Организация и технология контроля качества стали ШХ15СГ-В

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СТАРООСКОЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(филиал) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный

институт стали и сплавов (технологический университет)»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Организация и технология контроля и испытаний

металлургической продукции»

на тему: «Организация и технология контроля

качества стали ШХ15СГ-В»

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………3

1 Контроль химического состава стали ШХ15СГ-В………………………………….....4

1.1 Химический состав стали ШХ15СГ-В……………………………………………4

1.2 Контроль основных компонентов………………………………………………...5

1.3 Контроль примесей…………………………………………………………….…..7

1.4 Газы в стали, их влияние на свойства и методы определения………………….8

2 Контроль макроструктуры………………………………………………………….….10

3 Контроль микроструктуры………………………………………………….………….12

4 Критические точки стали, выбор режима

термообработки и контроль механических свойств……………………………………15

5 Выбор метода неразрушающего контроля

в зависимости от предлагаемого дефекта стали………………………………………..23

Заключение………………………………………………………………………….…….26

Приложение………………………………………………………………………...……..27

Список используемой литературы………………………………………………………29

Введение

Сталь ШХ15СГ-В по назначению является конструкционной машиностроительной шарикоподшипниковой сталью.

Конструкционной сталью называется сталь, применяе­мая для изготовления различных деталей машин, механиз­мов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной прочностью, обеспечивать длительную и надежную работу конструкции в условиях эксплуатации. Поэтому особенность требований, предъявляемых к конструкционным материалам, состоит в необходимости обеспечения комплекса высоких механических свойств. Материалы, идущие на изготовление конструктивных элементов, деталей машин и механизмов, должны наряду с высокой прочностью и пластичностью хорошо сопротивляться ударным нагрузкам, обладая запасом вязкости. При знакопеременных нагрузках конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением усталости, а при трении – сопротивлением износу. Во многих случаях необходимо сопротивление коррозии. Учитывая, что в деталях всегда имеются дефекты, являющиеся концентраторами напряжений, конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и распространению трещин.

Помимо высокой надежности и конструктивной прочности, конструкционные материалы должны иметь высокие технологические свойства – хорошие литейные свойства, обрабатываемость давлением, резанием, хорошую свариваемость. Конструкционные материалы должны быть дешевы и не должны содержать дефицитных легирующих элементов.

Сталь ШХ15СГ-В применяется для изготовления шариков, роликов, колец подшипников качения и других деталей (плунжеров, втулок, корпусов распределителей, нагнетательных клапанов и т.д.), от которых требуются высокие износостойкость и выносливость при контактном циклическом нагружении. По условиям работы подшипники должны выдерживать высокие контактные нагрузки в течение длительного времени, что обусловливает жесткие требования к металлургическому качеству стали. Особенно важным является минимальное количество дефектов, выходящих на поверхность.

1 Контроль химического состава стали ШХ15СГ-В

1.1 Химический состав стали ШХ15СГ-В

Стали для шарико- и роликоподшипников должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. Этим требованиям удовлетворяют хромистые заэвтектоидные стали, содержащие около 1%углерода, после закалки на мартенсит и низкого отпуска. В обозначении стали ШХ15СГ-В «Ш» означает «шарикоподшипниковая», а 15 – содержание хрома в десятых долях процента. Химический состав стали ШХ15СГ-В приведен в ГОСТ 801 – 78 (таблица 1).

Таблица 1 – Химический состав стали ШХ15СГ-В, %

По химическому составу сталь ШХ15СГ-В является легированной сталью, поскольку суммарное содержание легирующих элементов (Cr, Si, Mn) в ней находится в пределах от 2,5 до 10%.

