Measurement of Case Depth - ASM International

M e a s u r e m e n t o f C a s e D e p t h

B y D A L E J . W R I G H T , G e n e r a l S u p e r i n l e n d e n t H e a t T r e a t D i v . , C a t e r p i l l a r T r a c t o r C o .

P e o r i a , i l l .

NU M E R O U S m e t h o d s a r e e m p l o y e d t h r o u g h ­o u t i n d u s t r y t o m e a s u r e t h e d e p t h o f

c a r b u r i z e d c a s e s o n s t e e l , l a r g e l y b e c a u s e t h e r e i s a p p a r e n t l y n o s t a n d a r d i z e d p r o c e d u r e w h i c h i s a c c e p t a b l e t o a l l . A r t i c l e s h a v e b e e n p u b l i s h e d d e s c r i b i n g v a r i o u s " a p p r o v e d " o r " s t a n d a r d " p r o c e d u r e s , b u t g e n e r a l l y e a c h c o m p a n y o r i n ­d u s t r y h a s p r e f e r r e d t o a p p l y i t s o w n p a r t i c u l a r t e c h n i q u e b a s e d o n i t s o w n i n t e r p r e t a t i o n o f c a s e d e p t h a n d t h e a v a i l a b i l i t y o f e i t h e r s h o p o r l a b o r a t o r y e q u i p m e n t .

U n t i l a p p r o x i m a t e l y s e v e n y e a r s a g o , t h e h e a t t r e a t i n g d i v i s i o n o f C a t e r p i l l a r T r a c t o r C o . e n c o u n t e r e d i n c o n s i s t e n c i e s i n c a s e d e p t h s o n t e s t b a r s w h i c h w e r e n o t a l w a y s e x p l a i n a b l e . E a c h s u c h i n s t a n c e i n v o l v e d c o n s i d e r a b l e e x t r a e x p e n s e b e c a u s e o f a d d i t i o n a l t e s t i n g a n d d e s t r u c t i o n o f p i e c e p a r t s . A n a n a l y s i s o f t h e p r o b l e m r e v e a l e d t h a t v e r y o f t e n t h e f a u l t w a s i n t h e m a n n e r o f d e t e r m i n i n g c a s e d e p t h r a t h e r t h a n i n t h e c a r b u r i z i n g o p e r a t i o n . A t t h a t t i m e , t h e r e f o r e , w e s e t o u t t o d e f i n e t h e m o s t a p p l i c ­a b l e a n d e c o n o m i c a l m a n n e r o f c h e c k i n g t h i s m e t a l l u r g i c a l q u a l i t y a n d s t a n d a r d i z i n g a c c o r d ­i n g l y . T h e o b j e c t i v e s w h i c h w o u l d h a v e t o b e m e t f o r o u r u s e w e r e a s f o l l o w s :

1 . D e t e r m i n a t i o n s m u s t b e a c c u r a t e a n d r e p e t i t i v e . T h e m e t h o d m u s t e l i m i n a t e d i f f e r ­e n c e s o f j u d g m e n t b e t w e e n p e o p l e m a k i n g t h e d e t e r m i n a t i o n , s o m e t h i n g w e f o u n d t o b e t h e g r e a t e s t p r o b l e m i n o u r p r e v i o u s p r a c t i c e s .

2 . D e t e r m i n a t i o n s m u s t b e m a d e q u i c k l y s o t h a t " i n p r o c e s s " h e a t s c a n b e c h e c k e d a t a n y t i m e w i t h o u t d e l a y .

3 . T h e p r o c e d u r e m u s t b e s i m p l e s o a s n o t t o d e m a n d h i g h l y s k i l l e d t e c h n i c i a n s , a r e q u i r e ­m e n t p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t d u r i n g w e e k - e n d o r h o l i d a y o p e r a t i o n .

4 . E q u i p m e n t s h o u l d b e r e l a t i v e l y i n e x p e n ­

s i v e a n d d u r a b l e , a n d c o s t o f i n d i v i d u a l d e t e r ­m i n a t i o n s b e a s l o w a s p o s s i b l e . I m p o r t a n c e o f t h e l a t t e r c o n s i d e r a t i o n i s a t t e s t e d b y t h e f a c t t h a t w e a v e r a g e 2 5 0 d e t e r m i n a t i o n s a d a y .

5 . T h e m e t h o d u s e d s h o u l d r e p r e s e n t a m e a s u r e o f t h e c o n t r o l o f t h e c a r b u r i z i n g p r o c e s s , a n d n o t a t t e m p t t o e v a l u a t e o t h e r v a r i a b l e s s u c h a s m a t e r i a l o r d e s i g n o f t h e p i e c e .

