TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA STROJNÍ
Katedra materiáluObor: Materiály a technologie Zam ení: Materiálové inženýrství
NEDESTRUKTIVNÍ M ENÍ HLOUBKY A TVRDOSTI POVRCHOV KALENÝCH VRSTEV
NON-DESTRUCTIVE MEASUREMENT OF DEPTH AND HARDNESS OF SURFACE HARDENED LAYERS
Ond ej R ži ka KMT – B – 138
Vedoucí bakalá ské práce: doc. Ing. B etislav Skrbek, CSc.
Rozsah práce a p íloh:
Po et stran: 67 Po et obrázk : 51 Po et tabulek: 9 Po et graf : 1 Po et p íloh: 7
V Liberci, 23.kv tna 2008
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta strojní
Katedra materiálu Studijní rok: 2007/2008
ZADÁNÍ BAKALÁ SKÉ PRÁCE
Jméno a p íjmení
Ond ej R Ž I K A
studijní program B2341 Strojírenství
obor 3911 R 018 Materiály a technologie zam ení
Materiálové inženýrství
Ve smyslu zákona . 111/1998 Sb. o vysokých školách se Vám ur uje bakalá ská práce na téma:
Nedestruktivní m ení hloubky a tvrdosti povrchov kalených vrstev
Zásady pro vypracování:
(uve te hlavní cíle bakalá ské práce a doporu ené metody pro vypracování)
1. Seznamte se s technickou dokumentací kalených sou ástí, s jejich strukturou - kalených vrstev, p echodových zón a výchozího stavu.
2. Prove te rešerži používaných destruktivních a NDT metod stanovení hloubky a tvrdosti prokalení.
3. Navrhn te a ov te podmínky pro NDT metodiku m ení hloubky a tvrdosti
konkrétních povrchov kalených sou ástí. P esnost a reprodukovatelnost NDT
metody.
Forma zpracování bakalá ské práce:
- pr vodní zpráva v rozsahu 25 - 40 stran - p ílohy
Seznam literatury (uve te doporu enou odbornou literaturu):
[1] Jech, J.: Tepelné zpracování ocelí. SNTL Praha 1977.
[2] V chet, M. a kol.: Defektoskopie v otázkách a odpov dích.SNTL Praha 1989.
[3] Skrbek, B. :Publikace – výb r k zadání BP
Vedoucí bakalá ské práce: doc.Ing. B etislav Skrbek,CSc.
Konzultant bakalá ské práce :
L.S.
doc. Ing. František STUCHLÍK,CSc. prof. Ing. Petr LOUDA, CSc.
vedoucí katedry d kan
V Liberci dne 31.10. 2007
______________________________________________________________________________
Platnost zadání diplomové práce je 15 m síc od výše uvedeného data (v uvedené lh t je t eba
podat p ihlášku ke SZZ) .Termíny odevzdání diplomové práce jsou ur eny pro každý studijní rok
a jsou uvedeny v harmonogramu výuky.
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA STROJNÍ
Katedra materiáluANOTACE
OBOR:
Materiály a technologie
ZAM ENÍ:
Materiálové inženýrství
AUTOR:
Ond ej R ži ka
TÉMA PRÁCE:
Nedestruktivní m ení hloubky a tvrdosti povrchov kalených vrstev
ÍSLO PRÁCE:
KMT – B – 138
VEDOUCÍ PRÁCE:
doc. Ing. B etislav Skrbek, CSc.
Tato bakalá ská práce je zam ena na problematiku nedestruktivních metod m ení hloubek a tvrdostí povrchov kalených vrstev. Jsou zde provedeny návrhy t chto metod p ímo pro charakteristické strojní sou ásti jako je va ková h ídel nebo kliková h ídel. Byly zde využity principy ultrazvukového a magnetického nedestruktivního m ení.
Klí ová slova:
nedestruktivní zkoušení, povrchové kalení, m ení tvrdosti, hloubka zakalení, ultrazvuk,
magnetické metody
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA STROJNÍ
Katedra materiáluANNOTATION
SPECIALIZATION:
Materials and technologies
FOCUSING:Material engineering
AUTHOR:
Ond ej R ži ka
SUBJECT OF THE WORK:
Non-destructive measurement of depth and hardness of surface hardened layers
NUMBER OF THE THESIS:
KMT – B – 138
LEADER OF THE WORK:
doc. Ing. B etislav Skrbek, CSc.
This bachelor´s work is focused on problems of non-destructive methods of measurement of depth and hardness of surface hardened layers. There are performed proposals of these methods for characteristic machine components like camshaft or crankshaft. There were used principles of ultrasonic and magnetic non-destructive measurement.
Keywords:
non-destructive testing, surface hardening, hardness measurement, depth of hardening,
ultrasound, magnetic methods
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalá skou práci se pln vztahuje zákon . 121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na v domí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalá ské práce pro vnit ní pot ebu TUL.
Užiji-li bakalá skou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si v dom povinnosti informovat o této skute nosti TUL; v tomto p ípad má TUL právo ode mne požadovat úhradu náklad , které vynaložila na vytvo ení díla, až do jejich skute né výše.
Bakalá skou práci jsem vypracoval samostatn s použitím uvedené literatury a na základ konzultací s vedoucím bakalá ské práce a konzultantem.
Datum
Podpis
Pod kování
Cht l bych pod kovat p edevším panu doc. Ing. B etislavu Skrbkovi, CSc. za odborné vedení a rady týkající se mé bakalá ské práce. Velmi také d kuji Ing. Jaroslavu Smejkalovi ze spole nosti Testima spol. s. r. o. za prop j ení ultrazvukové m ící sestavy. Dále bych rád pod koval Vlast ílové, Ing. Adamovi Hota ovi, Ph.D. a Ing. Václavu Kubí kovi, za pomoc p i metalografických rozborech.
Ond ej R ži ka
Obsah:
Obsah
………...7
Použité zkratky a symboly
……… 91. Úvod
……….…. 112. Cíle práce
……… 113. Teoretická ást
……….. 113.1. Kalení ……… 11
3.1.1. Princip kalení ………. 11
3.1.2. Teploty kalení ……… 12
3.1.3. Struktura po kalení ……… 12
3.1.4. Druhy kalení ………. 17
3.1.5. Ochlazovací prost edí ……….…………. 19
3.1.6. Technická dokumentace kalených sou ástí ……….… 20
3.2. Povrchové kalení ……… 21
3.2.1. Princip povrchového kalení ……… 21
3.2.2. Druhy povrchového kalení ……….… 21
3.3. M ení tvrdosti a hloubky prokalení u povrchov kalených sou ástí ….. 24
3.3.1. B žné zkoušky m ení tvrdosti ……….. 24
3.3.2. B žné zkoušky m ení hloubky zakalených vrstev ……… 27
3.3.3. Nedestruktivní zkoušky m ení tvrdosti ……… 30
3.3.4. Nedestruktivní zkoušky m ení hloubky zakalených vrstev ……. 33
4. Praktická ást
……….….. 404.1. NDT strukturoskopie va kové h ídele motoru TEDOM ……… 40
4.1.1. Metalografický rozbor materiálu va kové h ídele………….…… 41
4.1.2. Návrh ultrazvukové metody m ení hloubky zakalené vrstvy va kové h ídele ……….... 45
4.1.3. M ení va kové h ídele pomocí m ícího za ízení USLT 2000 ……….. 47
4.1.4. M ení gradientu tvrdosti va kové h ídele nap í zakalenou vrstvou ………. 49
4.1.5. Návrh nedestruktivního m ení tvrdosti a vliv ší ky zakalené
vrstvy va kové h ídele ……….… 50
4.1.6. Vlastní vyhodnocení m ení tvrdosti va kové h ídele motoru TEDOM ……….. 52
4.2. NDT strukturoskopie klikového h ídele automobilu ŠKODA ………. 52
4.2.1. Metalografický rozbor materiálu klikové h ídele ŠKODA …... 52
4.2.2. Návrh ultrazvukové metody m ení ……….. 54
4.2.3. M ení klikové h ídele pomocí m ícího za ízení USLT 2000 ………. 55
4.3. NDT strukturoskopie klikového h ídele automobilu TEDOM …….… 56
4.3.1. Metalografický rozbor materiálu klikové h ídele TEDOM …… 56
4.3.2. Návrh metody m ení hloubky zakalení klikové h ídele TEDOM ……….… 58
4.3.3. M ení klikové h ídele TEDOM pomocí p ístroje DOMENA B3 ……… 58
4.4. NDT strukturoskopie p írubových h ídelí a náboj kolesa z automobilu VOLKSWAGEN……….……… 59
4.4.1. Metalografický rozbor materiálu p írubové h ídele a náboj kolesa z automobilu Volkswagen ……….. 60
4.4.2. Návrh metody m ení hloubky zakalení p írubové h ídele a náboj kolesa ……… 62
4.4.3. Vlastní m ení p írubové h ídele a náboj kolesa pomocí p ístroje DOMENA B3 ……….…. 62
5. Diskuze
……….… 646. Záv r
……….… 66Použitá literatura
……….. 67Seznam p íloh
……… 67Použité zkratky a symboly:
NDT zkoušení - Nedestruktivní zkoušení IRA - Izotermický rozpad austenitu ARA - Anizotermický rozpad austenitu
MS - Martenzit start
Mf - Martenzit finish
UCI - Ultrasonic Contact Impedance TIV - Through Indenter Viewing TOF - The time of flight – as letu EHT - Effective Hardening Thickness LKG - Litina s kuli kovým grafitem
q - Odvedená energie [W m-2]
T - Teplota [°C]
s - Hloubka proh áté vrstvy [m]
f - Frekvence st ídavého proudu [Hz]
- Permeabilita [H m−1]
- M rná elektrická vodivost [A2s3kg-1m-3].
