СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ НА МИКРОШЛИФЕ Российский патент 1996 года по МПК G01N3/46 

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно инструментального производства, и может быть использовано при изготовлении режущего или другого инструмента.

При изготовлении или эксплуатации инструмента на его режущих гранях может возникать дефектный слой с твердостью, отличной от твердости сердцевины. При изготовлении деталей конструкций также может измениться поверхностная твердость, например, за счет наклепа, обезуглероживания, наводороживания и т. д. В таких случаях возникает необходимость определения твердости вблизи режущей кромки или края плоскости детали, что выполняется часто на поперечных микрошлифах. При этом вполне обосновано стремление определять твердость как можно ближе к кромке. Дефектный слой режущего инструмента из быстрорежущей стали, возникающий при заточке, может иметь глубину, например 6-9 мкм. С целью упрочнения часто наносят поверхностный слой с повышенной твердостью.

Известны методы определения микротвердости, допускающие приближение отпечатка от вдавливания алмазной пирамиды (ГОСТ 9450-76) или царапины-канавки (ГОСТ 21318-75) к краю плоскости на определенное регламентирование расстояние, однако иногда превышающее толщину дефектного слоя. В этом случае твердость режущей кромки (края плоскости) остается неизвестной.

За прототип принят метод измерения микротвердости царапанием ребром алмазной четырехгранной пирамиды по ГОСТ 21318-75, где в пункте 4.4 предусмотрено расстояние от канавки до края поверхности не менее двойной ширины канавки. При этом метод не учитывает величину завала или уступа кромки, что часто неизбежно при подготовке микрошлифа. В п.3.1 ГОСТ 21318-75 сказано "Испытуемая поверхность должна быть плоской". С учетом завала допустимое расстояние от канавки до кромки будет еще больше, что не отвечает запросам практики. Например, при анализе причин низкой стойкости режущего инструмента необходимо знать твердость на расстоянии от кромки меньшем, чем величина дефектного слоя.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей метода измерения микротвердости царапанием с приближением непосредственно к режущей кромке инструмента или краю плоскости детали.

Поставленная цель достигается тем, что канавку наносят не параллельно кромке или под произвольным углом, а перпендикулярно, микротвердость (ширину канавки) определяют на расстоянии, равном сумме величины завала (уступа) кромки и половину ширины канавки, определяемой на границе завала.

В этом случае, как показано на схеме фиг.1, удается приблизиться к кромке, не опасаясь контакта наплыва с кромкой. При параллельном царапании наплыв располагается между осью канавки и кромкой, что вызывает необходимость удаления царапины от кромки для исключения искажений микротвердости. При перпендикулярном царапании наплыв остается в стороне, перед ребром алмазной пирамиды наплыва нет.

Технологический допуск на угол 90^o должен быть равен углу β (см. фиг.1), равному разнице 90^o и угла a между гранью алмазной пирамиды и линией бокового наплыва. На рисунке (фиг.1) показано два положения отпечатков алмазной пирамиды на перпендикулярной царапине, левое перед завалом, когда ширина канавки b не искажена воздействием завала и наплыва при расстоянии от линии измерения ширины канавки до завала, равном 0,5 b, и правое в конце царапины.

Существенные признаки, общие с прототипом, нанесение канавки царапанием под нормальной нагрузкой и определение ширины канавки на определенном расстоянии от кромки.

Отличительные от прототипа признаки, составляющие существенно изобретения: канавка наносится перпендикулярно к кромке, измеряется величина завала или уступа и учитывается в ограничении расстояния от места измерения ширины канавки до кромки.

Фиг.1 перпендикулярная и параллельные канавки и определение ширины канавки с учетом завала (уступа) кромки: 1 граница канавки; 2 наплыв; 3 - завал (уступ) кромки; 4 кромка инструмента (детали); 5 твердое буферное гальванопокрытие; 6 монтировочная пластмасса; 7 искаженная граница канавки; 8 граница завала; Ц направление царапания.

Фиг. 2 перпендикулярная канавка через кромку образца быстрорежущей стали и буферное гальванопокрытие (хромирование). Уступ кромки и диффузионный слой отсутствуют. Шлиф травлен.х 300.

Фиг. 3 перпендикулярная канавка через кромку образца быстрорежущей стали с хромированием. Канавка сужается у кромки по диффузионному слою х 300.

Для реализации предложения проделывают следующие операции. Наносят на контролируемом участке инструмента буферное твердое гальванопокрытие (без диффузионного отжига) для уменьшения завала на микрошлифе. Твердость покрытия должна быть несколько больше твердости инструмента (тогда будет уступ на микрошлифе) или близка к ней. Делают поперечно к контролируемой грани разрез, например электрофизическим методом. Подготавливают микрошлиф без травления. Определяют величину завала (уступа) l контролируемой кромки с помощью, например, металлографического микроскопа. При этом используют прием фокусировки на резкость, величину завала измеряют по окулярной сетке. На микротвердомере наносят по микрошлифу канавку перпендикулярно кромке, продолжают канавку по буферному покрытию. Технологическое отклонение от перпендикулярности канавки учитывают как угол, равный β = 90^°-α (фиг.1). Угол a определяют с помощью микроскопа миктротвердомера. Определяют технологическую ширину канавки b' на границе завала (уступа). Определяют искомую ширину канавки на расстоянии от кромки, равном сумме величины уступа (завала) l и половины b' (l+0,5 b'). По ГОСТ 21318-75 находят искомое значение микротвердости с учетом выбранной нагрузки и ширины канавки.

