Исследование характера структурной деградации металла упаковочных ножей

"Промышленность в фокусе"
стр. 57, №12 (61), декабрь 2017

Скобло Т. С, д.т.н., профессор, Романюк С. П., к.т.н., Сидашенко А.И., к.т.н., профессор
Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. П. Василенко

Демченко С.В., директор
ООО "НПП "УКРИНТЕХ"

Введение

В настоящее время для оценки качества деталей на различных этапах их жизненного цикла (в процессе изготовления, упрочнения и эксплуатации) используются новейшие методы контроля с применением современного оборудования. Особенно актуальными являются неразрушающие методы. Проведение своевременного комплексного контроля механических свойств инструмента в условиях производственного процесса позволяет определить динамику и период наступления происходящих деградационных процессов.

Один из самых распространенных методов механических испытаний является определение твердости. Численное значение определения твердости можно производить по различным методикам Виккерса, Бринелля и Роквелла. Данные, полученные при измерении твердости по Бринеллю, позволяют дополнительно определить такие механические характеристики, как предел прочности и предел текучести. Измерение твердости и микротвердости па методу Виккерса, с использованием алмазной пирамидки, обеспечивает геометрическое подобие отпечатков при любой нагрузке, которые возможно использовать и для оценки анизотропии свойств металла, а также для математического описания деградационных зон и характера их формирования в поверхностных слоях инструмента.

Целью работы является изучение характера структурной деградации металла ножей при помощи неразрушающего контроля качества изделий.

Для достижения поставленной цели сотрудниками университета ХНТУСХ проведены комплексные исследования совместно с центром независимых исследований ООО «НПП «Укринтех», который имеет необходимое оборудование для оценки твердости, а также другие приборы собственного производства и ведущих мировых брендов (ультразвуковые дефектоскопы нового поколения, сервоприводные испытательные машины, динамические портативные и стационарные твердомеры, металлографические микроскопы, маятниковые копры и много другого) для проведения разрушающих и неразрушающих методов контроля и анализа, как стандартных, так и специальных образцов.

Применение современного оборудования актуально использовать для:

  • создания новых технологических процессов;
  • корректировки действующей технологии производства;
  • изучения процессов деградации металла, которые могут быть основаны на результатах комплексного исследования твердости и микротвердости;
  • фазового состава;
  • анализа дефектности структуры.

Материалы и результаты исследования

В данной работе проведено исследование ножей для упаковки конфет (рис.1), имеющие четыре режущих кромки, которые периодически (по мере затупления) переворачиваются в процессе эксплуатации для того чтобы использовать более острое лезвие. Заточка инструмента проводиться после того как все четыре угла перестают качественно выполнять свои функции по разрезке упаковочной пленки. Восстановление остроты кромки проводится посредством ректификации двух торцевых плоскостей инструмента.

Рис.1. Внешний вид режущего инструмента для упаковки конфет

Срок службы инструмента и качество резки зависит от правильно проведенной регулировки (монтажа непосредственно на машине), хорошей заточки лезвия, а также от металла, из которого изготовлен нож, т.е. от стабильности его структурных составляющих.

Основой этих исследований явилось выявление структурных трансформаций с оценкой изменения твердости и микротвердости в различных зонах упаковочного инструмента.

Исследования проводили в аттестованной лаборатории. Химический состав металла упаковочного ножа зарубежного производства, полученный с помощью оптико-эмиссионного спектрометра Metavision- 1008i, представлен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав металла ножа

Элементы С Si Мп Сг Fe Р Мо Прочие: Al, Ti, Sn, V, Со
Кол-во, % 1,49 0,41 0,35 12,12 85,48 0,01 0,12 <0.1

Такие режущие инструменты в процессе эксплуатации подвергаются воздействию внешних сил, которые, в ряде случаев, приводят к деформации и разрушению. Для оценке механических свойств ножа проводили измерения твердости и микротвердости, на стационарном автоматизированном твердомере микро-Виккерс UIT HVmicro-1 (рис.2) с горизонтальным нагружением.

Рис.2. Внешний вид твердомера микро- Виккерса UIT HVmicro-1

Изображения отпечатков индентора на анализируемой рабочей поверхности инструмента при разных величинах приложенной нагрузки, а также полученные значения твердости и микротвердости представлены на рис.3 и табл.2 соответственно.