В составе подшипниковых сталей общего назначения обязательно присутствует хром. Хром определяет состав карбидной фазы и, кроме того, обеспечивает необходимую прокаливаемость. Влияние хрома на износостойкость определяется тем, что он увеличивает количество карбидной фазы и меняет качественно ее состав, позволяя получать твердые специальные карбиды. Свое­образно влияние хрома на точку Ас1. Хром до 12—13 % сравнительно слабо повышает точку Ас1, а при содержа­нии его более 14 % наблюдается резкое повышение темпе­ратуры Ас1. Подобное влияние объясняется тем, что при со­держании до 12—13 % хром понижает температуру α→γ – перехода, и наблюдаемое при этих содержаниях хрома повышение точки Ас1 обусловлено более сильным влиянием повышенных температур диссоциации эвтектоидных карби­дов.

Дополнительное введение кремния и марганца проводят с целью повышения прокаливаемости и применяют для сталей, используемых для производства крупногабаритных подшипников с толщиной стенки более 10 мм. При отпуске кремний дает более высокие значения твердости, вследствие замедления распада мартенсита в интервале температур 150—350°С.

Сера практически нерастворима в аустените. Она образует сульфид железа FeS, входящий в эвтектику γ+FeS, которая плавится при 988С. При нагреве под горячую обработку давлением до 1000…1200С сернистая эвтектика, располагающаяся по границам аустенитных зерен, оплавляется и при горячей деформации из-за нарушения связи между зернами аустенита происходит межзеренное разрушение. Это явление называют красноломкостью. Содержание серы в стали не превышает 0,05%.

Фосфор в тех количествах, в которых он как неизбежная примесь содержится в стали, полностью растворен в феррите. Фосфор – очень вредная примесь, так как даже сотые доли процента его усиливают хладноломкость, смещая сериальную кривую ударной вязкости вправо, т.е. повышая температуру перехода из вязкого состояния в хрупкое. Содержание фосфора в стали не должно превышать 0,04%.

1.2 Контроль основных компонентов

Для контроля химического состава стали в процессе производства применяют следующие методы анализа:

а) маркировочный анализ – проводится в процессе плавки для определения соответствия стали установленным нормам. Чаще всего в качестве маркировочного используют экспресс-анализ, особенностями которого являются быстрота, своевременность получения результатов и достаточная точность.

б) контрольный анализ – проводят в случае необходимости проверки или уточнения результатов маркировочного анализа;

в) арбитражный анализ – необходимость в его проведении возникает при расхождении результатов, полученных поставщиком и потребителем данной продукции.

Для определения элементного состава стали в ходе маркировочного анализа используется флуоресцентный метод. Этот метод является разновидностью рентгеноспектрального анализа. Современные приборы для рентгеноспектрального анализа позволяют определить элементный состав пробы в течение нескольких минут.

Характеристическое излучение можно возбудить в пробе, поместив ее на анод рентгеновской трубки и облучая пучком электронов с энергией 3…50 кэВ (первичное излучение), либо расположив пробу вне трубки и облучая ее исходящими из трубки достаточно жесткими первичными рентгеновскими лучами (вторичное или флуоресцентное излучение). При использовании первого способа возбуждения метод рентгеноспектрального анализа называю эмиссионным, при использовании второго – флуоресцентным.

Флуоресцентный метод имеет высокую чувствительность (минимальное содержание элемента, которое удается определить) – до 0,0005 %. Это объясняется отсутствием во вторичном излучении сплошного спектра, дающего спектр на спектрограмме. К преимуществам этого метода относятся также отсутствие нагрева исследуемой пробы и исключение необходимости непрерывного вакуумирования трубки. Рентгеновские лучи регистрируют ионизационными или сцинтилляционными счетчиками.

Если возникнет необходимость в уточнении результатов маркировочного анализа, его повторяют еще раз в качестве контрольного анализа, проводя измерения более тщательно.

В качестве арбитражного метода контроля используется титриметрический метод. Этот метод относится к химическим методам, которые характеризуются высокой точностью получаемых результатов, длительностью проведения, отсутствием дорогостоящего оборудования.

Титриметрический метод анализа основан на измерении объема реактива известной концентрации, затрачиваемого на реакцию с определяемым элементом. Момент окончания реакции определяется по изменению цвета индикатора. Т.к. количество определяемого вещества рассчитывается по объему израсходованного раствора, этот метод еще называется объемным.