Способ проверен практически с определением микротвердости кромки образцов из быстрорежущей стали Р6М5К5, термообработанных по стандартной технологии и шлифованных по всем граням без снятия фаски. Образцы имели размеры 6х6х30 мм, определялась микротвердость вблизи большой кромки.

Для предотвращения завала кромки на поверхность образца наносили слой гальванопокрытия хромирование толщиной 18-40 мкм. Микротвердость покрытия несколько выше микротвердости образца. Дефектный слой от шлифовки, что выявляли металлографически, отсутствовал.

Царапины проводили на микротвердомере ПМТ-3 перпендикулярно контролируемой кромке из основного металла через покрытие и далее в пластмассовую заливку (монтировочную обойму). Отклонение от перпендикулярности царапины к кромке составляло не более 10^o. Угол наплыва впереди ребра алмазной пирамиды составлял α = 15^° тогда β = 90^°-15^°= 75^°. Однако для гарантии перпендикулярности необходимо применять допуск на отклонение от перпендикулярности, равный, например, ±20^o.

Пример 1. Результаты сравнительного определения микротвердости у кромки образца (фиг. 2) показаны в табл.1, где приводятся данные микротвердости по ширине царапины, определяемой на травленном микрошлифе. Травление сделано с целью четкого выявления границы кромки образца и начала гальванопокрытия. Видно из таблицы, что микротвердость у кромки совпадает с микротвердостью на расстоянии 2b' от кромки. Это позволяет обосновать измерение микротвердости на перпендикулярной царапине ближе к кромке, чем предусмотрено ГОСТ 21328-75. В данном случае при микротвердости, например, 1017,3 H_□PO,2 ширина канавки равна 27 мкм, 2b'=54 мкм, 0,5b'=13,5 мкм.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет в 4 раза ближе к кромке определять микротвердость, чем предусмотрено стандартом (ГОСТ 21318-75).

Пример 2. Образец из быстрорежущей стали Р6М5К5 такой же, как в примере 1. После хромирования проведен диффузионный отжиг 180^o 3 ч. Результаты определения микротвердости показаны в табл. 2, канавка на фиг.3. В данном случае микротвердость у края плоскости и основной части образца разные. Обнаружен диффузионный слой от гальванопокрытия с повышенной твердостью 916,3-1008,8 H_□PO,2 по сравнению с твердостью сердцевины, а также на расстоянии 2b от кромки, равной 840,7 H_□PO,2.
Пример 3. Определяли микротвердость на микрошлифе образца стали ХВГ с карбонитрацией (табл.3), как поверхностным упрочнением. Буферное покрытие - хромирование с диффузионным отжигом (180^oС 3 ч). Уступ у кромки образца отсутствовал, однако обнаружен диффузионный слой от гальванопокрытия с повышенной твердостью 1255,9 H_□PO,2 по сравнению с твердостью слоя карбонитрации (601,9-706,4 H_□PO,2) глубиной 16 мкм.

Обнаружить диффузионный слоя на расстоянии 2b невозможно (стандартный метод прототип).

В описанных примерах 1-3 брали нагрузку при царапании 0,2 кгс. При других нагрузках будет другая ширина канавки и, соответственно, другие абсолютные значения нормы допустимого расстояния до края плоскости. Однако соотношение этих норм при параллельном и перпендикулярном царапании должно сохраняться, а именно 2:0,5=4.

Например, при твердости 840,7 H_□P,, определяемой с нагрузкой 0,2 кгс половина ширины канавки равно 14,8 мкм, а 2=59,4 мкм. При нагрузке 0,02 кгс эти значения соответственно равны 4,6 мкм и 18,8 мкм. Предлагаемый способ позволяет при этом оценить микротвердость дефектного или поверхностного слоя с глубиной в несколько микрометров, а стандартный десятки микрометров. К тому же нанести параллельную царапину вблизи кромки на расстоянии нескольких микрометров практически невозможно, особенно при наличии завала (уступа).

Способ применим для определения микротвердости у края плоскости (кромки) с гальванопокрытием, поверхностным диффузионным слоем, дефектным слоем.

Способ определения микротвердости. Область использования: в машиностроении при изготовлении режущего или другого инструмента. Сущность: методом царапания на микрошлифе наносится канавка, перпендикулярная кромке. Ширина канавки измеряется на расстоянии от кромки с учетом уступа кромки и половины ширины канавки, определяемой на границе уступа. Способ реализуется на стандартном твердомере. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

1. Способ определения микротвердости на микрошлифе у края поверхности или кромки инструмента или детали с буферным слоем, имеющим твердость, близкую к твердости инструмента или детали, получаемой путем гальванопокрытия без последующего диффузионного отжига, царапанием с нанесением канавки ребром алмазной четырехгранной пирамиды под действием нормальной нагрузки и определения ширины канавки, отличающийся тем, что на микрошлифе определяют ширину завала или уступа кромки, наносят на микрошлифе канавку, перпендикулярно кромке, через основной металл и буферный слой, определяют технологическую ширину канавки на границе завала или уступа и на расстоянии от края поверхности, равном сумме ширины завала или уступа и половины технологической ширины канавки, определяют микротвердость инструмента или детали. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отсутствии завала или уступа микротвердость определяют на любом расстоянии от кромки, при этом расстояние от кромки должно быть не менее половины ширины канавки.