PS 10 2016 WWW.pdf 46 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Ocena twardości warstw nawęglanych  i hartowanych indukcyjnie na stali AMS 6414  z zastosowaniem magnetycznych technik nieniszczących Evaluation of hardness layers carburizing or induction hardened the steel AMS 6414 using magnetic non-destructive techniques Dr inż. Dominik Kukla – Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, dr inż. Leszek Piotrowski – Politechnika Gdańska, mgr inż. Maciej Szwed – Politechnika Warszawska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: dkukla@ippt.gov.pl Streszczenie Praca dotyczy oceny możliwości identyfikacji zmian twardości warstw nawęglanych i hartowanych indukcyj- nie, z wykorzystaniem nieniszczących technik magnetycz- nych. Badania przeprowadzono na zestawie trzech pró- bek, ze stali AMS 6414, poddanych procesowi nawęglania, w atmosferze o różnym stężeniu węgla, a następnie har- towaniu oraz na próbce bez warstwy. Próbki z warstwami o różnej twardości (i stałej grubości - 1,2 mm) poddano badaniom technikami nieniszczącymi, z zastosowaniem prądów wirowych i analizy szumów Barkhausena. Badania metodą prądów wirowych polegały na ocenie zmian kąta fazowego uzyskanego w efekcie oddalenia od warstw o róż- nej twardości. Jednocześnie poddano analizie obwiednie sygnału Efektu Barkhausena, Wyniki tych badań pozwoliły zidentyfikować różnice w twardości próbek ze stali, z war- stwą o różnym stężeniu węgla. W celu weryfikacji pomiarów metodami nieniszczącymi wykonano jakościowe i ilościowe badania mikroskopowe oraz rozkłady mikrotwardości na przekrojach próbek. Słowa kluczowe: nawęglanie; warstwy hartowane indykacyjnie; szumy Barkhausena; prądy wirowe; profile mikrotwardości Abstract The work concerns the evaluation of the possibility of identifying changes in hardness of carburizing and in- duction hardened layer, using magnetic non-destructive techniques. The research was conducted on a set of three samples, AMS 6414 steel subjected to carburizing process in an atmosphere containing varying concentrations of car- bon, and then quenched and the sample without the layer. Samples with the layers of different hardness (of constant thickness - 1.2 mm) was subjected to non-destructive testing techniques, using eddy currents and analysis of Barkhausen noise. Eddy current testing method consisted of evaluating changes in the phase angle obtained as a result of separa- tion from layers of different hardness. At the same time ana- lyzed the envelope signal Barkhausen Effect, results of these studies have identified differences in the hardness of sam- ples of steel with a layer of varying concentrations of carbon. In order to verify the measurements made by non-destructive methods qualitative and quantitative microscopy and micro- hardness distributions on cross sections samples. Keywords:  carburizing; induction-hardened layer; Barkhau- sen noise; eddy currents; micro-hardness profiles Wstęp W produkcji podzespołów silników lotniczych wszyst- kie elementy poddawane są kontroli jakości. W przypadku elementów hartowanych indukcyjnie jednym z kontrolowa- nych parametrów jest twardość i grubość utwardzonej war- stwy. Wyznaczenie tych danych wymaga wykonania badań na zgładach metalograficznych, czyli zniszczenia części obrabianych detali, co zwiększa koszt produkcji. Możliwość wykorzystania nieniszczących technik badawczych do ilo- ściowej oceny wymaganych parametrów, np. w oparciu o metody magnetyczne, pozwoli na zwiększenie efektywności procedur diagnostycznych i ograniczy starty produkcyjne. Materiał i metodyka Badania prowadzono na zestawie czterech próbek wal- cowych, ze stali AMS 6414, o geometrii umożliwiającej wy- konanie pomiarów technikami nieniszczącymi, poddanych Dominik Kukla, Leszek Piotrowski, Maciej Szwed przeglad Welding Technology Review 47PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 procesowi nawęglania, w atmosferze o różnym stężeniu węgla, a następnie hartowaniu indukcyjnemu. Pozwoliło to uzyskać warstwy o różnych twardościach, przy stałej gru- bości (1,2 mm), zgodnie z opracowanym modelem przedsta- wionym na rysunku 1. Rys. 1. Model procesu nawęglania Fig. 1. Model of carburizing process Wartości twardości trzech warstw, wyznaczone na pod- stawie symulacji procesu nawęglania, podano w tablicy I, wraz z realnymi wartościami zmierzonymi pod obciążeniem 100 N. Wykonano