производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр
Дослідження характеру структурної деградації металу пакувальних ножів

"Промисловість у фокусі"
стор. 57, №12(61), грудень 2017

Скобло Т. З, д.т.н., професор, Романюк С. П., к.т.н., Сидашенко А. И., к.т.н., професор
Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П. Василенко

Демченко С. В., директор
ТОВ "НПП "УКРІНТЕХ"

Вступ

Нині для оцінки якості деталей на різних етапах їх життєвого циклу(в процесі виготовлення, зміцнення і експлуатації) використовуються новітні методи контролю із застосуванням сучасного устаткування. Особливо актуальними є неруйнівні методи. Проведення своєчасного комплексного контролю механічних властивостей інструменту в умовах виробничого процесу дозволяє визначити динаміку і період настання дегроадаційних процесів, що відбуваються.

Один з найпоширеніших методів механічних випробувань являється визначення твердості. Чисельне значення визначення твердості можна робити по різних методиках Виккерса, Бринелля і Роквеллу. Дані, отримані при вимірі твердості по Бринеллю, дозволяють додатково визначити такі механічні характеристики, як межу міцності і межу плинності. Вимір твердості і мікротвердості па методу Виккерса, з використанням алмазної пірамідки, забезпечує геометричну подібність відбитків при будь-якому навантаженні, які можливо використати і для оцінки анізотропії властивостей металу, а також для математичного опису дегроадаційних зон і характеру їх формування в поверхневих шарах інструменту.

Метою роботи є вивчення характеру структурної деградації металу ножів за допомогою неруйнівного контролю якості виробів.

Для досягнення поставленої мети співробітниками університету ХНТУСХ проведені комплексні дослідження спільно з центром незалежних досліджень ТОВ "НПП "Укринтех", який має необхідне устаткування для оцінки твердості, а також інші прилади власного виробництва і провідних світових брендів(ультразвукові дефектоскопи нового покоління, сервоприводные випробувальні машини, динамічні портативні і стаціонарні твердомеры, металографічні мікроскопи, маятникові копри і багато іншого) для проведення руйнівних і неруйнівних методів контролю і аналізу, як стандартних, так і спеціальних зразків.

Застосування сучасного устаткування актуальне використати для:

  • створення нових технологічних процесів;
  • коригування діючої технології виробництва;
  • вивчення процесів деградації металу, які можуть грунтуватися на результатах комплексного дослідження твердості і мікротвердості;
  • фазового складу;
  • аналізу дефектності структури.

Матеріали і результати дослідження

У цій роботі проведено дослідження ножів для упаковки цукерок(рис.1), що мають чотири різальні кромки, які періодично(у міру затупления) перевертаються в процесі експлуатації для того, щоб використати гостріше лезо. Заточування інструменту проводитися після того, як усі чотири кути перестають якісно виконувати свої функції по розрізанню пакувальної плівки. Відновлення гостроти кромки проводиться за допомогою ректифікації двох торцевих площин інструменту.

Рис.1. Зовнішній вигляд різального інструменту для упаковки цукерок

Термін служби інструменту і якість різання залежить від правильно проведеного регулювання(монтажу безпосередньо на машині), хорошого заточування леза, а також від металу, з якого виготовлений ніж, тобто від стабільності його структурних складових.

Основою цих досліджень стало виявлення структурних трансформацій з оцінкою зміни твердості і мікротвердості в різних зонах пакувального інструменту.

Дослідження проводили в атестованій лабораторії. Хімічний склад металу пакувального ножа зарубіжного виробництва, отриманий за допомогою оптико-эмиссионного спектрометра Metavision, - 1008i, представлений в таблиці 1.

Таблиця 1. Хімічний склад металу ножа

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

Такі різальні інструменти в процесі експлуатації піддаються дії зовнішніх сил, які, у ряді випадків, призводять до деформації і руйнування. Для оцінці механічних властивостей ножа проводили виміри твердості і мікротвердості, на стаціонарному автоматизованому твердомере Микро-Виккерс UIT HVmicro - 1(рис.2) з горизонтальним вантаженням.

Рис.2. Зовнішній вигляд твердомера мікро-Виккерса UIT HVmicro - 1

Зображення відбитків індентора на аналізованій робочій поверхні інструменту при різних величинах прикладеного навантаження, а також отримані значення твердості і мікротвердості представлені на рис.3 і таблиці.2 відповідно.

