ поршня, а воздействие на его поверхность газов высокой температуры, содержащих агрессивные соединения, - эрозионный и коррозионный износ.

Шток подвергается продольным напряжениям от действия массовых сил; напряжениям изгиба; поперечным напряжениям сжатия. [14]

Шток работает в условиях постоянного или периодического трения при высоких тепломеханических нагрузках, подвергается различного рода напряжениям сжатия, изгиба, кручения.

Описание требований, которые предъявляются к материалу деталей и состоянию поверхности

К материалам, применяемым для изготовления штока-поршня, предъявляются следующие требования: высокая механическая прочность; износостойкость; высокая коррозионная стойкость; хорошее сопротивление высокой температуре, давлению газов; необходима достаточная жаростойкость; достаточная вязкость и прокаливаемость; должен быть высокий предел выносливости.

Материал, для изготовления данной детали должен обладать высокой прочностью, иметь высокую твердость и вязкую сердцевину.

Причины выхода из строя

Аварии компрессорных машин часто происходят из-за разрушения штоков, которые работают в условиях циклических нагрузок, вызывающих в них переменные напряжения растяжения и сжатия. На надёжность и долговечность штоков определённое влияние оказывают конструкции и материалы сальниковых уплотнений.

Главной и основной причиной разрушения штока-порня является износ поверхности.

Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и накопление его остаточной деформации при трении, проявляющейся в постепенном изменении размеров и формы тела (ГОСТ 23.002-78).

Исследования ряда аварий показывают, что штоки разрушаются по резьбе при соединении с крейцкопфом, по галтелях упорных буртов, а также по цилиндрической рабочей части. Впадины резьбы являются концентраторами напряжений и способствуют усталостному разрушению штоков. Предел выносливости зависит от размеров галтелей и радиусов впадин резьб штоков. Усталостное разрушение часто сопровождается пластической деформацией металла, которая видна при макроскопическом анализе. В местах скоплений линий сдвигов появляются усталостные трещины, которые быстро распространяются и вызывают поломку детали.

Усталостные трещины могут возникать при знакопеременных напряжениях, величина которых меньше предела выносливости, поэтому напряжения, вызывающие в зёрнах металла пластические деформации, не обязательно приводят к усталостному разрушению.

Выбор материала детали

Как упоминалось ранее штоки - поршни изготовляют из сталей 35, 40, 38XА или легированных с более высокими механическими свойствами. Штоки-поршни, подлежащие азотированию, изготавливают из сталей 35ХМЮА, 38Х2МЮА или 35ХЮА, 40ХН2МА. [2]

Табл. 1 - Химический состав сталей в% (ГОСТ 1050-74)

Табл. 2 - Механические свойства и усталостная прочность сталей

Табл. 3 - Свойства стали после азотирования

Сталь 38Х2МЮА не склонна к отпускной хрупкости, но является флокеночувствительной. Сталь 38ХА является флокеночувствительной и склонна к отпускной хрупкости.

Сталь 40ХН2МА не склонна к отпускной хрупкости, является флокеночувствительной.

Для штока-поршня требуется высокая твердость азотированного слоя НV 1000-1200, которую можно получить на стали 38Х2МЮА. Эта сталь имеет высокую твердость и износостойкость. Поэтому предлагаю изготовить шток-поршень из стали 38Х2МЮА.

38Х2МЮА - конструкционная, низколегированная, высококачественная сталь, с содержанием углерода - 0,38%, хрома - 2%, молибдена - 1%, алюминия - 1%.

Хром и особенно алюминий образуют устойчивые нитриды, что придает стали очень высокую твердость (до НV 1100-1200). Хром, кроме того, повышает прокаливаемость и прочность стали. Молибден вводят в сталь для устранения отпускной хрупкости; одновременно он повышает прокаливаемость. Тем не менее детали из стали 38Х2МЮА обладают невысокой прокаливаемостью. Существенным недостатком этой стали является склонность к обезуглероживанию. Поэтому нужно предусматривать на деталях сравнительно большой (до 3 мм) припуск на механическую обработку для удаления обезуглероженного слоя, в противном случае азотированный слой получится хрупким. Другим недостатком этой стали является склонность к образованию дефектов металлургического происхождения (волосовин, неметаллических включений и пр.).