Рис. 3. Изображения отпечатков индентора при разных величинах приложенной нагрузки: а - 0,245 Н, б - 0,49 Н, в - 9,807 Н

Таблица 2. Результаты измерения твердости и микротвердости, полученные на твердомере микро-Виккерс UIT HVmicro-1

HV, МПа Диагонали индентора, мкм Нагрузка
1 784,5 7,38*8,8 0,245 Н (25 г)
2 681,1 11,13*8,5
3 564,5 9,06*9,00
4 759,5 7,75*7,88
5 1017,5 6,38*6,63
1 831,1 10,69*10,50 0,49 Н (50г)
2 724,5 8,94*11,31
3 831,1 10,69*10,50
4 732,6 11,56*11,50
5 882,5 8,50*12,00
1 855,3 45,25*47,94 9,807 Н(1кг)
2 830,6 49,63*49,56
3 857,6 45,31*45,25
4 796,5 46,13*50,38
5 837,2 46,56*46,63

Среднее значение микротвердости при нагрузке 0,245Н по поверхности упаковочного ножа составило 761,42МПа при максимальном разбросе показаний до 256,1 МПа, что составляет ~ 33,6%. Предположительно, наблюдаемая разница в диагоналях измерений свидетельствует о структурной неоднородности и наличии легированных карбидов в металле инструмента. С увеличением нагрузки до 0,49Н возрастает значение твердости и достигает 800,36МПа с одновременным уменьшением разброса данных до 82,14МПа (~ 10,3%.).

С повышением нагрузки увеличивается и глубина проникновения индентора в поверхность образца (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость глубины проникновения индентора от величины нагрузки

Среднее значение твердости при нагрузке 9,807Н составило 835,44МПа, при этом разброс не превышает 4,7%. Это объясняется тем, что метод микротвердости является более чувствительным показателем при локальной оценке степени неоднородности структуры.

Для корректной трактовки полученных результатов необходимо проведение комплексных исследований, т. к. не всегда отклонения в полученных значениях свидетельствует об ошибке в измерениях. Выявление существенного разброса данных может свидетельствовать о:

  • структурной неоднородности и наличии дисперсных твердых включений;
  • деградации металла в разных зонах;
  • вертикальной и горизонтальной анизотропии свойств анализируемых зон изделия.

Для более детального исследования проведен пробоотбор и подготовлен шлиф для металлографического анализа. Микроструктура металла упаковочного инструмента представлена на рис.5

Рис.5. Микроструктура анализируемой детали

В результате анализа в поле шлифа выявлена структурная неоднородность и наличие крупных легированных карбидов. Измерения микротвердости при нагрузке 0,245Н подтвердили сделанное ранее предположение о наличие в структуре инструмента более твердых включений. Максимальная микротвердость легированного спецкарбида (предположительно по содержанию хрома Q23C6) составила 1604,7МПа.

При исследовании изображений микроструктуры металла упаковочного ножа, были получены данные о том, что площадь крупных спецкарбидов колеблется в пределах 116-193мкм2. Таким образом, проанализировав полученные данные о размерах отпечатка индентора и глубине его проникновения (см.табл.2, рис.4 и рис.5) и сопоставив размер выявленных карбидов следует, что чувствительным, при определении структурной неоднородности, является метод оценки микротвердости с допустимой нагрузкой на индентор не более 0,245 Н. Поэтому дальнейшие исследования проведены при данной нагрузке.

Степень вертикальной и горизонтальной неоднородности оценивали по анизотропии свойств. Данный показатель анализировали для различных зон инструмента и отличающихся структурных составляющих. Полученные результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3. Вертикальная и горизонтальная неоднородность

Диагонали индентора, мкм Неоднородность, % Отклонение от среднего  
d, d,
5,44 5,38 1,10 7,56 Светлые участки (спец карбиды) средняя часть образца (рис.6, а)
б 6,75 12,50 3,84
5,5 6,38 16,00 7,34
6,5 5,75 11,54 2,88
5,56 5,44 2,16 6,50
Средняя неоднородность 8,66  
8,94 8,06 9,84 8,50 Матрица
8,94 7,44 16,78 1,56
7,25 8,63 19,03 0,69
7 8,94 27,71 9,37
Средняя неоднородность 18,34  
8,06 8,63 7,07 6,24 , Матрица у края рабочей поверхности (рис.6,б)
7,88 8,44 7,11 6,20
7 8,38 19,71 6,40
7,44 8,88 19,35 6,04
Средняя неоднородность 13,31  
5,44 5,5 1,10 4,47 Светлые участки (спец карбиды)
6,88 6,19 10,03 4,47
Средняя неоднородность I 5,57    

Рис.6. Отпечатки индентора, полученные при определении твердости на исследуемой поверхности образце: а - у края рабочей зоны, б - в средней части

Сопоставительным анализом полученных результатов в различных зонах одного и того же упаковочного ножа выявлена максимальная неоднородность в матрице инструмента, которая достигает 27,71%. Это связано с изменением доли и количеством деградированной (разрушенной) карбидной фракции в металле, повышенной степени предшествующей вертикальной и горизонтальной деформации.