Под титром раствора (Тх) понимают число граммов растворенного вещества, содержащееся в 1 мл раствора. При этом раствор, титр которого известен, называют титрованным. Введение титрованного раствора осуществляется при помощи измерительного сосуда – бюретки. Титрованный раствор понемногу вливают в анализируемый раствор до установления каким-либо способом момента, когда израсходованное количество реактива точно соответствует уравнению реакции и химически эквивалентно количеству определяемого вещества.

Основные этапы титриметрического анализа:

1. Взятие навески. Для анализа берут определенное количество анализируемой пробы – навеску массой m.

2. Перевод навески в жидкое состояние.

3. Титрование.

4. Расчет результатов. Концентрация определяемого элемента в анализируемой навеске вычисляют по формуле:

,

где  Tx – титр раствора,

        Vx – объем раствора, израсходованного на титрование.

В титриметрическом методе используют реакции нейтрализации, окисления-восстановления и комплексообразования. В зависимости от характера реакции титриметрический анализ подразделяют на методы нейтрализации, окисления-восстановления и комплексообразования.

1.3 Контроль примесей

Для контроля примесей (S, P, Ni, Cu) применяется метод атомно-абсорбционного спектрального анализа, который отличается высокой относительной и абсолютной чувствительностью. Этот метод позволяет с большой точностью определить в растворах около 80 элементов в малых концентрациях.

Чувствительность определения большинства элементов в водных растворах с пламенной атомизацией лежит в интервале от 5∙10-7 до 10-3 %. При этом расходуется от 0,1 до нескольких мл раствора.

При использовании данного метода пробу стали переводят в жидкое состояние путем ее растворения в растворах кислот (целесообразно для ускорения растворения измельчить пробу или отбирать ее в виде стружки). Атомно-абсорбционный анализ основан на способности свободных атомов определяемого элемента селективно поглощать характеристическое резонансное излучение определенной для каждого элемента длины волны. Для наблюдения поглощения анализируемый раствор вдувают в виде аэрозоля в пламя горелки, где происходит термическая диссоциация молекул. Большинство образующихся при этом атомов находятся в нормальном, невозбужденном состоянии. Они способны поглощать собственное излучение, проходящее через пламя горелки от внешнего стандартного источника излучения. В результате этого электрон атома переходит на более высокий энергетический уровень, а пропускаемое через пламя излучение ослабляется.

При анализе измеряют поглощение светового потока, прошедшего через пламя без пробы и после распыления в него анализируемого раствора. Для анализа по атомным спектрам применяются атомно-абсорбционные спектрофотометры, которые измеряют усредненную интенсивность аналитических линий с помощью схем, практически исключающих помехи от эмиссионного спектра пламени.

1.4 Газы в стали, их влияние на свойства и методы определения

Газы — кислород, азот и водород — являются постоянными примесями в подшипниковой стали. Их содержание в стали полностью зависит от техно­логии ее выплавки.

Кислород растворяется в феррите в очень малых количествах, меньше 0,003 %. Кислород с алюминием, кальцием, кремнием, марганцем образует окислы, составляющие основу неметаллических включений подшипниковой стали.

В стали, выплавленной в электродуговых и кислых мартеновских печах, содержится 0,003—0,005 % кислорода. Выплавка стали с вакуумной дегаза­цией, а также применение рафинирующих переплавов − вакуумного, дуго­вого, электрошлакового, плазменного − снижает содержание кислорода в стали до 0,0025 − 0,0010 %.

Азот, как и кислород, растворяется в феррите в малых количествах, в ос­новном он образует в стали весьма дисперсные включения — нитриды алюми­ния и более крупные включения — нитриды и карбонитриды титана. При охлаждении из аустенита в области температур, близких 1000°С, вследствие понижения растворимости азота выделяются высокодисперсные нитриды алюминия, которые можно обнаружить только под электронным микроско­пом. Нитриды титана призматической формы и розоватой окраски хорошо различимы при увеличении 100 вследствие больших размеров. Влияние азота на контактную усталость пока изучено недостаточ­но.