HMa - Tvrdost dle Martense [1]
HR - Tvrdost dle Rockwella [1]
HV - Tvrdost dle Vickerse [1]
HK - Tvrdost dle Knoopa [1]
HSh - Tvrdost dle Shoreho [1]
F - Zát žná síla [N]
A - Plocha vtisku [mm2]
D - Pr m r kuli ky [mm]
d - Pr m r vtisku [mm]
F0 - P edb žná síla [N]
F1 - P ídavné zatížení [N]
l - Delší úhlop í ka vtisku [mm]
u - Úhlop í ka vtisku [mm]
h - Hloubka prokalení [mm]
f - Zm na frekvence kmitání [Hz]
E - Modul pružnosti m eného materiálu [MPa]
A1 - Plocha vpichu [mm]
HP - Intenzita magnetického pole budící cívky [A m-1]
Ib - Budící proud [A]
HS - Intenzita mag. pole ví ivých proud [A m-1] H - Intenzita mag. pole na povrchu t lesa [A m-1]
ES - Snímané nap tí [V]
0 - Permeabilita vakua [H m-1]
r - Relativní permeabilita [H m-1]
r0 - Polom r zkoušeného t lesa [m]
- Úhel dopadu v prost edí 1 [rad]
- Úhel odrazu z prost edí 1 do prost edí 2 [rad]
c1 - Rychlost dopadu vlny [m s-1]
c2 - Rychlost odrazu vlny [m s-1]
M - Hodnota magnetismu [A m-1]
1. Úvod
Nedestruktivní metody zkoušení se v dnešní dob velmi rychle rozvíjí. Je kladen ím dál tím v tší nárok na co nejmenší ovlivn ní zkoušeného materiálu p i zkoušce. Je t eba správn volit druh NDT zkoušky, nebo ne všechny zkoušky se hodí pro práv zkoušený materiál. Tento text by m l nastínit problematiku nedestruktivního m ení hloubek a tvrdostí povrchov kalených vrstev.
2. Cíle práce
Jak již název mé bakalá ské práce napovídá, následující text je zam en na nedestruktivní m ení hloubky a tvrdosti povrchov kalených vrstev. Rád bych zam il na aplikaci nedestruktivních metod zkoušení p ímo na charakteristické typy strojních sou ástí.
V podnikové praxi bývá totiž velmi asto zvykem používat b žné destruktivní metody m ení.
Ty jsou ale velmi nevýhodné v p ípadech, kdy se musí nap íklad p ed rozjetím hromadného kalení ov ovat správná hloubka prokalení destruktivn ezem zkušební sou ásti. Proto je vhodné zvolit nedestruktivní zkoušení. Principy NDT zkoušení jsou r zné a z d vodu r znorodosti použitého materiálu sou ásti je t eba správn zvolit metodu.
3. Teoretická ást
3.1. Kalení
3.1.1. Princip kalení
Kalení je jeden z nejvýznamn jších výkon tepelného zpracování kov . Je to v podstat oh ev oceli t sn nad p ekrystaliza ní teploty a poté tak rychlé ochlazení, aby p ekrystalizace nenastala bu v bec, nebo jen z ásti. Dosahujeme zvýšení tvrdosti, ale sou astn i snížení houževnatosti oceli. /1/
3.1.2. Teploty kalení
Pásmo kalících teplot je možné vid t na obrázku . 1. U podeutektoidních ocelí se kalící teploty pohybují v rozmezí 30 až 50 C nad AC3 a u nadeutektoidních ocelí je to 30 až 50 C nad AC1. /3/
Obrázek . 1 – Pásmo kalících teplot u uhlíkové oceli /1/
3.1.3. Struktura po kalení
Jak již bylo e eno, principem kalení je rychlé ochlazení z teploty kalení. Pokud tedy rychle ochladíme, dosáhneme toho, že n které strukturní sou ásti, jejichž rovnovážná existence je možná pouze za vyšších teplot, se uchovávají p i oby ejných nízkých teplotách. U istého železa nelze udržet za oby ejné teploty jinou modifikaci než . I ve slitin s uhlíkem dochází vždy k p em n modifikace železa na modifikaci železa . Prudkým ochlazením z kalící teploty m žeme tedy dosáhnout toho, že se austenit nerozpadne na perlit, ale i p es p em nu na železo z stane uhlík v tuhém roztoku v železe . Vzniká nová strukturní sou ást s velkou tvrdostí. Ta se nazývá podle zakladatele moderní metalografie Martense – martenzit.
Je to p esycený tuhý roztok uhlíku v železe . /2/
Obrázek . 2 – Martenzit s austenitem /6/
Na obrázku . 2 je vid t 800x zv tšená struktura kalené nadeutektoidní ocele. Je zde patrný charakteristický tvar martentzitu – jehlice. Sv tlejší místa zachycují zbytkový austenit. /6/
Po kalení m že být zbytkové množství austenitu 5 až 30 %. Množství zbytkového austenitu závisí na chemickém složení oceli a podmínkách ochlazování. Zbytkový austenit nám negativn ovliv uje tvrdost, zvyšuje houževnatost, ale zap í i uje také zm nu rozm r . Proto se snažíme toto procentuální množství austenitu snížit na minimum. K tomu se p edevším využívá kalení se zmrazováním. /3/
Detailní znázorn ní vzniku martenzitu p i rozpadu austenitu
Znázorn ní rozpadu austenitu na martezit je velmi p kn vykresleno na obrázku . 3.
V krychlové m ížce u železa je atom uhlíku vázán ve st edu. P i p em n na martenzit se železo snaží p em nit na železo , ale uhlík z stává v m ížce upoután a zabrání vzniku této modifikace železa . Vzniká nový útvar - martenzit, který nemá m ížku krychlovou, ale tetragonální. /2/
Obrázek . 3 – Znázorn ní vzniku martenzitu p i rozpadu austenitu /2/
Vliv kalící teploty na strukturu
Správná volba kalící teploty velmi ovliv uje výslednou strukturu. Na obrázku . 4 jsou vyobrazeny struktury, které vznikly volbou r zných kalících teplot. Je patrné, že vhodné zvolení teploty kalení velmi ovliv uje i mechanické vlastnosti kalené sou ásti.
Obrázek . 4 – Význam správné kalící teploty
Vzorek 1, což je podeutektoidní ocel, byl kalen pod teplotou AC3, tedy za teploty nižší, než je pásmo kalících teplot pro uhlíkové oceli. Je zde obsažen volný ferit. U vzorku 2 byla kalící teplota zvolena správn . Je zde pouze samotný martenzit se zbytkovým austenitem. Vzorek 3 byl kalen za vysoké teploty a obsahuje hrubý k ehký martenzit. Vzorek 4 je nadeutektoidní ocel a volba teploty kalení byla správná. Vzorek 5 byl kalen za vysoké teploty a má v hrubém martenzitu velký obsah zbytkového austenitu. /2/
Vliv rychlosti ochlazování na strukturu
Rychlost ochlazování také velmi ovliv uje výslednou strukturu po kalení. Jak již bylo e eno, p i rychlém ochlazování se tvo í martenzit. Pokud ale není rychlost ochlazování dostate n vysoká, vznikají struktury, jež mají vlastnosti mezi martenzitem a perlitem. /2/
Vliv teploty a asu na pr b h p em ny austenitu
Mezi vznikem martenzitu jako nestabilní struktury p i nejvyšší rychlosti ochlazování
a vznikem stabilní struktury perlitu za nejnižší rychlosti ochlazování, jsou r zné druhy p echodových struktur. Protože mají tyto p echodové struktury rozdílné mechanické vlastnosti, je vztah mezi asem a teplotou p i rozpadu austenitu velmi d ležitý.