6 . T h e d e t e r m i n a t i o n s h o u l d i n d i c a t e a c a s e d e p t h w h i c h w o u l d find a c c e p t a n c e u n d e r a b r o a d i n t e r p r e t a t i o n o f t h e t e r m " e f f e c t i v e " d e p t h o f c a s e .

A n u m b e r o f a p p r o a c h e s w e r e t r i e d d u r i n g t h e i n v e s t i g a t i o n f o r a m e t h o d w h i c h w o u l d m e e t t h e s e r e q u i r e m e n t s . T h u s , t e s t b a r s o f c a r b o n a n d a l l o y s t e e l s w e r e e t c h e d o r h e a t t i n t e d t o r e s o l v e t h e c a r b u r i z e d c a s e f o r i t s m e a s u r e m e n t w i t h a s p e c i a l s c a l e . B r i n e l l o r e q u i v a l e n t l o w - p o w e r m a g n i f i c a t i o n s i n c o n ­j u n c t i o n w i t h a p p r o p r i a t e l y c a l i b r a t e d l i n e a l d i v i s i o n s w e r e u s e d t o m e a s u r e t h e c a s e o n f r a c ­t u r e d o r p o l i s h e d a n d e t c h e d t r a n s v e r s e s e c t i o n s . T w o o t h e r i d e a s s t u d i e d w e r e h a r d n e s s t e s t s o n s t e p - g r o u n d a n d t a p e r e d b a r s a n d t r a n s v e r s e s e c t i o n s ; a n d t h e m i c r o s c o p i c e x a m i n a t i o n o f c a r b u r i z e d , a n d o f c a r b u r i z e d a n d h a r d e n e d b a r s w h i c h h a d b e e n t e m p e r e d a t 1100° F . i n c a s t i r o n b o r i n g s .

I n k e e p i n g w i t h o u r s t a t e d o b j e c t i v e s , w e d e c i d e d o n a c o m b i n a t i o n o f t h e first t w o m e t h o d s , r e g u l a t e d s o a s t o c o n t r o l t h e k n o w n v a r i a b l e s a n d m a d e t o c o n f o r m e a s i l y w i t h a l l o f o u r n e e d s . A f t e r m a n y y e a r s o f i t s u s e w e a r e w e l l p l e a s e d w i t h t h e r e s u l t s , a n d c o n f i d e n t t h a t a n y t r o u b l e s w e m a y e n c o u n t e r a r e n o t d u e t o t h e m e t h o d o f c h e c k i n g c a s e d e p t h .

T h e f o l l o w i n g d e s c r i b e s t h e p r o c e d u r e w e e m p l o y , w h i c h i s a c t u a l l y v e r y s i m p l e t o a p p l y a f t e r a b r i e f i n i t i a l i n s t r u c t i o n .

M E T A L P R O G R E S S ; P A G E 8 6

D e s c r i p t i o n o f T e s t B a r s — T e s t b a r s a r e p r o c u r e d f r o m a m i l l h e a t o f k n o w n c h a r a c ­t e r i s t i c s a n d i n s u f f i c i e n t q u a n t i t y t o l a s t a n u m b e r o f y e a r s . T h e c o l d finished b a r s a r e 7 / 1 6 i n . s q u a r e a n d 3/4 i n . l o n g , a n d a h o l e i s d r i l l e d n e a r o n e e n d o n t h o s e w h i c h r e q u i r e s u s p e n s i o n i n t h e f u r n a c e . C h e m i c a l c o m p o s i ­t i o n o f t h e b a r s i s : 0 . 1 7 t o 0 . 2 0 C , 0 . 8 0 t o 0 . 9 0 M n , 0 . 1 7 t o 0 . 2 2 S i , 0 . 0 4 0 S , 0 . 0 2 0 P , 0 . 1 2 N i , 0 . 0 8 C r , 0 . 0 2 M o , 0 . 0 5 C u , 0 . 1 5 t o t a l N i p l u s C u ; a l l b u t t h e first t h r e e a r e m a x i m u m v a l u e s .

T h e A . S . T . M . g r a i n s i z e i s N o . 1 t o 4 , w i t h a m a x i m u m s p r e a d o f t w o n u m b e r s . T h e t e s t b a r s a r e r u n w i t h t h e p r o d u c t i o n p a r t s i n e v e r y f u r ­n a c e c h a r g e a n d a t r e g u l a r f r e q u e n t i n t e r v a l s o n c o n t i n u o u s f u r n a c e s . T e s t b a r s w h i c h h a v e b e e n c h e c k e d f o r c a s e d e p t h i n t h e m a n n e r t o b e d e s c r i b e d a r e u s e d t o a c c e p t o r r e j e c t p r o d u c ­t i o n m a t e r i a l w i t h w h i c h t h e y h a v e b e e n c a r -b u r i z e d . U s e o f t e s t b a r s o f u n i f o r m c a r b u r i z i n g c h a r a c t e r i s t i c s i s n e c e s s a r y i n o r d e r t o i s o l a t e t h e v a r i a b l e b e i n g c h e c k e d t o t h a t o f t h e c a r ­b u r i z i n g r o u t i n e i t s e l f .