Растворимость водорода в стали в твердом состоянии очень мала. Вслед­ствие резкого понижения растворимости после кристаллизации он заполняет субмикропоры, образуемые неметаллическими включениями и другими де­фектами строения стали, а также скапливается на дислокациях. Скопления водорода в субмикропорах создают в них сверхвысокое давление. Если дав­ление превышает временное сопротивление стали, происходит внутреннее разрушение, образуются флокены. Хромистая подшипниковая сталь является флокеночувствительной, поэто­му после горячей деформации для крупного сорта стали требуется длительный отжиг, снижающий содержание водорода. Водород обладает большой скоростью диф­фузии и при длительном отжиге удаляется. В электростали обыч­но содержится водорода 4 − 5 см3/100 г. При вакуумировании с остаточным давлением 133— 1333 Па содержание водорода снижается до 1—2 см3/100 г.

Для определения содержания газов в стали ШХ15СГ-В используется спектральный анализ газов. Данный метод называется также методом восстановительного плавления.

Определение содержания газов в стали включает три основные стадии:

1) отбор пробы и ее подготовка к анализу;

2) экстракция газов из пробы и перевод газовой смеси в анализатор;

3) определение количества и состава извлеченных газов.

Метод восстановительного плавления основан на воздействии на анализируемый образец, помещенный в огнеупорный тигель, высокой температуры в условиях вакуума или потока газа-носителя (Ar) для снижения до ничтожно малого значения парциального давления выделенных газов, которые непрерывно удаляются из стали. При этом газы полностью выделяются из анализируемого образца, т.е. это метод абсолютный (не требует использования эталонного образца), позволяет достаточно надежно определить содержание кислорода и азота на уровне 10-4 %, водорода – на уровне 10-5 %.

Многочисленные и разнообразные по конструкции приборы содержат одинаковые элементы, главными из которых являются:

− печь для экстракции газов из образца, в которой образец нагревают в восстановительной или нейтральной среде до необходимой температуры для выделения определяемых газов;

− анализатор для определения количества и состава газовой смеси.

Время анализа данным методом составляет 120 с. Обязательным оборудованием являются весы для взвешивания образцов, обеспечивающие требуемую точность.

2 Контроль макроструктуры

Макроструктуру металла изучают путем просмотра поверхности специально подготовленных образцов – продольных или поперечных макрошлифов (темплетов) или изломов – невооруженным глазом, а также с помощью лупы при увеличении до 30 раз.

Макроанализ, как правило, является не окончательным, а предварительным этапом исследования структуры металла. Он позволяет выбрать те участки, которые затем тщательно изучаются с помощью металлографических методов. 

Путем исследования макроструктуры металла можно определить:

1) нарушение сплошности металла (усадочную рыхлость, центральную пористость, свищи, подкорковые пузыри, трещины, флокены);

2) характер предшествующей обработки металла (дендритное строение литого металла, волокнистую структуру деформированного металла);

3) химическую неоднородность металла (различные виды ликвации: подусадочной, краевой, пятнистой и т.д.);

4) вид излома (вязкий, хрупкий, смешанный);

5) структурную и химическую неоднородность, вызванную термообработкой или термомеханической обработкой.

Контроль макроструктуры стали ШХ15СГ-В проводится методом изломов. Качество металла и надежность изготовленных из него изделий характеризуется видом излома, зависящим от условий нагружения (однократное, многократное), от температуры и других факторов.

По характеру разрушения различают два вида излома:

− вязкий;

− хрупкий.

Излом также может быть смешанным.

Один и тот же материал в зависимости от условий может разрушаться по-разному.

Вязкий излом. Вязкому разрушению предшествует пластическая деформация. Поверхность вязкого излома имеет матово-волокнистый вид. Вязкое разрушение менее опасно для службы изделий, т.к. развивается относительно медленно; при эксплуатации, как правило, не происходит; развивается при обработке давлением и в результате усталости металла.

Хрупкий излом. При хрупком разрушении пластическая деформация минимальна (1-2 %). Хрупкий излом имеет металлическую блестящую поверхность с характерным кристаллическим строением. Для хрупкого разрушения характерно стремительное развитие трещин.