Rozpad austenitu je možno provést dv ma zp soby. První z nich je rychlé ochlazení oceli pod AC1 a dlouhá izotermická výdrž a poté ochlazení. Tento pr b h zachycuje tzv. IRA diagram.
Zkratka IRA zna í izotermický rozpad austenitu. Druhý princip rozpadu austenitu je plynulé ochlazování na teplotu místnosti. Jedná se o anizotermický rozpad austenitu, který znázor uje diagram ARA. V technické praxi jsou b žn jší ARA diagramy než IRA diagramy. /2/
V obou diagramech mají asi nejv tší význam k ivky MS a Mf. Jedná se o po átek a konec martenzitické p em ny. N které prvky obsažené v oceli teplotu MS posouvají. Chrom, molybden, mangan nebo nikl snižují tuto teplotu a nap íklad hliník nebo kobalt tuto teplotu zvyšují. /3/
Na obrázku . 5 je možno vid t ARA diagram eutektoidní oceli. Jak již bylo e eno, diagramy ARA udávají po átky a konce jednotlivých p em n p i plynulém ochlazování austenitu r znou rychlostí. /3/
Výsledné struktury vznikající za r zných ochlazovacích rychlostí jsou znázorn né na obrázku . 5 a m žeme si o nich íci n co více.
K ivka ochlazování 1 a 2 zachycuje perlitickou p em nu. Po átek a konec p em ny je posunutý k nižším teplotám tím více, ím je v tší ochlazovací rychlost.
K ivka ochlazování 3 ukazuje to, že p i takovémto ochlazování za íná vznikat ve struktu e spole n s perlitem také bainit a martenzit.
Již samostatnou bainitickou p em nu zachycuje k ivka ochlazování 4. P i p ekro ení MS
za íná také ve struktu e vznikat martenzit. Samostatnou martenzitickou p em nu znázor uje k ivka ochlazování 5. Tato ochlazovací rychlost je nazývána kritická rychlost martenzitické
p em ny. Jedná se o nejmenší rychlost ochlazování, kdy je výsledná struktura tvo ena jen martenzitem a v menším množství také zbytkovým austenitem.
Ochlazovací k ivka 6 je již b žn používaná k ivka nep erušovaného kalení do studené lázn . /6/
Obrázek . 5 – Anizotermický rozpad austenitu eutektoidní oceli /6/
3.1.4. Druhy kalení
Jako nejjednodušší rozd lení druh kalení se jeví kalení martenzitické, nebo kalení bainitické, dle obrázku . 6. Dnes již p evažuje kalení martenzitické, nebo má martenzit vyšší tvrdost než bainit. Martenzitickou strukturu lze také poté popoušt t, ímž m žeme ješt zvýšit tvrdost nebo houževnatost, podle toho jaký druh popušt ní vybereme. /1/
Obrázek . 6 – Druhy kalení /9/
Kalení martenzitické
Nejjednodušší druhy kalení jsou zachyceny na obrázku . 7.
Obrázek . 7 – Druhy kalení – 1 – základní kalení, 2 – lomené kalení, 3 – termální kalení, 4 – izotermické kalení, p – povrch, j – jádro /6/
Mezi martenzitické kalení m žeme považovat takové kalení, po kterém vznikne ve struktu e martenzit v p evažujícím množství.
Základní kalení je n kdy také nazýváno kalení do studené lázn . Je to nejjednodušší zp sob kalení, p i kterém však vzniká nejv tší pnutí.
Abychom snížili vnit ní pnutí, používáme kalení p erušované lomené. Jedná se o zm nu intenzity ochlazení p i p echodu p es MS. Po p echodu p es tuto hranici je již intenzita ochlazování nižší. Práv díky této zm n intenzity ochlazování dojde ke snížení vnit ního pnutí.
Termální kalení je zp sob tepelného zpracování, p i kterém z kalící teploty rychle ochladíme nad MS. Poté následuje prodleva, která zap í iní to, že se teploty jádra a povrchu srovnají.
Nej ast ji bývá tato prodleva realizována vyrovnáním teplot lázn a sou ásti. Prodleva nesmí být zase p íliš dlouhá, aby nedošlo k p ekro ení za átku bainitické p em ny. Poté následuje ochlazení na vzduchu. /3/
Kalení bainitické
Jako nejpoužívan jší bainitické kalení se jeví kalení izotermické. Je to zp sob kalení odvozený ze znalosti IRA diagramu. Dochází zde k rozpadu austenitu na bainit. Kalená sou ást se zakalí v horké lázni. Vy ká se, než se teploty lázn a sou ásti vyrovnají, a než prob hne bainitická p em na. Poté následuje dochlazení. /1/
3.1.5. Ochlazovací prost edí
Etapy ochlazovacího prost edí
Ochlazovací prost edí, které rychleji odvede teplotu, zp sobuje hlubší zakalení. Snaha získat co nejhlubší prokalení m že však zp sobit vyšší zákalné pnutí a vznik trhlin v sou ásti. Proto ne vždy je to nejvhodn jší ochlazovací prost edí to nejintenzivn jší. /2/
Ochlazovací proces se skládá ze t í etap. Na obrázku . 8 m žeme vid t závislost odvedené energie q na teplot T.
Obrázek . 8 – Etapy ochlazovacího procesu /3/
Nejprve se vytvo í plynový polštá , který výrazn zpomaluje odvod tepla. Po dosažení oblasti bublinového varu dochází k nejintenzivn jšímu ochlazování. Ve t etí etap se teplo odvádí jen vedením v kapalin . /3/
Druhy ochlazovacího media
Voda
Nejznám jším ochlazovacím prost edím je bezkonkuren n voda. Je to nejintenzivn jší ochlazovací medium. Neznamená to ale, že by bylo také nejlepší. Kalící charakteristiky vody jsou pom rn špatné. Dále má voda korozívní ú inky a mohou se v ní též tvo it r zné asy a podobn . Velikou výhodou je však její dostupnost a manipulovatelnost. Ekologické hledisko je také pom rn p ijatelné. /3/
Olej
Kalení olejem je mnohem mén intenzivní než vodou. Používají se r zná aditiva, která snižují dobu tvorby parního polštá e. Je zde t eba ale dát pozor. D ležité je zde kontrolovat bod vzplanutí, viskozitu, obsah vody, rychlost ochlazování nebo kyselost kalícího media. Toto ochlazovací prost edí není moc ekologické, a proto dochází k vývoji nových ochlazovacích medií. /3/
Polymerové kalící lázn
Jsou to roztoky organických polymer ve vod . Jsou ekologické, mají velikou pružnost kalících charakteristik a zp sobují menší deformace sou ásti po kalení. To jsou jen n které klady tohoto kalícího prost edí. Rozší ení polymer do výroby už dnes brání jen výrobní stereotypy podnik . /3/
Plynové kalící prost edí
Jako medium se používá vzduch, stla ený dusík nebo argon. Stla ením a regulací rychlosti proud ní lze velmi dob e ídit rychlost ochlazování. Tato metoda je velmi perspektivní. /3/
3.1.6. Technická dokumentace kalených sou ástí
Obrázek . 9 – Návodka na tepelné zpracování (zušlech ování) kliky z materiálu 12 061.1 /1/
U tepelného zpracování sou ástí je vždy pot eba p esn dodržovat podmínky pot ebné k dosažení požadovaného strukturního složení po tepelném zpracování. K p edepsání t chto podmínek slouží návodka na tepelné zpracování. Z obrázku . 9 lze vy íst p esné teploty oh evu kalené sou ásti a teploty kalícího media, a to v etn tolerancí. Dále jsou zde uvedeny výdrže, požadované tvrdosti a podobn . Velmi d ležitou sou ástí udávající p edstavu
o pr b hu teplot p i tepelném zpracování je digram. /1/
3.2. Povrchové kalení
3.2.1. Princip povrchového kalení
V ad p ípad je u strojních sou ástí vyžadován tvrdý povrch a houževnaté jádro. To je také princip povrchového kalení. Jedná se o velmi rychlý oh ev. Tento obrovský nár st teploty se vytvá í proto, aby se nestihlo proh át jádro. Poté následuje prudké ochlazení. /2/
3.2.2. Druhy povrchového kalení
Mezi základní druhy povrchového kalení pat í:
Kalení plamenem Kalení induk ní Ponorné kalení Laserové povrchové Elektronovým paprskem /3/
Kalení plamenem
P i tomto zp sobu povrchového kalení se používají pro oh ev povrchu plynové ho áky, v nichž se spaluje spole n s kyslíkem v tšinou acetylen nebo svítiplyn. Jestliže je p ívod tepla dostate n intenzivní, dojde k proh átí povrchu, a poté ihned ke zakalení. K prudkému ochlazení se používá p ívod kalícího media nazývaný sprcha.