Повышенное количество неметаллических включений создает препятствие для диффузии азота и приводит к неравномерности диффузионного слоя по глубине и насыщению. Указанные недостатки связаны с наличием в стали алюминия.

Влияния легирующих элементов на структуру и свойства стали

С увеличением содержимого углерода в стали меняется ее структура, которая формируется двумя фазами - ферритом и цементитом. Вот почему соотношением количества этих фаз, а также характером их взаимного расположения (то есть структурой) и определяются свойства стали.

Чем больше углерода в стали, тем меньше в ней мягкого и пластического феррита и больше твердого и хрубкого цементита, что обьясняют увеличение роста твердости (НВ) и снижение пластичности (у, ш) и вязкости (КСV).

Углерод оказывает существенное влияние на диффузию азота. С увеличением содержания углерода в стали скорость диффузии азота уменьшается.

В ходе проведения исследования проводились измерения твердости с помощью метода Роквелла, твердость азотированного слоя - на приборе ПМТ-3. Далее будут описаны методики проведения измерений.

Твердость - свойств материалов сопротивляться проникновению в их поверхность заостренных, твердых тел - инденторов.

Микротвёрдость - это твёрдость отдельных фаз и структурных составляющих, твёрдость внутри отдельных зёрен, тонкого поверхностного слоя (после химико-термической обработки).

Результаты азотирования контролируются в основном путем измерения твердости поверхности. Определение твердости азотированного слоя производится методом Виккерса на приборе ПМТ- 3 (рис. 8).

Рисунок 8 - Устройство прибора ПМТ-3

Основа 1 (рис. 8) прибора имеет стойкую 2, по которой гайкой 3 при ослабленном винте 4 можно перемещать кронштейн 5 с тубусом 6 микроскопа. Кронштейн 5 имеет направляющие, по которым можно перемещать тубус 6. Грубое перемещение тубуса 6 осуществляется обращением винта 7 (макроподача), а малое перемещение - обращением винта 8 (микроподача). Тубус имеет наклоненную трубку с окуляром 9 и объективом 10. К тубусу присоединен механизм нагрузки 11 с алмазным наконечником 12, который представляет собой четырехгранную алмазную пирамиду, которая имеет в вершине 136^о.

На основе 1 расположен предметный стол 13, верхнюю часть которого с помощью винтов 14 и 15 можно перемещать в двух взаимно перпендикулярных направлениях (координатное перемещение) и рукоядкой 16 поворачивать вокруг вершины приблизительно на 180⁰ от одного упора ко второму (полукруговое перемещение). На стол 13 устанавливают образец 17.

Для нагрузки используют специальные грузы, которые имеют форму шайб с весом 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 и 500 г. При испытании один из грузов (шайба 18) устанавливают вырезом на шток нагружающего механизма. Вдавливание алмазной пирамиды 12 в образец 17 под действием вантажа, который находится на штоке, осуществляется при возвращении рукоядки 19 приблизительно на полоборота. Диагональ полученного отражения замеряют окулярным микрометром 20. [19]

Испытание на микротвердость проводят следующим образом:

Пластину со шлифом устанавливают на столике. Исследуемый объект помещают под объектив микроскопа. Сфокусировав микроскоп на резкость изображения и осмотрев участок, предназначенный для испытания, выбирают место для определения микротвердости.

Устанавливают барабанчик окулярного микрометра 7 в нулевое положение. Поворачивают столик до упора, при этом образец располагается под нагрузкой.