Мал. 3. Зображення відбитків індентора при різних величинах прикладеного навантаження : а - 0,245 Н, би - 0,49 Н, в - 9,807 Н

Таблиця 2. Результати виміри твердості і мікротвердості, отримані на твердомере Микро-Виккерс UIT HVmicro, - 1

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

Середнє значення мікротвердості при навантаженні 0,245Н по поверхні пакувального ножа склало 761,42МПа при максимальному розкиді свідчень до 256,1 МПа, що складає ~ 33,6%. Імовірно, спостережувана різниця в діагоналях вимірів свідчить про структурну неоднорідність і наявність легованих карбідів в металі інструменту. Зі збільшенням навантаження до 0,49Н зростає значення твердості і досягає 800,36МПа з одночасним зменшенням розкиду даних до 82,14МПа(~ 10,3%.).

З підвищенням навантаження збільшується і глибина проникнення індентора в поверхню зразка(мал. 4).

Мал. 4. Залежність глибини проникнення індентора від величини навантаження

Середнє значення твердості при навантаженні 9,807Н склало 835,44МПа, при цьому розкид не перевищує 4,7%. Це пояснюється тим, що метод мікротвердості є чутливішим показником при локальній оцінці міри неоднорідності структури.

Для коректного трактування отриманих результатів потрібне проведення комплексних досліджень, т. до. не завжди відхилення в отриманих значеннях свідчить про помилку у вимірах. Виявлення істотного розкиду даних може свідчити про:

  • структурній неоднорідності і наявності дисперсних твердих включень;
  • деградації металу в різних зонах;
  • вертикальній і горизонтальній анізотропії властивостей аналізованих зон виробу.

Для детальнішого дослідження проведений пробовідбір і підготовлений шліф для металографічного аналізу. Мікроструктура металу пакувального інструменту представлена на рис.5

Рис.5. Мікроструктура аналізованої деталі

В результаті аналізу в полі шліфа виявлена структурна неоднорідність і наявність великих легованих карбідів. Виміри мікротвердості при навантаженні 0,245Н підтвердили зроблене раніше припущення об наявність в структурі інструменту твердіших включень. Максимальна мікротвердість легованого спецкарбіду(імовірно за змістом хрому Q23C6) склала 1604,7МПа.

При дослідженні зображень мікроструктури металу пакувального ножа, були отримані дані про те, що площа великих спецкарбідів коливається в межах 116-193мкм2. Таким чином, проаналізувавши отримані дані про розміри відбитку індентора і глибину його проникнення(см.табл. 2, рис.4 і рис.5) і зіставивши розмір виявлених карбідів витікає, що чутливим, при визначенні структурної неоднорідності, являється метод оцінки мікротвердості з допустимим навантаженням на індентор не більше 0,245 Н. Тому подальші дослідження проведені при цьому навантаженні.

Міру вертикальної і горизонтальної неоднорідності оцінювали по анізотропії властивостей. Цей показник аналізували для різних зон інструменту і структурних складових, що відрізняються. Отримані результати представлені в таблиці. 3.

Таблиця 3. Вертикальна і горизонтальна неоднорідність

Діагоналі індентора, мкм Неоднорідність % Відхилення від середнього  
d, d,
5,44 5,38 1,10 7,56 Світлі ділянки(спец карбіди) середня частина зразка(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
Середня неоднорідність 8,66  
8,94 8,06 9,84 8,50 Матриця
8,94 7,44 16,78 1,56
7,25 8,63 19,03 0,69
7 8,94 27,71 9,37
Середня неоднорідність 18,34  
8,06 8,63 7,07 6,24 , Матриця у краю робочої поверхні (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
Середня неоднорідність 13,31  
5,44 5,5 1,10 4,47 Світлі ділянки (спец карбіди)
6,88 6,19 10,03 4,47
Середня неоднорідність 5,57    

Рис.6. Відбитки індентора, отримані при визначенні твердості на досліджуваній поверхні зразку : а - у краю робочої зони, би - в середній частині

Порівняльним аналізом отриманих результатів в різних зонах одного і того ж пакувального ножа виявлена максимальна неоднорідність в матриці інструменту, яка досягає 27,71%. Це пов'язано зі зміною долі і кількістю деградованої(зруйнованою) карбідної фракції в металі, підвищеної міри попередньої вертикальної і горизонтальної деформації.