Druhy kalení plamenem:
- P erušované kalení - Postupné kalení
Na obrázku . 10 je znázorn no p erušované kalení. Levá polovina obrázku zachycuje kalení ela šroubu. Ho ák provede oh ev na kalící teplotu. Poté se odsune a uvede se do innosti sprcha. V pravé polovin obrázku je znázorn no p erušované kalení za rotace. Kalený p edm t se otá í a ho ák ho oh ívá na teplotu kalení. Poté se ho áky odsunou a sprcha ochladí kalený p edm t.
1) 2)
Obrázek . 10 – P erušované kalení – 1 - kalení ela šroubu, 2 – P erušované kalení za rotace
Princip postupného kalení je zachycen na obrázku . 11. Pokud se jedná o rovinnou plochu, ho ák se pohybuje nad povrchem a oh ívá ho na kalící teplotu. V záv su za ním je sprcha, která oh átý povrch prudce zakalí. U kalení rota ní plochy je postup kalení podobný. Rozdíl je jen v p idané rotaci kaleného p edm tu. V tomto p ípad se také nepohybuje kalící souprava, ale dochází k posouvání kaleného p edm tu.
1) 2)
Obrázek . 11 – Postupné kalení – 1 – rovinné plochy, 2 – rota ní plochy
Nevýhodou tohoto dnes již pom rn zastaralého principu je opal povrchu. Odpadá také asto nep íjemná manipulace se stla eným plynem. Výhodou však z stává pom rn jednoduchá konstrukce kalícího za ízení.
/2/
Kalení induk ní
Kalený p edm t je obklopen vodi em tvaru cívky, který se tohoto p edm tu nedotýká. Tento p edm t se stává jádrem transformátoru.V n m indukovaný proud se m ní na teplo. Je t eba dodržet optimální frekvenci použitého proudu, aby skute n došlo k oh evu pouze povrchu.
Pro ur ení vhodné hloubky proh áté vrstvy sta í tedy správn zvolit frekvenci st ídavého proudu. /2/
Platí vztah pro hloubku proh áté vrstvy dle (1):
2 1
s f (1)
kde s je hloubka proh áté vrstvy [m], f je frekvence st ídavého proudu [Hz], je permeabilita [H m − 1] a je m rná elektrická vodivost [A2s3kg-1m-3]. /4/
Obrázek . 12 – Induktor
Na obrázku . 12 je fotografie n kolika-závitového spirálního induktoru. Induktor je vlastn vodi vysokofrekven ního proudu upravený do tvaru smy ky s n kolika závity. Je zhotoven z m d né trubi ky tvercového nebo kruhového pr ezu, kterým proudí chladicí kapalina. /2/
Obrázek . 13 – Schéma induk ního oh evu a povrchového kalení /9/
Princip a postup povrchového kalení induk ního je zachycen na obrázku . 13. Induktor oh ívá kalenou sou ást, v tomto p ípad kruhového pr ezu. Ta se posouvá a je prudce ochlazována kalícím mediem.
Induk ní kalení se jeví jako velmi výhodné a to p edevším proto, že vlivem rychlého oh evu je okujení kalené sou ásti malé a nevyžaduje asto dalších úprav. Tento princip lze také velmi dob e automatizovat. Hodí se však jen pro sériovou nebo hromadnou výrobu z d vodu vysokých po izovacích náklad . /9/
3.3. M ení tvrdosti a hloubky prokalení u povrchov kalených sou ástí
3.3.1. B žné zkoušky m ení tvrdosti
Tvrdost je jedna z nejd ležit jších vlastností materiálu. Je definována jako odpor, který klade materiál proti vnikání cizího t lesa. Hodnoty tvrdosti uvádíme bez jednotek, nebo pokud jsou odvozeny ze vztahu mezi tlakovou silou a plochou vtisku, mají jednotky MPa. Protože by ale mohlo dojít k zám n mezi pevností materiálu, uvádíme ji nej ast ji bez jednotek. Zna í se H.
Zkoušky tvrdosti rozd lujeme na zkoušky vrypové, vnikací a odrazové. /8/
Zkouška vrypová
Používá se p edevším pro velmi tvrdé a velmi k ehké materiály. V technické praxi je nejznám jší zkouška dle Martenze. Zna íme ji HMa a principem se jedná o p itla ování kuželového diamantového hrotu s vrcholovým úhlem 90° m nitelným tlakem na lešt ný povrch zkušebního t lesa p edepsanou rychlostí. Jako míra tvrdosti je zde brána síla F pot ebná ke vzniku vrypu ší ky 0,01 mm. /8/
Zkouška vnikací
Jedná se o nejpoužívan jší zkoušku pro m ení tvrdosti. Princip je založen na zatla ování zkušebního t líska do povrchu, u kterého m íme tvrdost. Podle tvaru zkušebního t líska (viz.
obrázek . 14) rozlišujeme zkoušku dle Brinella, Rockwella, Vickerse a Knoopa. /6/
Obrázek . 14 – Tvary nej ast ji používaných vnikacích t les – a) Brinell, b) Rockwell c) Vickers, d) Knoop /6/
Brinellova zkouška tvrdosti
Principem jde o vtla ování ocelové kalené kuli ky o pr m ru D = 10 mm; 5 mm; 2,5 mm a 1 mm do zkoušeného materiálu. Ocelová kalená kuli ka se používá do tvrdosti 450 HB a pro vyšší tvrdost máme kuli ku ze slinutých karbid . M íme pr m r vtisku d (aritmetický pr m r dvou na sebe kolmých rozm r d1 a d2), který z stane po odleh ení zkušebního zatížení F. /8/
Pro ur ení tvrdosti HB dle Brinella platí výpo tový vztah (2):
A
HB 0,102F
(2)
2 2
2D D D d
A
(3)
kde F [N] je zát žná síla a A [mm2] je plocha vtisku. Doba zatížení je mezi 10 až 15 s pro ocel a litiny a 10 – 180 s u neželezných kov . /5/, /6/
Rockwellova metoda m ení tvrdosti
Diamantový kužel s vrcholovým úhlem 120° nebo ocelová kuli ka o pr m ru 1/16´´ je nejprve zatížena p edb žnou silou F0, aby došlo k vyrovnání nerovností povrchu. Poté zatížíme ješt p ídavným zatížením F1. Odleh íme na zatížení F0 a na hloubkom ru ode teme p ímo tvrdost v p íslušné stupnici. /8/
Vickersova metoda m ení tvrdosti
Zkouška spo ívá ve vtla ování zkušebního diamantového ty bokého jehlanu s vrcholovým úhlem 136° zatížením F po stanovenou dobu. M íme úhlop í ky vtisku u1 a u2. Celková úhlop í ka u je jejich aritmetickým pr m rem. Tvrdost HV dle Vickerse ur íme ze vzorce (4):
0,189 F2
HV u
(4)
kde F [N] je zát žná síla a u [mm] je aritmetický pr m r délky úhlop í ek vtisku. Zatížení F = 294 N a as zatížení je 10 až 15 s. /5/, /6/
Knoopova zkouška tvrdosti
Vnikacím t lískem je diamantový ty boký jehlan s vrcholovými úhly 130° a 172°30´. M í se delší úhlop í ka l. Výsledkem je zjišt ná tvrdost HK, jež ur íme ze vzorce (5):
1, 4509 F2
HK l (5)
kde F [N] je zát žná síla a l [mm] je délka delší úhlop í ky koso tverce. /5/, /6/
Zkouška odrazová
Tato metoda m ení tvrdosti je pouze orienta ní. Je založena na pružném odrazu závaží spušt ného z ur ité výšky. P ístroj pro m ení tvrdosti pomocí odrazu se nazývá Shoreho skleroskop. Výsledkem této zkoušky je tvrdost HSh ode tená p ímo na stupnici skleroskopu.