też profile mikrotwardości HV 0,5 w celu weryfikacji danych modelowych oraz oceny gradientu tego parametru. Wartość modelowa 700 740 780 Wartość zmierzona HV 10 783 797 836 Tablica I. Twardość HV10 warstw - modelowa i zmierzona Table I. Hardness HV10 layers - model and measured Wyniki pomiarów wykonanych na mikro-twardościomie- rzu Zwick Roel, wskazują, że uzyskane warstwy charakte- ryzują się wyższą twardości niż założono do celów obrób- ki powierzchniowej. Dotyczy to wszystkich próbek, jednak zarejestrowane różnice, wynikające ze zmiennego stężenia węgla, są wystarczające do wykorzystania zestawu jako wzorce referencyjne. W dalszych badaniach i opisach wy- ników posłużono się oznaczeniem twardości uzyskanym w modelowaniu. Wytworzony zestaw próbek poddano badaniom tech- nikami nieniszczącymi, z zastosowaniem prądów wiro- wych i analizy szumów Barkhausena. Badania metodą prądów wirowych polegały na ocenie zmian kąta fazowe- go uzyskanego w efekcie oddalenia od warstw o różnej twardości. Pomiary przeprowadzono z zastosowaniem defektoskopu NORTON 600 firmy OLYMPUS, przy wyso- kich częstotliwości pola wzbudzającego, na poziomie 5 MHz. Skutkuje to ograniczeniem głębokości wnikania prądów w stali ferromagnetycznej do kilkuset mikrome- trów, czyli w zakresie grubości warstw hartowanych. Podobne badania, z zastosowaniem prądów wirowych prowadzono także w zakresie oceny stopnia uszkodzenia zmęczeniowego [1,2], stanu składowych naprężenia reszt- kowych [3], czy też grubości warstw hartowanych [4,5]. Z kolei metoda szumów Barkhausena wykorzystywana była przez autorów m in. do ilościowej oceny deformacji żelaza Armco [6] oraz stali 13HMF [7], a także do oceny efektów pełzania stali P91 [8]. Po wykonaniu badań metodami nieniszczącymi prze- prowadzono badania metalograficzne zgładów przekroi poprzecznych wszystkich trzech próbek. Badania te prowadzono za pomocą mikroskopu metalograficzne- go NIKON EPIPHOT 200 oraz skaningowego mikroskopu elektronowego SEM Hitachi SU70. Powierzchnie podda- ne obserwacji mikroskopowej uprzednio przygotowano według standardowych procedur metalograficznych obej- mujących szlifowanie, polerowanie i trawienie odczynni- kiem Nital 4% wg PN 61/H-04502. Mikrostrukturę materia- łu obserwowano przy powiększeniach 100÷500x. Celem badań było uzyskanie jakościowej charakterystyki mikro- struktury materiału oraz uwidocznienie zmian powodowa- nych procesem nawęglania. Wyniki Wyniki pomiarów mikrotwardości przedstawione na ry- sunku 2 potwierdzają rozkład opracowany na podstawie symulacji, czyli fakt uzyskania zestawu próbek o trzech, różnych wartościach twardości warstwy na powierzchni próbek ze stali 6414. Zgodnie z założeniem podwyższona twardość (w stosunku do rdzenia) utrzymuje się do głęboko- ści warstwy (ok. 1,2 mm). Na powierzchni uzyskano różnice ok. 40 HV. Rys. 2. Profile mikrotwardości Fig. 2. Micro hardness profiles Wyniki pomiarów kąta fazowego impedancji uzyskanych w efekcie „lift off” dla trzech próbek z warstwą nawęgloną oraz dla próbki bez warstwy pokazano na rysunku 3. Rys. 3. Charakterystyka impedancji dla próbek o różnej twardości Fig. 3. Impedance curve for samples having different hardnesses 48 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Na wykresie są widoczne różnice w wartości kąta fazo- wego mierzonego sygnału, których wartości dla poszczegól- nych próbek zestawiono w tablicy II. próbka bez warstwy 700 740 780 kąt fazowy 12,1 19,5 27,1 31,9 Tablica II. Wartości kąta fazowego dla próbek o różnej twardości warstwy nawęglanej Table II. The values of the phase angle of the samples with different carburized layer hardness Na rysunku 4 przedstawiono obwiednie sygnału Efektu Barkhausena. Jak widać wzrost twardości (na ogół idący w parze ze wzrostem twardości magnetycznej) skutkuje za- uważalnym obniżeniem amplitudy sygnału BE. Rys.  4. Charakterystyka zmian sygnału Barkhausena dla warstw o różnej twardości Fig. 4. Characteristic changes in Barkhausen signal for layers of dif- ferent hardness Rys. 5. Mikrostruktury próbek nawęglanych. Zdjęcia wykonane na mikroskopie metalograficznym, pow. 500x Fig. 5. Carburized microstructure samples. Pictures taken on a metallurgical microscope, 500x magnification 49PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Rys. 6. Mikrostruktury próbek nawęglanych. Zdjęcia wykonane na skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM); pow. 