Проанализировав отклонения в различных зонах (основной части инструмента и у края рабочей поверхности) по степени анизотропии установили, что в процессе эксплуатации происходят существенные структурные изменения. У края рабочей поверхности наблюдается дробление карбидной фазы и их перестройка в виде цепочки под действием деформации (рис.6,а), формирование более светлой зоны вдоль рабочей поверхности с существенно отличающейся во всех измерениях вертикальной и горизонтальной неоднородностью. Все это приводит к появлению трещин и дальнейшему разрушению рабочей поверхности и ножа в целом.

Своевременный контроль состояния инструмента неразрушающими методами и анализ данных для определения динамики его свойств позволяет прогнозировать эксплуатационную стойкость. Для того чтобы оценить механических свойств металла в условиях производства для изделий сложной формы и - крупногабаритных возможно применять ультразвуковой портативный твердомер UIT ТКМ-459М (рис.7).

Рис. 7. Внешний вид ультразвукового портативного твердомера UIT ТКМ-459М

В дополнение к исследованиям, проведенных на стационарном автоматизированном приборе микро-Виккерс UIT HVmicro-1, сопоставительно проанализировали данные, полученные с портативного твердомера. Оценены значения твердости по методу Виккерса и Бринелля на основе прошитых в приборе стандартизированных шкал твердости HV и НВ (табл.4).

Таблица 4. Результаты измерения твердости, полученные на ультразвуковом портативном твердомере UIT ТКМ-459М

HV, МПа НВ, МПа Нагрузка
1 714 626 9,807 Н
2 758 635
3 725 620
4 698 625
5 735 644
6 704 629
7 736 627
8 748 611
9 702 615
10 744 623

На основании полученных значений твердости по Бринеллю может быть оценен предел прочности на разрыв по ГОСТ 22761-77 для углеродистых сталей или приблизительно определен уровень данного показателя по формуле:

σВ = с-НВ,

где коэффициент с рассчитывается в зависимости от диапазона полученных значений твердости. НВ < 175 с = 0,362; НВ > 175 с = 0,345.

Из анализа полученных в табл.4 данных следует, что среднее значение твердости по методу Виккерса при нагрузке 9,807Н составило 726,4МПа, при этом разброс не превышает 4,35%. Сопоставительный анализ полученных результатов твердости по Виккерсу (см. табл.2. и табл.4) показал, что портативный твердомер менее чувствителен к структурной неоднородности. Однако, с его помощью оперативно можно контролировать изменение уровня твердости и предела прочности в процессе жизненного цикла изделия непосредственно неразрушающим методом на производстве.

Результаты проведенного детального анализа происходящих процессов деградации структуры металла планируется использовать для разработки технологии упрочнения режущего инструмента, увеличения срока его службы методом нанесения нанопокрытий.

Выводы

В результате выполненных комплексных исследований и оценки возможности применения методов неразрушающего контроля качества изделий при изучении характера неоднородности механических свойств металла инструмента выявлено изменение твердости и микротвердости по рабочей поверхности и в сечении упаковочного ножа. Данные исследования позволили выявить анизотропию свойств (достигает 27,71%), связанную с деградацией металла и структурными изменениями, которые произошли в процессе эксплуатации. В результате проведенного анализа микроструктуры рабочей поверхности установлено, что ее деградации предшествуют следующие этапы:

  • процессы диффузии и разрушения карбидов;
  • фрагментация мелких карбидов при деформации;
  • выстраивание карбидов в цепочки;
  • появление светлой зоны вдоль рабочей поверхности;
  • формирование трещин при последующей деградации цепочки мелких карбидов, расположенных под углом 45° (соответствует воздействию сжатием);
  • разрушение рабочей поверхности от таких трещин.

Показано, что в зависимости от поставленных целей исследования и исходной твердости материала необходимо использовать соответствующие твердомеры и нагрузку. Следует учитывать, что измерения, проведенные при большой нагрузке, не реагируют на степень локальной неоднородности и анизотропии свойств.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, пр-т. Гагарина 20, оф. 2319

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

Со стационарных:
+38 (057) 768-09-02

С мобильных:
+38 (066) 613-23-24; +38 (073) 022-36-96
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.