Материалы для контрольно-измерительного инструмента

Измерительный инструмент предназначен для измерения линейных и угловых размеров, формы и характеристик поверхности деталей, а также для определения твердости, т.е. свойств материалов.

Для изготовления измерительного инструмента используют стали, твердые сплавы, алмазы.

Стали нашли наибольшее применение. Из них изготавливают концевые меры длины (измерительные плитки), скобы, шаблоны, калибры, детали штангенциркулей, вставки микрометров, инденторы твердомеров – шарики для приборов Бринелля и Роквелла.

Стали для изготовления измерительного инструмента должны обладать:

– высокой твердостью – 55...65 HRC, что обеспечивает хорошую износостойкость;

– стабильностью размеров во времени;

– способностью получать высокую чистоту поверхности при доводочных операциях.

Объемной закалке подвергают измерительные плитки, калибры, детали штангенциркулей и микрометров, инденторы твердомеров. Измерительные поверхности губок штангенциркулей должны иметь твердость не менее 58 HRC, а измерительная поверхность линейки глубиномера – не менее 46 HR С. Твердость плиток, калибров, пяток и вставок микрометров должна составлять 59...65 HRC. Для достижения такой твердости детали изготавливают из сталей с высоким ОГЛАВЛЕНИЕм углерода – углеродистых и легированных инструментальных, шарикоподшипниковых:

– калибры – из сталей У10А, У12А, X, ШХ15, ШХ15СГ;

– мерительные плитки – из сталей X (1% С, 1,1% Ст), 12X1 (1,2% С, 1,5% Cr).

Технология упрочнения – закалка и низкий отпуск. Высокая твердость достигается за счет получения мартенсита с высокой концентрацией углерода; кроме того, в структуре присутствует остаточный аустенит. Такая структура нестабильна. В процессе эксплуатации возможен распад аустенита, вызывающий увеличение размеров (аустенит имеет максимальную плотность вследствие высокой атомной плотности решетки ГЦК, т.е. минимальный удельный объем). Помимо этого, изменения размеров инструмента во времени могут происходить из-за распада мартенсита (уменьшения в нем содержания углерода за счет выделения цементита), что приведет к уменьшению размеров. Изменения размеров инструмента недопустимы (в первую очередь это относится к плоскопараллельным мерам длины и калибрам).

Стабилизация структуры и размеров инструментов из инструментальных сталей достигается следующей технологией термической обработки:

– закалка; в воде – углеродистые стали, в масле – легированные;

– обработка холодом при -70 °С для устранения остаточного аустенита;

– низкий отпуск большой продолжительности – 120... ...130 °С, 24...60 ч.

После шлифования, перед полированием, целесообразно производить повторный отпуск длительностью 2...3 ч для устранения шлифовочных напряжений, релаксация которых в процессе эксплуатации будет вызывать изменения формы и (или) размеров.

Для инструментов малой жесткости рекомендуется проведение предварительной термической обработки нормализации и последующего отпуска при 600 °С длительностью 1 ч. Такая обработка обеспечивает получение однородной структуры, что позволяет снизить деформации при закалке.

Поверхностному упрочнению подвергают скобы, шаблоны, лекала, изготавливаемые из листового материала, особенно инструменты, имеющие большие габариты. Используют цементуемые (20, 20Х) и среднеуглеродистые (50, 55) конструкционные стали. Инструменты из сталей 20 и 20Х подвергают цементации, закаливают в масле (сталь 20Х) или в воде (сталь 20). Отпуск проводят при 150... 180 °С в течение 2...3 ч. Вследствие незначительной толщины цементованного слоя превращения в нем мало влияют на изменения общего объема инструмента, поэтому отпуск большей длительности не требуется.

Инструменты из сталей 50 и 55 закаливают с индукционным нагревом (закалка ТВЧ). Это позволяет добиться меньшей деформации и обеспечивает возможность правки. Отпуск выполняют при 150...180 °С в течение 2...3 ч. Износостойкость закаленного слоя сталей 50 и 55 меньше, чем цементованного.

Для специальных инструментов, которые должны обладать устойчивостью против коррозии, применяют коррозионно-стойкую хромистую сталь 40X13. Термическая обработка: закалка от 950...1000 °С с охлаждением в масле и отпуск при 120...130 °С длительностью от 12 до 50 ч. Твердость – 55...57 HRC.

Рабочие поверхности измерительного инструмента должны иметь весьма высокое качество. Стандартами регламентированы параметры шероховатости поверхности Ra (мкм): для измерительных плиток – не более 0,07 (при более грубой поверхности затруднена или невозможна притираемость плиток); для калибров – от 0,05 до 0,8 в зависимости от степени точности.

Лучшее качество поверхности достигается при твердости 63...65 HRC (наибольшая вероятность получения минимального значения Ra, табл. 9.15).

Таблица 9.15

Шероховатость полированной поверхности стали X в зависимости от твердости

Твердость, HRC	Количество образцов, %, с высотой микронеровностей, мкм
	до 0,1	до 0,08	до 0,065
58...60	44,5	32,8	22,7
60,5...62,5	37,1	34,0	28,9
63...65	23,5	34,4	42,1
65,5...67	45,6	41,2	13,2

Твердые сплавы. Изготовление измерительного инструмента из твердых сплавов объясняется не только их высокой твердостью и износостойкостью, что необходимо, но также и тем, что они не претерпевают структурных превращений, т.е. обладают высокой стабильностью размеров во времени. Их используют для изготовления плоскопараллельных мер длины, калибров, контактных элементов микрометрического инструмента – пяток.

Измерительный инструмент не испытывает ни статических, ни динамических нагрузок, поэтому используются сплавы, обладающие высокой твердостью, – низкокобальтовые, безвольфрамовые.

Алмазный контрольно-измерительный инструмент применяют для контроля твердости, шероховатости поверхности, размеров.

Алмазные наконечники применяют для измерения твердости (см. 2.1.2) методом Роквелла (HRC, HRA; индентор – конус с углом 120°), Виккерса (четырехгранная пирамида с углом 136°).

Наиболее распространенный метод определения шероховатости поверхности на профилометрах и профилографах – ее ощупывание (сканирование) острой иглой. Обеспечение стабильных показателей приборов может быть достигнуто только при высокой износостойкости иглы, именно поэтому используют иглы с алмазной рабочей частью – это кристалл массой 0,01...0,02 карата с вершиной в виде конуса с углом 90°.

Алмазные измерительные наконечники – кристаллы массой 0,05...0,3 карата используют при активном контроле.