2000x Fig. 6. Carburized microstructure samples. Pictures taken on a scanning electron microscope (SEM); 2000x magnification W przypadku obu metod pomiarowych zarejestrowa- no wpływ twardości mierzonej warstwy na wartość mie- rzonego parametru, przy czym różnice w zakresie 700- 780 HV (a właściwie w zakresie 750-840) są wyraźnie widoczne. Wyniki badań z zastosowaniem obu technik mikrosko- powych przedstawiono w postaci wybranych obrazów mi- krostruktur badanych próbek. Na rysunku 5 przedstawiono zdjęcia uzyskane na mikroskopie świetlnym. Rysunek 6 prezentuje obrazy mikrostruktur rdzenia i warstw uzyskane za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono obrazy mikrostruktury rdzenia i warstwy 3 próbek o zróżnicowanej twardości war- stwy. Zdjęcia warstw pochodzą z obszaru podpowierzchnio- wego, gdzie różnice wynikające ze stężenia węgla są najle- piej widoczne. W przypadku rdzenia wszystkie trzy obrazy przedstawiają strukturę martenzytyczną, o podobnej mor- fologii i wielkości elementów mikrostruktury. W przypadku warstw, widoczne jest coraz większe rozdrobnienie marten- zytu wraz ze wzrostem twardości. Wynika to z faktu zwięk- szenia ilości miejsc zarodkowania martenzytu podczas hartowania wraz ze wzrostem zawartości węgla w warstwie nawęglonej, co w konsekwencji prowadzi do ograniczenia jego rozrostu. Dodatkowo w najtwardszej warstwie można odnotować obecność wydzieleń cementytu. 50 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 10/2016 Wnioski Różnice w twardości warstw nawęglanych i hartowanych indukcyjnie na stali, są możliwe do identyfikacji z zastoso- waniem nieniszczących technik diagnostycznych. Przeprowadzone badania potwierdzają skuteczność w tym zakresie m. in. metody prądów wirowych i szumów Barkhausena. Ponieważ jednak metody te są czułe na różne właściwości materiałowe, rejestrowane zmiany mogą być także efektem takich czynników, jak np. zmiany w składzie chemicznym warstwy oraz stan naprężenia w poszczególnych warstwach. Dlatego też wykorzystanie testowanych metod magne- tycznych do ilościowej oceny twardości warstw nawęglanych wymaga przygotowania szeregu próbek referencyjnych. Próbki te muszą być dedykowane do konkretnych detali poddawanych kontroli, wykonane z tego samego materiału i według tej samej technologii, z zastosowaniem jednakowych obróbek powierzchniowych. Podziękowania Badania.realizowano.w.ramach.projektu.finansowanego.przez.Narodowe.Centrum.Badań.I.Rozwoju,.nr.-.245061 . Literatura [1] Krysztofik J., Kukla D., Socha G.: Ocena stopnia uszkodzenia stopu In- conel 718 z zastosowaniem prądów wirowych, Przegląd Spawalnictwa, ISSN: 0033-2364, Vol. 87, No. 12, pp. 36-38, 2015. [2] Kukla D., Zagórski A.: Ocena rozwoju uszkodzenia zmęczeniowego warstwy aluminidkowej na stopie niklu z zastosowaniem technik nie- niszczących, Przegląd Spawalnictwa, ISSN: 0033-2364, Vol. 87, No. 12, pp. 18-21, 2015. [3] Kukla D., Bałkowiec A., Grzywna P.: Evaluation of microstructural chan- ges of S235 steel after rolling on the basis of microscopic observations and eddy current non-destructive method, Advances in Materials Scien- ce, ISSN: 1730-2439. [4] J.M. Szlagowska-Spychalska, M.M. Spychalski, K.J. Kurzydlowski: A no- vel approach for measuring of thickness of induction hardened layers based on the eddy current method and the finite element modeling, NDT & E International, Volume 54, March 2013, pp. 56-62. [5] M.J. Johnson, H. Cao, J.C. Moulder: Eddy-Current and Magnetic Measure- ments on Case-Hardened Steel, Review of Progress in Quantitative Non- destructive Evaluation, Volume 18 A, pp 1733-1740. [6] Piotrowski L., Augustyniak B., Chmielewski M., Hristoforou E., Kosmas K.: Evaluation of Barkhausen noise and magnetoacoustic emission signals properties for plastically deformed Armco iron; IEEE Trans. Magn.; vol. 46, no. 2; (2010) pp. 239-242. [7] Piotrowski L., Augustyniak B., Chmielewski M., Kowalewski Z.: Multi- parameter analysis of the Barkhausen noise signal and its application for the assessment of plastic deformation level in 13HMF grade steel; Meas. Sci. Technol. 21, (2010) 115702 (7pp). [8] Augustyniak B., Chmielewski M., Piotrowski L., Kowalewski Z.: Compa- rison of properties of magnetoacoustic, emission and mechanical Bar- khausen effects for P91 steel after plastic flow and creep; IEEE Transac- tion on Magnetics; vol. 44. No 11 (2008) p. 3273-3276.