Проаналізувавши відхилення в різних зонах(основній частині інструменту і у краю робочої поверхні) по мірі анізотропії встановили, що в процесі експлуатації відбуваються істотні структурні зміни. У краю робочої поверхні спостерігається дроблення карбідної фази і їх перебудова у вигляді ланцюжка під дією деформації(рис.6, а), формування світлішої зони уздовж робочої поверхні з тією, що істотно відрізняється в усіх вимірах вертикальною і горизонтальною неоднорідністю. Усе це призводить до появи тріщин і подальшого руйнування робочої поверхні і ножа в цілому.

Своєчасний контроль стану інструменту неруйнівними методами і аналіз даних для визначення динаміки його властивостей дозволяє прогнозувати експлуатаційну стійкість. Для того, щоб оцінити механічних властивостей металу в умовах виробництва для виробів складної форми і - великогабаритних можливо застосовувати ультразвуковий портативний твердомер UIT ТКМ-459М(рис.7).

Рис. 7. Зовнішній вигляд ультразвукового портативного твердомера UIT ТКМ-459М

На додаток до досліджень, проведених на стаціонарному автоматизованому приладі Микро-Виккерс UIT HVmicro - 1, порівняльно проаналізували дані, отримані з портативного твердомера. Оцінені значення твердості по методу Виккерса і Бринелля на основі прошитих в приладі стандартизованих шкал твердості HV і НВ(таблиця.4).

Таблиця 4. Результати виміри твердості, отримані на ультразвуковому портативному твердомере UIT ТКМ-459М

HV, МПа НВ, МПа Навантаження
714 626 9,807 Н
758 635
725 620
698 625
735 644
704 629
736 627
748 611
702 615
744 623

На підставі отриманих значень твердості по Бринеллю може бути оцінена межа міцності на розрив по ГОСТ 22761-77 для вуглецевих сталей або приблизно визначений рівень цього показника по формулі:

σУ = с-НВ,

де коефіцієнт з розраховується залежно від діапазону отриманих значень твердості. НВ < 175 з = 0,362; НВ > 175 з = 0,345.

З аналізу отриманих в таблиці.4 даних витікає, що середнє значення твердості по методу Виккерса при навантаженні 9,807Н склало 726,4МПа, при цьому розкид не перевищує 4,35%. Порівняльний аналіз отриманих результатів твердості по Виккерсу(див. таблицю.2. і таблиця.4) показав, що портативний твердомер менш чутливий до структурної неоднорідності. Проте, з його допомогою оперативно можна контролювати зміну рівня твердості і межі міцності в процесі життєвого циклу виробу безпосередньо неруйнівним методом на виробництві.

Результати проведеного детального аналізу процесів деградації структури металу, що відбуваються, планується використати для розробки технології зміцнення різального інструменту, збільшення терміну його служби методом нанесення нанопокриттів.

Висновки

В результаті виконаних комплексних досліджень і оцінки можливості застосування методів неруйнівного контролю якості виробів при вивченні характеру неоднорідності механічних властивостей металу інструменту виявлена зміна твердості і мікротвердості по робочій поверхні і в перерізі пакувального ножа. Ці дослідження дозволили виявити анізотропію властивостей(досягає 27,71%), пов'язану з деградацією металу і структурними змінами, які сталися в процесі експлуатації. В результаті проведеного аналізу мікроструктури робочої поверхні встановлено, що її деградації передують наступні етапи:

  • процеси дифузії і руйнування карбідів;
  • фрагментація дрібних карбідів при деформації;
  • вибудовування карбідів в ланцюжки;
  • поява світлої зони уздовж робочої поверхні;
  • формування тріщин при подальшій деградації ланцюжка дрібних карбідів, розташованих під кутом 45(відповідає дії стискуванням);
  • руйнування робочої поверхні від таких тріщин.

Показано, що залежно від поставлених цілей дослідження і початкової твердості матеріалу необхідно використати відповідні твердомеры і навантаження. Слід враховувати, що виміри, проведені при великому навантаженні, не реагують на міру локальної неоднорідності і анізотропії властивостей.

З 2011 року науково-виробниче підприємство «УКРІНТЕХ» успішно працює і розвивається в області контролю якості матеріалів та промислових виробів.

Контакти

ТОВ НВП "Укрінтех":
м.Харків, вул.Ковтуна, буд.50, корпус "А-5"

Для пошти:
а/с 2304, Харків-1, 61001, Україна

ТОВ НВП "Укрінтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНД Лабораторія"
+38 (098) 262-48-92

Компанія

Виробництво і постачання
випробувального обладнання, устаткування для металографії, приладів НК та ін.

Сервісний центр
Ремонт, сервісне обслуговування і модернізація обладнання.

Центр незалежних досліджень

Акредитована випробувальна лабораторія.