Образец стали ШХ15СГ-В, представленный для анализа макроструктуры, имеет вязкий излом, т.к. поверхность излома волокнистая, края излома неровные. В результате анализа обнаружены остатки усадочной раковины, слабо выраженные следы подусадочной рыхлости.

Согласно ТУ 14-1-3680-83 (приложение) в макроструктуре трубной заготовки, изготовленной из стали ШХ15СГ-В, не должно быть следов усадочной раковины, расслоений, скворечников, пузырей, флокенов, инородных включений, видимых без применения увеличительных приборов. Допускаются, не более: центральная пористость – 2 балла, точечная неоднородность – 2 балла, ликвация – 1 балл.

3 Контроль микроструктуры

Макроанализ не позволяет определить все особенности строения металла. По данным макроанализа можно выбрать те участки изучаемой детали, которые нужно подвергнуть дальнейшему микроскопическому исследованию.

Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры материала при больших увеличениях с помощью микроскопов. Наблюдаемая структура называется микроструктурой.

Микроструктура отожженной стали ШХ15СГ-В исследуется с целью определения дисперсности карбидов, характера их  распределения, обнаружения карбидной ликвации, карбидной сетки, полосчатости и обезуглероживания. Эти показатели микроструктуры нормируются стандартами и техническими условиями.

Требования к микроструктуре после отжига обусловлены требованиями к обрабатываемости резанием и к микроструктуре и твердости после закалки. Микроструктуру выявляют травлением в 2 – 4 %-ном растворе азотной или пикриновой кислоты и последующим изучением под металлографическим микроскопом. Наиболее благоприятной является структура зернистого перлита. Пример удовлетворительной микроструктуры зернистого перлита средней степени дисперсности приведен на рисунке 1. Степень дисперсности карбидов оказывает влияние на обрабатываемость стали. Поэтому для обеспечения сочетания удовлетворительной обрабатываемости резанием и качественной закалки выбран ряд промежуточных структур. Так,  в стандарте для стали ШХ15СГ-В, кроме баллов 1 – 4 стандартной шкалы, допускается балл 5, в котором средний размер частиц цементита равен 0,72 мкм; кроме того, допускаются незначительные участки пластинчатого перлита (менее 5% площади).

Рисунок 1 – Микроструктура стали ШХ15СГ-В после отжига, зернистый перлит

Вследствие большой ликвации хрома и углерода в стали ШХ15СГ-В возникает карбидная неоднородность, проявляющаяся в виде карбидной ликвации, карбидной полосчатости, структурной полосчатости. Еще один вид неоднородности – карбидная сетка – вызывается температурными режимами прокатки и термической обработки; она связана также с дендритной ликвацией.

Перечисленный дефекты выявляются после закалки стали на мартенсит, низкотемпературного отпуска и специального травления шлифов.

В сплавах на основе железа и других металлов всегда присутствуют в виде отдельной фазы частицы неметаллического характера (неметаллические включения), которые в большинстве случаев оказывают отрицательное влияние на качество металла.

Для определения степени загрязненности и состава неметаллических включений в подшипниковой стали наиболее широко распространен метод оценки степени загрязнен­ности неметаллическими включениями по эталонным шкалам. Этот метод характеризуется удобством и простотой в работе, возможностью просматривать значительную площадь микрошлифов и получать информацию не только об общей загрязненности стали (считается полуколичественным), но и о размере, форме, распределении и составе включений.

Несмотря на интенсивное развитие количественных автоматиче­ских методов подсчета включений с применением специальных уста­новок, оценка по стандартным шкалам на ближайшее будущее будет оставаться наиболее широко применимой в контрольных ла­бораториях. Это объясняется прежде всего тем, что метод основан на просмотре большой площади и поэтому позволяет выявить круп­ные включения. В основе метода оценки по шкалам лежит принцип срав­нения; наблюдаемые при увеличении примерно 100 включения сравнивают с эталонами стандартных шкал.