/8/
3.3.2. B žné zkoušky m ení hloubky zakalených vrstev
Jako nejb žn jší zkouška m ení hloubky zakalených vrstev se používá Jominiho elní zkouška prokalitelnosti. Ješt však p ed tím, než za neme s popisem samotné zkoušky prokalitelnosti, je t eba definovat, co vlastn prokalitelnost je. Prokalitelnost je definována jako schopnost oceli dosáhnout po kalení v ur ité hloubce pod povrchem tvrdosti odpovídající kalitelnosti dané oceli p i 50 % martenzitu ve struktu e. Dalším d ležitým pojmem je zakalitelnost. Zakalitelností rozumíme nejvyšší dosažitelnou tvrdost oceli, jež je dána p edevším tvrdostí martenzitu, která se rostoucím procentuálním obsahem uhlíku vzr stá. /9/
Jominiho elní zkouška prokalitelnosti
U této zkoušky (obrázek . 15) se elo standardního válcového zkušebního vzorku, oh átého v peci na teplotu kalení, ochlazuje ve speciálním p ípravku proudem vody. Co se týká rychlosti ochlazování, ta je nejv tší na ele zkušebního vzorku a s rostoucí vzdálenosti od ela plynule klesá. Poté se vybrousí ploška v hloubce 0,4 mm, na níž zjiš ujeme tvrdost HV p i postupn se zv tšující vzdálenosti od kaleného ela. Vynesením zjišt ných tvrdostí
a jednotlivých vzdáleností od ela do diagramu a jejich spojením, dostáváme k ivku prokalitelnosti viz. obrázek . 16. /9/
Obrázek . 15 – Jominiho elní zkouška prokalitelnosti /9/
Obrázek . 16 – P íklad k ivky prokalitelnosti /9/
Z k ivky prokalitelnosti lze stanovit hloubku prokalitelnosti tak, že p i tvrdosti, která odpovídá 50 % martenzitu pro daný obsah uhlíku, ode teme p íslušnou vzdálenost od ela.
Pokud použijeme diagram na obrázku . 17, m žeme ur it prokalitelný pr m r D0, který se ješt prokalí. /9/
Obrázek . 17 – Závislost mezi vzdáleností od ela a prokalitelným pr m rem D0 pro r zná kalící prost edí /9/
Z d vodu možné nepatrné rozdílnosti v chemickém složení u dané oceli (uhlík m že kolísat až 0,1%) bude tato ocel prokalitelná v ur itém rozmezí. Na obrázku . 18 je diagram prokalitelnosti pro ocel 12 060 s tzv. pásem prokalitelnosti, jež práv symbolizuje jisté odchylky od p esn daného chemického složení oceli. /9/
Obrázek . 18 – Pás prokalitelnosti oceli 12 060 /9/
Jominiho elní zkouška prokalitelnosti je velmi jednoduchá, a také velmi efektivní metoda zjiš ování hloubky zakalení. Nevýhodou je poškození zkoušeného vzorku. Další nevýhodou je její špatná aplikovatelnost na specifické strojní sou ásti.
Prokalitelnost lze také zjistit tak, že zakalíme vále ky z dané oceli r zného pr m ru, které pak nap í roz ízneme a na jejich p í ném ezu zjiš ujeme pr b h tvrdosti. Tento princip je zachycen na obrázku . 19. /9/
Obrázek . 19 – Pr b h tvrdosti v zakaleném válci, kde h je hloubka prokalení /9/
3.3.3. Nedestruktivní zkoušky m ení tvrdosti
U m ení povrchové tvrdosti strojních sou ástí nedestruktivními metodami tém nedochází k poškození t chto sou ástí deformací vrypem nebo vtiskem. Mezi základní nedestruktivní metody m ení tvrdosti pat í metoda UCI, Dynamická metoda a metoda TIV.
Metoda m ení tvrdosti UCI
Zkratka UCI znamená Ultrasonic Contact Impedance, což již samo o sob nazna uje, že se jedná o metodu m ení tvrdosti pomocí ultrazvuku. U této ultrazvukové metody se využívá axiáln kmitající ty ka s Vickersovým diamantovým hrotem. Principem se jedná o vtla ování tohoto zkušebního t líska a zárove jeho kmitání jak je vid t na obrázku . 20.
Obrázek . 20 – Pr ez sondou UCI
Kmitání se p enáší na pružinu a ta uvádí do kmitavého pohybu i ty inku s Vickersovým diamantem. Po zatížení u m eného materiálu dojde ke zm n frekvence kmitu. Tato frekvence závisí na ploše vpichu a na modulu pružnosti m eného materiálu. Zm na frekvence je dána vzorcem (6):
f E A1 (6)
kde f [Hz] je práv zm na frekvence kmitání, E [MPa] je modul pružnosti m eného materiálu a A1[mm] je plocha vpichu.
UCI metoda je vhodná pro velké i malé díly s minimální tlouš kou st ny 2-3mm a minimální hmotnosti 0,3kg. Umož uje operativní m ení a zjiš ování tvrdosti vrstev p i velmi malých zát žných silách. Vhodná je také pro t žko p ístupná místa m ení tvrdosti nap íklad na finálních výrobcích, jako jsou lopatky turbín a kompresor , nebo evolventní plochy ozubených kol. Pro m ení velmi malých dílu je t eba upínací stojan. Nevýhodou je jen pot ebná kvalitní plocha m ení. P esnost m ení se pohybuje p i 65 HRC kolem ±1,5 HRC.
/10/
Dynamická metoda m ení tvrdosti
Dynamická metoda je další nedestruktivní metoda m ení tvrdosti. Je založena na rozdílu kinetické energie kuli ky z karbidu wolframu vyst elené proti povrchu m eného materiálu a kuli ky, která se od tohoto materiálu odrazí. Úbytek energie závisí na tvrdosti materiálu a na modulu pružnosti m eného materiálu. Na obrázku . 21 je znázorn n pr ez sondou na m ení dynamickou metodou. Je zde patrná elektromagnetická induk ní cívka, která práv snímá kinetickou energii.
Obrázek . 21 – Pr ez sondou pro m ení dynamickou metodou
Tato metoda je vhodná pro m ení tvrdosti u hrubozrnných materiál , litých materiál a výrobk z oceli zejména v tších rozm r . Minimální požadovaná tlouš ka zkoušeného materiálu je zde 10-15 mm, což je pom rn hodn a minimální hmotnost dílu asi 5 kg.
Výhodou je možnost m ení ze všech sm r , a také daleko menší náro nost na povrch zkoušeného materiálu (menší než Ra 6,3), než je u ultrazvukové metody. P esnost m ení je 3-15 %.
/10/
M ení tvrdosti metodou TIV
Zkratka metody TIV znamená Through Indenter Viewing, tedy v eštin pohled skrz vtla ovací t lísko (diamant). Jedná se o zcela novou metodu m ení založenou na principu Vickersova diamantového jehlanu. Narozdíl od p edchozích metod zde nedochází k rozkmitání zkoušeného materiálu. Používá se statické zatížení, které je p esn jší o to, že nedochází k ovlivn ní elastickými vlastnostmi materiálu. Pr ez sondou je zachycen na obrázku . 22.
Obrázek . 22 – Pr ez sondou pro m ení metodou TIV
Vpich je snímán kamerou, a poté zobrazen na displeji. P ístroj sám zm í úhlop í ky a podle nich ur í tvrdost materiálu. Obrázek . 23 zachycuje tvar vpichu pod zatížením a po odleh ení. Úhlop í ky však z stanou stejné a tím je zajišt na p esnost m ení.
Obrázek . 23 – Tvar vpichu u metody TIV
Tato metoda m ení tvrdosti se hodí jak pro velké, tak i malé díly. Její použitelnost není omezena minimální tlouš kou st ny nebo hmotností dílu. Používá se p edevším pro homogenní materiály s povrchem do Ra 1,6. Je možné m it tvrdost ze všech sm r
a výsledná p esnost m ení je do 3 %, což je velmi dobré. Velikou výhodou metody TIV je její nezávislost na modulu pružnosti E [MPa], což z ní d lá nejuniverzáln jší metodu do použitelnosti na r zné druhy materiál . Nevýhodou je nutnost kolmého ustavení v i zkoušenému materiálu.
/10/
3.3.4. Nedestruktivní zkoušky m ení hloubky zakalených vrstev
V dnešní dob se již bez t chto zkoušek neobejdeme. Je t eba aplikovat m ení p ímo na vyráb né díly. A to do takové podoby, aby nedošlo k jejich poškození. Proto se stále vyvíjí nové a nové metody tohoto nedestruktivního zkoušení. V této kapitole bych rád nastínil alespo n kolik základních princip m ení hloubek zakalených vrstev.