При повороте столика в направлении против часовой стрелки до упора, наблюдаемая точка объекта испытания, находящаяся на оси вдавливания алмазной пирамиды, перемещается в центр поля зрения микроскопа.

Образец помещается на столике, установленном на винте, который перемещается вращением маховичка до тех пор, пока не произойдет соприкосновение алмазной пирамиды о поверхность образца.

Нагружают образец медленным (10-15 с) поворотом рукоятки арретира индентора и делают выдержку 5 с., после чего рукоятку арретира возвращают в исходное положение. Каждый раз, прежде чем вращать столик, необходимо убедиться, что алмазная пирамида поднята.

Затем снимают нагрузку и поворачивают стол в обратном направлении. При повороте столика в обратном направлении до упора указанная точка возвращается в прежнее положение; из этого следует, что вдавливание индентора можно проводить точно в выбранном месте. Поворачивая головку микроскопа вправо до упора, совмещает объектив микроскопа с отпечатком.

Отпечаток фокусируют и измеряют величину диагоналей. Для этого вращением винта подводят к краю диагонали нулевую отметку шкалы, а затем, вращая микровинт, подводят к противоположному концу диагонали подвижную линию. При отсчете пользуются шкалой микроскопа, одно деление которой равно 0,1 мм, и микровинтом, одно деление которого на лимбе соответствует 0,001 мм. Пользуясь таблицей, по значению d определяют твердость по Виккерсу (HV). Схема испытаний по Виккерсу указана на рис. 10, б.

Твердость по методу Роквеллу определяется глубиной проникновения в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120^о или закаленного шарика диаметром 1,588 мм (рис. 10 а).

Конус или шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками:

- предварительной Р_о = 10 н;

- общей Р = Р_о + Р₁, где Р₁ - основная нагрузка.

Твердость обозначается в условных единицах:

- для шкал А и С HR = 100 - (h - h_o) / 0,002,

- для шкалы В HR = 130 - (h - h_о) / 0,002.

Для определения твердости используется алмазный конус при нагрузке 60 Н (HRA), алмазный конус при нагрузке 150 Н (HRC) или стальной шарик диаметром 1,588 мм (HRB).

Испытания проводили на приборе ТК-2 (рис. 9), который предназначен для определения твердости металлов по методу вдавливания алмазного конуса или стального шарика под действием заданной нагрузки в течение определенного времени.

Рисунок 9 - Прибор ТК - 2

Рисунок 10 - Схемы испытаний на твердость: а - по Роквеллу; б - по Виккерсу. [18]

Прочность - сопротивление разрушению (разрыву); характеризуется напряжениями, соответствующими максимальным (до разрушения образца) значениям нагрузки (т. н. продел прочности или временное сопротивление).

Контроль качества азотированных деталей

Также необходимо использовать цветную дефектоскопию - метод неразрушающего контроля, который применяется для обнаружения поверхностных дефектов (щелей, пор и пр.). Этот метод основан на проникновении проникающей жидкости в полости дефектов, затем адсорбировании или диффузии из дефекта, при этом наблюдается разница в цвете или свечении между фоном (цветом или свечением всей поверхности объекта) и участком поверхности над дефектом. Чем больше эта разница, тем выше чувствительность метода и тем меньший дефект может быть обнаружен. Красочный метод дает возможность обнаруживать поверхностные дефекты типа трещин с шириной раскрытия от 0,001 мм и глубиной от 0,001 мм. После проникновения жидкости во все сколько-нибудь значительные дефекты излишки ее удаляют с поверхности. После этого поверхность детали покрывают белой краской или опыляют порошком, отличающимся большой адсорбиющей способностью. Нанесенное на поверхность адсорбирующее вещество вытягивает из дефекта оставшуюся там жидкость и при этом либо окрашивается в яркий цвет красителя в месте расположения дефекта (при красочном методе), либо смачивается жидкостью с люминесцирующей добавкой, которая при облучении ультрафиолетовыми лучами начинает флуоресцировать. [22]