H a r d e n i n g o f T e s t B a r s — A f t e r c o o l i n g f r o m c a r b u r i z i n g t o a t l e a s t a " b l a c k " h e a t , b a r s

F i g . 1 — I n s t r u m e n t D e s i g n e d at C a t e r p i l l a r T r a c ­tor C o . f o r A c c u r a t e M e a s u r e m e n t of C a s e D e p t h . P r i n c i p a l p a r t s c o n s i s t of a n i l l u m i n a t e d B a u s c h a n d L a m b i O X B r i n e l l m i c r o s c o p e a n d a d i a l i n d i c a t o r m o u n t e d o n a m e t a l base. T h e case d e p t h is r e a d o n t h e d i a l i n d i c a t o r

i n s t r u m e n t E l i m i n a t e s H u m a n E l e m e n t

a r e l o a d e d i n t o a s m a l l H e v i - D u t y e l e c t r i c f u r n a c e e q u i p p e d w i t h a c i r c u l a t i n g f a n . U p t o 2 0 p i e c e s a r e l o a d e d a t o n e t i m e i n a n a l l o y p a n . T h i s f u r n a c e i s u s e d f o r t h i s w o r k o n l y a n d i s m a i n t a i n e d a t 1440° F . ± 5° F . a t a l l t i m e s . H e a t i n g t i m e i s h e l d t o 2 2 m i n . ± 3 0 s e c , a n d n o p r o t e c t i v e a t m o s p h e r e i s u s e d . T e s t b a r s a r e t h e n q u e n c h e d u n t i l c o l d i n a f u l l flow o f w a t e r a t 75° F . ± 5° F .

F r a c t u r i n g a n d E t c h i n g — T h e b a r s a r e b r o k e n t r a n s v e r s e l y a t a p p r o x i m a t e l y t h e i r m i d ­p o i n t a n d e t c h e d i n 10% n i t a l f o r 8 s e c . C a r e m u s t b e e x e r c i s e d t o u s e f r e s h n i t a l w h i c h h a s n o t b e e n e x p o s e d t o a i r f o r m o r e t h a n 2 h r . T h e e t c h e d f r a c t u r e i s r i n s e d i n w a t e r a n d d r i e d w i t h c o m p r e s s e d a i r , r e s u l t i n g i n a c l e a r , d e f i n i t e l i n e o f d e m a r c a t i o n b e t w e e n c a s e a n d c o r e .

R e a d i n g C a s e D e p t h — T h e i n s t r u m e n t w e d e v e l o p e d f o r d e t e r m i n i n g d e p t h i s o f a s i m p l e , i n e x p e n s i v e d e s i g n , y e t i t h a s e l i m i n a t e d t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n i n d i v i d u a l s m a k i n g t h e d e ­t e r m i n a t i o n a n d t h e n a t u r a l i n c l i n a t i o n o f p e o p l e t o " i n t e r p r e t " t h e c a s e m e a s u r e m e n t a s t h e y m a y h a p p e n t o s e e fit. T h e p r i n c i p a l p a r t s o f t h i s i n s t r u m e n t a r e a n i l l u m i n a t e d B a u s c h & L o m b B r i n e l l m i c r o s c o p e ( m a g n i f i c a t i o n 1 0 X ) ,

F i g . 2 — R e a r V i e w of M e a s u r i n g I n ­s t r u m e n t W i t h a T e s t B a r i n P l a c e

F i g . 3 - E n d V i e w of T e s t B a r A f t e r B e i n g F r a c ­t u r e d a n d E t c h e d . T h e case d e p t h i s c l e a r l y de­f i n e d by t h e d a r k e r p o r t i o n ; free f e r r i t e i s i n d i c a t e d by t h e l i g h t .spots i n t h e center p o r t i o n . l O X

a n d a d i a l i n d i c a t o r m o u n t e d o n a m e t a l b a s e . W h e n t h e t e s t b a r i s p l a c e d i n t h e i n s t r u m e n t , t h e h a i r l i n e o f t h e m i c r o s c o p e i s z e r o e d t o i t s e d g e . T h e b a r i s m o v e d s o t h a t t h e h a i r l i n e c o i n c i d e s w i t h t h e first f r e e f e r r i t e . T h e c a s e d e p t h i s t h e n r e a d d i r e c t l y o n t h e d i a l i n d i c a t o r .