M ení metodou ví ivých proud
Metoda ví ivých proud využívá ke zjiš ování hloubky zakalených vrstev p sobení elektromagnetického pole. Na zkoušený p edm t p sobí st ídavé magnetické pole cívky, které v n m indukuje elektrické nap tí. Kovový p edm t p sobí jako proudový vodi , a tak v n m vznikají cirkulární proudy, jinak nazývané ví ivé. Tyto proudy p sobí magnetickými ú inky zp tn na p vodní budící pole. Budící pole je jejich vlivem zeslabováno. Výsledné pole je tudíž dáno vektorovým složením pole budícího a pole ví ivých proud . K informaci o stavu
výrobku, tedy i hloubky zakalené vrstvy využíváme amplitudu a fázi výsledného pole.
Vyhodnocení se d je pomocí nap tí, které se ve výsledném poli vytvo ilo (indukovalo). /7/
Rozlišujeme dva zp soby vyhodnocení a to:
Indukované nap tí se vytvo í v cívce, která budí magnetické pole. Cívkový systém má jen jedno vynutí a m í se jeho impedance co do velikosti a fáze. Jedná se o Zp sob p íložné cívky.
Druhá možnost vyhodnocení je indukce nap tí v druhé m ící cívce. Cívkový systém má tedy budící a m ící cívku. M í se zde amplituda a fáze ve m ícím vinutí. Tento zp sob nazýváme Zp sob pr chozí cívky.
Zp sob p íložné cívky
Tento zp sob používáme zejména u rozm rn jších výrobk . P íložnou cívku napájíme st ídavým proudem a radiáln ji p ikládáme v povrchu zkoušeného p edm tu. V povrchových vrstvách se vytvá ejí ví ivé proudy a magnetické pole t chto ví ivých proud zp tn ovliv uje vlastnosti p íložné cívky, jak je vid t na obrázku . 24. Dochází ke zm n impedance cívky.
Obrázek . 24 – Princip metody s p íložnou cívkou – HP – intenzita magnetického pole budící cívky, Ib – budící proud, HS – intenzita magnetického pole ví ivých proud /7/
Zp sob pr chozí cívky
Tento systém obsahuje dv vinutí. Jedná se vinutí budící a m ící. Ob vinutí bývají navinuta na spole ném trubkovém nosi i z nevodivého materiálu – plastu. Zkoušený p edm t je umíst n uvnit tohoto nosi e a tvo í jádro cívky. Primární vinutí napájíme st ídavým budícím proudem. Ten vytvo í st ídavé magnetické pole. Ú inkem magnetického pole ví ivých proud
na p vodní pole dochází ke vzniku výsledného pole, které indukuje nap tí v m ícím vinutí.
/7/
Na obrázku . 25 je zachycen princip m ení. Je zde vid t budící cívka, m ící cívka a zkoušený p edm t, jež je umíst n jako jádro.
Obrázek . 25 – Princip metody s pr chozí cívkou – H– intenzita magnetického pole na povrchu snímaného t lesa, Ib – budící proud, ES – snímané nap tí, - m rná vodivost,
0 – permeabilita vakua, r – relativní permeabilita, r0 – polom r zkoušeného t lesa /7/
Pro pr nik proud do hloubky s m žeme napsat vztah (1):
2 1
s f (1)
kde s je hloubka zasažené vrstvy [m], f je frekvence st ídavého proudu [Hz], je permeabilita [H m − 1] a je m rná elektrická vodivost [A2s3kg-1m-3]. /4/
M ení ultrazvukovou metodou
Velmi významnou nedestruktivní metodou je metoda ultrazvuková. Ultrazvukem se rozumí mechanické kmitání ástic prost edí s frekvencí vyšší než 20000 Hz. Abychom mohli pochopit následující principy m ení hloubky zakalené vrstvy, je nejprve t eba vysv tlit n kolik základních fyzikálních jev ultrazvukových vln.
První z nich je to, jak se projevuje odraz ultrazvukových vln na rozhraní dvou prost edí (v našem p ípad zakalené vrstvy a p echodové zóny). Prochází-li vlna prost edím, je postupn tlumena až úpln zmizí. Dopadne-li ale na rozhraní dvou prost edí, které je kolmé
na sm r ší ení vln ní, ást se odrazí zp t a ást p ejde do prost edí druhého. Takovýto odraz je znázorn n na obrázku . 26. /7/
Obrázek . 26 – Kolmý dopad vln na rozhraní dvou prost edí /7/
Pokud však ultrazvukové vlny nedopadají kolmo na rozhraní dvou prost edí, ale dopadají pod úhlem , ídí se dopad t chto vln Snellovým zákonem odrazu a lomu (7):
1 2
sin sin
c c (7)
kde je úhel dopadu v prost edí 1, je úhel odrazu z prost edí 1 do prost edí 2 a c1 a c2 jsou rychlosti dopadu a odrazu [m s-1]. /7/
Obrázek . 27 – Šikmý dopad vln na rozhraní dvou prost edí – T – vlna p í ná, L – vlna podélná /7/
Rozdíl mezi podélnou a p í nou vlnou je následující. U podélného vln ní ástice prost edí kmitají p ímo a e ve sm ru ší ení vln ní. Vzniká zde zhuš ování a z e ování ástic prost edí.
U p í ného vln ní je kmitání ástic kolmo na sm r výsledného ší ení vlny. /7/
Pro m ení hloubek zakalené vrstvy se používá princip Impulsové odrazové metody. P i známé rychlosti ší ení ultrazvuku v m eném prost edí je doba pr chodu ultrazvuku
v materiálu úm rná tlouš ce vrstvy. To znamená, že se m í as letu mezi povrchem
a p echodovou zónou, a poté dojde k p evodu na hloubku m ené vrstvy s p esností na 5 %.
Tento princip je zachycen na obrázku . 28.
Pro použití této metody je však t eba, aby p echodová vrstva m la v tší útlum než vrstva zakalená, tudíž aby m la v tší hranice zrn, a aby byla heterogenní.
Obrázek . 28 – Impulsová odrazová metoda /11/
V horní ásti obrázku je vid t, jak se ást ultrazvukových vln odrazí a ást projde a odrazí se od p echodové zóny. Ve spodní ásti obrázku je vid t diagram závislosti amplitudy signálu na ase. Je zde patrný již d íve zmín ný as letu (TOF – The time of flight). /11/
M ení metodou magnetického bodového pólu
Metoda magnetického bodového pólu, jinak nazývaná také Impulsová magnetická metoda je založena na využití magnetických vlastností feromagnetických materiál . Principem se jedná o m ení intenzity zbytkového magnetického pole v kontrolovaném materiálu pod elem sondy. Hodnota této intenzity p ímo závisí na množství a disperzi perlitu nebo martenzitu.
Nepoužitelná je tudíž kup íkladu u kalených ocelí s perlitem v p echodové vrstv , nebo perlit i martenzit dává skoro stejný signál. Je zde t eba, aby výstupní hodnoty magnetismu p vodní a kalené struktury byly rozdílné.
M ení metodou magnetického bodového pólu probíhá následovn :
Nejprve se zmagnetizuje povrch zkoušeného materiálu p íložnou sondou, jejíž cívku napájíme trojúhelníkovými impulzy opa né polarity. Hall v sníma , jenž je umíst n v ose cívky p i povrchu ela sondy, nám zm í intenzitu zbytkového pole m eného místa po p edposledním impulzu, který je kladný. Poté následuje poslední záporný impuls, po jehož skon ení op t dojde ke zm n intenzity zbytkového pole m eného místa. Absolutní sou et kladné a záporné intenzity zbytkového pole se ukáže na displeji m ícího p ístroje. Tímto zp sobem zjistíme hodnoty zmagnetizování m eného místa a díky použití opa né polarity se eliminuje nep íznivý vliv rušivých magnetických polí. Schéma sondy je na obrázku . 29.
Obrázek . 29 – Schéma p íložné sondy /12/
Výhodou metody bodového pólu p ed metodou ví ivých proud je získání velmi vysokých hodnot intenzity magnetického pole bez tepelných ú ink na sondu. Výhodou je také nulový vliv nap tí, chemického složení a bezkontaktní p sobení bez vlivu velikosti oddálení sníma e od povrchu zkoušeného výrobku. /12/
4. Praktická ást
V následující ásti mé bakalá ské práce bych se rád zam il na aplikaci nedestruktivních metod zkoušení p ímo na charakteristické typy strojních sou ástí. V podnikové praxi bývá totiž velmi asto zvykem používat b žné destruktivní metody m ení. Ty jsou ale velmi nevýhodné v p ípadech, kdy se musí nap íklad p ed rozjetím hromadného kalení ov ovat správná hloubka prokalení destruktivn ezem zkušební sou ásti. Proto je vhodné zvolit nedestruktivní zkoušení. Principy NDT zkoušení jsou r zné a z d vodu r znorodosti použitého materiálu sou ásti je t eba správn zvolit metodu.
4.1. NDT strukturoskopie va kové h ídele motoru TEDOM
Va kové h ídele motor jsou velmi tvarov složité díly motor , které jsou sou ástí mechanismu zprost edkovávající p enos rota ního pohybu p evodových kol na p ímo arý pohyb ventil v hlav motoru. Je to jeden z nejd ležit jších díl motoru mající velmi výrazný vliv na p esnost otevírání a zavírání ventil . Proto je t eba zajistit rozm rovou p esnost a stálost kontaktních ploch va kové h ídele. Nej ast ji jsou proto tyto plochy povrchov kaleny. Je t eba ale zajistit dodržení vhodné hloubky a tvrdosti zakalení. A proto je zcela logické u této nesmírn tvarov složité sou ásti, že se zde použití b žných destruktivních metod nehodí.
Spole nost TEDOM zabývající se výrobou nákladních vozidel a autobus používá do vyráb ných automobil vzn tové, ale i plynové motory. V divizi TEDOM MOTORY jsou tyto motory konstruovány. Námi zkoumaná va ková h ídel nákladního automobilu (viz.
p íloha 2) je po obrobení povrchov kalena. Jako výchozí materiál použitý na výrobu t chto h ídelí je využívána ocel 12 051.1.
4.1.1. Metalografický rozbor materiálu va kové h ídele
Na následujících obrázcích je zachycen pr b h struktury námi zkoumané h ídele od povrchu až do jádra. Obrázek . 30 ukazuje strukturu na povrchu h ídele. Je zde obsažen martenzit zajiš ující tvrdost sou ásti.
Obrázek . 30 – Povrch zakalené vrstvy – obsažen martenzit v podob jehlic
Pokud pokra ujeme dále strukturou sm rem k jádru, nalézáme zde stále martenzit, a postupn blíže a blíže k jádru také bainit (viz. Obrázek . 31 a . 32).
Obrázek . 31 – Zakalená vrstva martenzitu
Obrázek . 32 – Struktura martenzit a bainit
Na následujícím obrázku . 33 je v p echodové oblasti pro naši práci velmi významný perlit v p echlazené form . Ten bude mít rozhodující vliv p i volb nedestruktivní zkoušky.
Obrázek . 33 – P echodová oblast – Martenzit a p echlazený perlit
ím více se blížíme jádru, za íná se zde objevovat také ferit (viz. Obrázek . 34).
Obrázek . 34 – Struktura martenzit, p echlazený perlit a ferit
Obrázek . 35 – P echod do jádra
Zde (obrázek . 35) je jasn viditelná další p echodová struktura. Ze struktury
martenzit – p echlazený perlit – ferit p echází struktura na strukturu vznikající po základním žíhání. Dochází zde k postupné sferoidisaci (sbalování do kuli ky) lamelárního perlitu
Obrázek . 36 – áste ná sferoidisace lamel perlitu
Obrázek . 37 – Struktura v jád e
Po provedeném metalografickém rozboru jsem zjistil, že je ve struktu e obsaženo velké množství perlitu (viz obrázek . 33 a dále). Z toho d vodu se nehodí magnetické NDT zkoušky, nebo perlitická a martenzitická struktura dává tém stejnou hodnotu magnetismu.
Zam íme se tedy na nedestruktivní zkoušení ultrazvukem. /11/
4.1.2. Návrh ultrazvukové metody m ení hloubky zakalené vrstvy va kové h ídele
Spole nost TESTIMA s. r. o. se již dlouhá léta zabývá nedestruktivním zkoušením materiál . Pro mé m ení ultrazvukovou metodou mi byla prop j ena m ící sestava USLT 2000 (viz.
p íloha 3) pro nedestruktivní m ení hloubky povrchov kalené vrstvy. M ící soustava se skládá z ultrazvukové m ící sestavy (p ístroj + vhodná sonda) a po íta ového software.
Tento software v sob již v základní verzi obsahuje 3 moduly. Jedná se o modul m ení frekven ního spektra sondy, modul m ení tlouš ky st n a také modul EHT - Effective Hardening Thickness sloužící pro m ení hloubky zakalení. Metoda je vhodná pro m ení vrstev tvrzených plamenem i induktivn . Používá se pro m ení hloubek zakalení va kových a klikových h ídelí, hydraulických válc , apod.. /10/
Princip metody:
Principem metody je to, že vlnová délka ultrazvukové vlny je o trochu v tší než rozm r zrna v tvrzené vrstv a o trochu menší než rozm r zrna v základním materiálu. Dojde tak k výraznému r stu útlumu od p echodové vrstvy. /10/
M ící technika:
Jako p íložná sonda je nej ast ji použita širokopásmová dvojitá úhlová sonda s úhlem lomu 45 vysílající p í né vln ní. Frekvence vln ní se pohybuje od 10ti do 15ti MHz. /10/
Postup m ení:
Vyhodnocení probíhá pomocí již zmín ného software EHT. Je však nejprve t eba p ístroj zkalibrovat podle etalonu. Jako etalon poslouží vzorek zkoumané sou ásti se známou hloubkou zakalení a ze stejného materiálu jako jsou budoucí testované sou ásti. Na ten se p iloží m ící sonda a vytvo í spojení mezi sondou a etalonem pomocí vazebního prost edku (v našem p ípad Krautkramer XD-740). V softwaru se nastaví úhel sondy, zesílení, rozsah m ené hloubky, frekvence sondy a také tzv. prahová hodnota rozeznávací schopnosti p ístroje. Toto nastavení je ist experimentální a jemné vylad ní p ístroje zabere pom rn hodn asu. Pokud jde vše ale hladce, zobrazí se podobný pr b h k ivky jako je na obrázku
. 39 vpravo. Tato k ivka je vlastn obálka ervené k ivky A-scanu (obrázek . 39 vlevo), která však vykazuje zna ný šum p ístroje. Software vyhodnotí, v jaké hloubce nastal nejv tší útlum a tuto hloubku vypo te. To by m la být námi hledaná hloubka zakalení na etalonu.
Pokud to tak skute n je, p ístroj je správn nastavený a je p ipraven pro m ení. Pokud hloubka neodpovídá hloubce zakalení, je t eba zvolit sondu o jiné frekvenci nebo s jiným úhlem lomu.
Obrázek . 39 – Software EHT /10/
4.1.3. M ení va kové h ídele pomocí m ícího za ízení USLT 2000
1.m ení:
Použitá sonda: Jednoduchá úhlová sonda o frekvenci 10 MHz a úhlu lomu 45°
Vazební prost edek: Krautkramer XD-740 Etalon: ez va kovou h ídelí (viz. p íloha 2)
Ani p i dodržení správného postupu nastavení p ístroje se nepoda ilo zakalenou hloubku zm it. Docházelo k neustálým výkyv m této hodnoty. Nevhodný pr b h vyhlazené k ivky A-scanu zachycen na obrázku . 40.
Obrázek . 40 – EHT software – Nevhodný pr b h k ivky
2.m ení:
Použitá sonda: Jednoduchá úhlová sonda o frekvenci 6 MHz a úhlu lomu 60°
Vazební prost edek: Krautkramer XD-740 Etalon: ez va kovou h ídelí (viz. p íloha 2)
Po zm n sondy a nastavení úhlu lomu a frekvence v softwaru se sonda op t p iložila na povrh etalonu. Pr b h k ivky se však nezm nil a software stále nebyl schopen ur it hloubku.
3.m ení:
Použitá sonda: Jednoduchá úhlová sonda o frekvenci 10 MHz a úhlu lomu 70°
Vazební prost edek: Krautkramer XD-740 Etalon: ez va kovou h ídelí (viz. p íloha 2)
Ani p i tomto m ení jsem nezaznamenal úsp ch. Pr b h k ivky je tém beze zm ny.
4.m ení:
Použitá sonda: Jednoduchá úhlová sonda o frekvenci 10 MHz a úhlu lomu 45° + zaoblená p edsádka sondy s polom rem 31,5 mm
Vazební prost edek: Krautkramer XD-740 Etalon: ez va kovou h ídelí (viz. p íloha 2)
P i tomto m ení software za al ukazovat podstatn vyšší hodnoty hloubky zakalené vrstvy, než skute n jsou. Také zde docházelo k neustálým výkyv m t chto hodnot. Tyto výkyvy jsou zp sobeny tím, že sonda nedokonale p iléhá na povrch stykových ploch va kové h ídele.