F r o m o u r i n v e s t i g a t i o n a l w o r k i t w a s f o u n d t h a t a r e a d i n g t o t h e first g r a i n o f f r e e f e r r i t e w o u l d c o i n c i d e c l o s e l y w i t h a 0 .40% c a r b o n c o n ­

t e n t a n d a h a r d n e s s o f R o c k w e l l C - 5 0 . O n t h i s i n ­s t r u m e n t a c c u r a c y o f r e p e ­t i t i v e r e a d i n g s , b e t w e e n i n d i v i d u a l s a s w e l l a s b e ­t w e e n d i f f e r e n t r e a d i n g s b y t h e s a m e i n d i v i d u a l , i s w i t h ­i n 0 . 0 0 1 i n .

F i g u r e 3 ( r e p r o d u c e d a t t h e s a m e m a g n i f i c a t i o n t h e o p e r a t o r r e c e i v e s i n t h e i n ­s t r u m e n t ) c l e a r l y s h o w s t h e d a r k e r c a s e d e p t h .

I t i s r e c o g n i z e d t h a t t h e m e t h o d s d e s c r i b e d i n t h i s a r t i c l e c o u l d n o t b e a p p l i e d t o a l l s h o p s a s a m e a n s o f p r o d u c t i o n c o n t r o l , b e c a u s e s o m e e q u i p m e n t i s n e c e s ­s a r y , a l t h o u g h i t i s b y n o m e a n s e l a b o r a t e o r e x p e n ­s i v e . H o w e v e r , i t i s v w t h s o m e h o p e o f s t a n d a r d i z a ­t i o n t h a t t h i s d e s c r i p t i o n h a s b e e n p r e p a r e d , s i n c e t h e r e c e r t a i n l y i s a n e e d i n

• i n d u s t r y f o r c l o s e r m e a s u r e ­m e n t a s w e l l a s u n i f o r m i t y

i n m e t h o d s e m p l o y e d . P e r h a p s v a r i a t i o n s f r o m t h e f o r e g o i n g w o u l d a t l e a s t p e r m i t u s a l l t o " s p e a k t h e s a m e l a n g u a g e " a n d m a k e c o m p a r i ­s o n s f r o m t h e s a m e b a s i c b e g i n n i n g . I f t h e r e w e r e e n o u g h i n t e r e s t i n s t a n d a r d i z a t i o n , i t w o u l d n o t b e d i f f i c u l t t o m a k e t e s t b a r s a n d r e a d i n g i n s t r u m e n t s a v a i l a b l e , j u s t a s s t a n d a r d m e t h o d s a n d e q u i p m e n t f o r h a r d n e s s m e a s u r e ­m e n t s h a v e b e e n a v a i l a b l e f o r m a n y y e a r s . ^

Current R u s s i a n Metallurgical IN C O N T I N U A T I O N o f t h e s u r v c y o f c o n t e m p o ­

r a r y R u s s i a n m e t a l l u r g y , p r e s e n t e d i n t h e A u g u s t 1 9 5 1 a n d M a r c h 1 9 5 3 i s s u e s o f M e t a l P r o g r e s s , five a d d i t i o n a l b o o k s p u b l i s h e d i n t h e S o v i e t U n i o n i n t h e p e r i o d 1 9 4 7 t o 1 9 5 1 a r e h e r e a p p r a i s e d . T h e first t h r e e a r e o f s p e c i a l i n t e r e s t b e c a u s e t h e y g i v e a c o m p r e h e n s i v e a n d d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f b o t h f e r r o u s a n d n o n f e r r o u s m e t a l s a n d a l l o y s i n p r o d u c t i o n a s o f 1 9 5 0 - 5 1 . T h e o t h e r t w o a r e c o n c e r n e d w i t h n o n f e r r o u s i n d u s t r i e s , o n e e x t e n s i v e l y d e s c r i b i n g n i c k e l a n d

c o p p e r ( a f e w c r i t i c a l i s s u e s e x c e p t e d ) a n d t h e o t h e r d a b b l i n g w i t h a n u m b e r o f t h e s o - c a l l e d " r a r e m e t a l s " , i n c l u d i n g m o l y b d e n u m , t i t a n i u m a n d t h e t r a n s u r a n i c s .

S O V I E T M E T A L S A N D A L L O Y S

" I n t r o d u c t i o n t o M e t a l l u r g y , " b y G . I . P o g o -d i n - A l e k s e e v , Y u . A . G e l l e r a n d A . G . R a k h -s h t a d t ; G o v e r n m e n t a l P u b l i c a t i o n f o r t h e W a r I n d u s t r y , M o s c o w , 1 9 5 0 , 4 5 5 p .

M E T A L P R O G R E S S ; P A G E 88