Vyšší hodnoty hloubky zakalené vrstvy jsou zp sobeny použitím jednoduché sondy. Pro tento p ípad by se hodila spíše sonda dvojitá, která souží k m ení velmi malých hloubek zakalení (do 10 mm).
Po konzultaci s Ing. Jaroslavem Smejkalem ze spole nosti Testima s. r. o. bylo shledáno, že neúsp ch m ení je z ejm zp soben nízkou frekvencí sondy, která by m la být vyšší než 10 MHz. Dále by sonda m la být dvojitá. To znamená to, že by m la samostatn odd lený vysíla a p ijíma . Také geometrie sou ásti a na ní nep esn p iléhající rovné elo sondy m že mít také vliv na m ení. Sondu o takovýchto parametrech se nepoda ilo bohužel sehnat.
4.1.4. M ení gradientu tvrdosti va kové h ídele nap í zakalenou vrstvou
V následující ásti mé práce bych se rád zam il na to, jak nám m že pomoci NDT m ení tvrdosti p i kontrole va kové h ídele. P i metalografickém rozboru bylo provedeno jako dopl ující údaj o námi zkoumané sou ásti, vyhodnocení tvrdosti pomocí b žného m ení tvrdosti Vickers. Pro takovéto m ení je ale t eba destruktivn narušit již vyrobenou sou ást p í ným ezem.
Výsledky m ení uvádím informativn zde. Podmínky m ení udává následující tabulka . 1.
Metoda: Vickers
Objektiv: 40x
Zatížení: HV 0,5
Tabulka . 1 – Podmínky m ení tvrdosti
V následující tabulce . 2 je uveden postupný gradient tvrdosti od povrchu až do jádra.
Vzdálenost od povrchu
(mm)
HV 0,5
d1 [µm] d2 [µm] d [µm]
1 0,1 703,2 35,5 37,1 36,3
2 0,2 710,7 35,4 36,9 36,1
3 0,4 742,9 35,9 34,8 35,3
4 0,6 707,4 35,8 36,6 36,2
5 0,8 720,5 35,6 36,2 35,9
6 1,0 724,0 35,8 35,8 35,8
7 1,4 717,5 35,5 36,4 35,9
8 1,8 718,2 35,6 36,2 35,9
9 2,0 675,8 37,5 36,6 37,0
10 2,2 595,4 38,5 40,4 39,5
11 2,4 473,7 43,4 45,0 44,2
12 2,6 425,3 47,6 45,8 46,7
13 2,8 389,0 48,7 49,0 48,8
14 3,0 269,2 60,6 56,8 58,7
15 3,2 204,2 67,5 67,3 67,4
16 4,0 185,4 68,3 73,1 70,7
Tabulka . 2 – Gradient tvrdosti nap í zakalenou vrstvou
Gradient tvrdosti
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Vzdálenost od povrchu [mm]
Tvrdost HV 0,5
Graf . 1 – Pr b h tvrdosti nap í zakalenou vrstvou
P i pohledu na graf . 1 je z ejmé, že nejv tší tvrdosti bylo dosaženo v zakalené vrstv zhruba p i 0,4 mm od povrchu.
Toto m ení nám podalo ale spíše informace o prokalitelnosti materiálu, než o charakteru zakalené vrstvy a o jejím vlivu na použitelnost sou ásti. Je pravda, že pokud zde dojde k nadm rnému zakalení, velmi asto se poté stává, že se zakalená vrstva odd lí od vrstvy jádra prasklinou, která je p edevším zp sobena tím, že tlakové nap tí v zakalené vrstv výrazn p ekro í tahové nap tí v p echodové vrstv a jádru držící ob vrstvy pohromad . Dále se zde m že vyskytovat odd lování roh sou ástí. Tomu bychom m li zabránit vhodnou volbou geometrického zaoblení.
4.1.5. Návrh nedestruktivního m ení tvrdosti a vliv ší ky zakalené vrstvy va kové h ídele
V této kapitole je d ležité nastínit, jak m že velmi ovlivnit ší ka zakalené vrstvy vlastní funk nost sou ásti.
Obrázek . 41 byl také po ízen p i studiu struktury.
Obrázek . 41 – foto ezu sou ástí
Pro naše ú ely je zde patrné, jak daleko až zasahuje zakalená vrstva. M žeme zde vid t, že zasahuje až do geometrického zaoblení. To není vhodné zejména z d vodu p enesení koncentrace dvou nap tí do t chto míst. Tato koncentrace dvojího nap tí m že asto zp sobovat u takovýchto zaobleních praskliny, a proto je t eba íci, že takováto sou ást není zrovna vhodn zakalena. Jako vhodná volba prokalení se zde jeví to, že zakalená vrstva musí zasahovat spíše p ed geometrické zaoblení. K této kontrole by nám mohlo pomoci nedestruktivní m ení tvrdosti. Jak již bylo v p edchozím textu nastín no, existují podstat 3 druhy NDT m ení tvrdosti. Dynamická metoda a metoda TIV se zde nejeví jako vhodné volby, nebo ob vyžadují dobrý p ístup k místu m ení a to zrovna u geometrického zaoblení není. Z stává zde metoda ultrazvuková, která je mén citlivá na kolmost a také umož uje m it ze všech sm r . M ení touto metodou je vhodné pro sou ásti od 0,3 kg a minimální tlouš ky 2-3 mm, což by mohlo dle charakteru sou ásti také vyhovovat. Pro naši sou ást by mohl být vhodná volba p ístroj MIC 10 od firmy Krautkramer, který využívá ultrazvukovou metodu UCI. Jako vhodná sonda se jeví sonda 50N prodloužená s ozna ením MIC-205L.
Obrázek . 42 – Ultrazvukový p ístroj MIC 10
4.1.6. Vlastní vyhodnocení m ení tvrdosti va kové h ídele motoru TEDOM
Vlastní NDT m ení a vyhodnocení tvrdosti probíhalo pomocí p ístroje MIC 10. B hem m ení se ale ukázalo, že ve špatn p ístupných místech (geometrické zaoblení) je p esnost m ení velmi ovlivn na správným umíst ním zkušebního hrotu v i povrchu sou ásti (náchylné na kolmost). Již minimální odchylka polohy se vyzna ovala rozdílnou hodnotou tvrdosti.
P ístroj MIC 10 vykazoval dobrou p esnost p i m ení rovinných ploch va kové h ídele, a tudíž by byl použitelný pro m ení stykových ploch va kové h ídele, to znamená tzv. „palc “ va kových h ídelí.
4.2. NDT strukturoskopie klikového h ídele automobilu ŠKODA
Jak je známo, kliková h ídel je strojní sou ást spalovacího motoru. Díky ní jsme schopni p evést rota ní pohyb p evodové soustavy na pohyb p ímo arý pístu. Její tvarová složitost A vysoká cena již nazna uje, že není vhodné destruktivní zkoušení struktury. P i volb nedestruktivních metod zde bude hrát rozhodující roli op t struktura materiálu zkoušené sou ásti.
4.2.1. Metalografický rozbor materiálu klikové h ídele ŠKODA
Námi zkoumaná kliková h ídel je vyrobena z LKG. Op t provedeme rozbor struktury, abychom mohli ur it, jakou nedestruktivní metodou bude možno m it.
Obrázek . 43 – Povrchová vrstva klikové h ídele
Obrázek . 43 zachycuje strukturu povrchové vrstvy námi zkoumané klikové h ídele. Jsou zde op t patrné jehlice martenzitu.
Pokud pokra ujeme dále strukturou, dostáváme se do p echodové vrstvy (viz. obrázek . 44).
Nacházíme zde kuli kový grafit s p iléhajícím feritem a také pro nás nejd ležit jší lamelární perlit.
Obrázek . 44 – P echodová vrstva
Pro dopln ní je zde ješt na obrázku . 45 fotografie jádra sou ásti. Op t je zde p kn vid t kuli kový grafit, jenž obklopuje ferit a dále lamely perlitu
.
Obrázek . 45 – Jádro sou ásti
Z provedeného rozboru struktury jednozna n vyplývá op t metoda ultrazvuková, nebo magnetické metody se zde z d vodu p ítomnosti perlitu v p echodové vrstv nedají použít.
/4/
4.2.2. Návrh ultrazvukové metody m ení
Nebo zde není cílem navrhnout metodiku pro kontrolu 100% sou ástí, ale metodu, kterou bude snadné ur it hodnoty prokalení ur itého souboru kalených klikových h ídelí, doporu oval bych zde op t metodu ultrazvukovou. V dalším postupu práce se pokusím vyzkoušet metodu m ení pomocí ultrazvuku USLT 2000 (viz. kapitola 4.1.2.) firmy
Testima s. r. o..
