Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
Шевченко А.И., кандидат технических наук Главной астрономической обсерватории Национальной академии наук Украины
МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ГРАФИТА В ЧУГУНЕ
Описан метод и прибор неразрушающего контроля формы графита в чугуне при применении в условиях литейного производства. Тепловая схема измерения относится к микрокалориметрам-интеграторам. По коэффициенту теплопроводности метод позволяет различать детали с шаровидным, вермикулярным графитом и детали из серого чугуна.
Ключевые слова: чугун, форма графита, теплопроводность, контроль.
METOD OF NONDESTRUCTIVE CONTROL IN THE FORM OF GRAPHITE PRODUCTS OF CAST-IRON
A method and device of non-destructive control of form of graphite are described in cast-iron at application in the conditions of casting of productions. The thermal chart of measuring behaves to microcalorimeter-integrators. On a coefficient a heat conductivity method allows to distinguish details with spherical, by a compact graphite and details from grey cast-iron
Keywords: cast-iron, form of graphite, heat conductivity, control.
1. Теплофизические свойства изделий из чугуна зависят от состава и структуры литого металла. Теплопроводность (X) чугунов существенно зависит от формы графита. Химический состав и структура мало влияют на теплопроводность чугунов с шаровидным (ЧШГ) и вермикулярным (ЧВГ) графитом (рис. 1) [1, 2].
В ГОСТ 28394-89 [3] приведены требования к коэффициенту теплопроводимости чугу-
Вт
нов с вермикулярним графитом следующих марок: для ЧВГ 30-ЧВГ45 от 51 до 37-.
м ■ К
В ГОСТ 1412-85 [4] приведены требования к коэффициенту теплопроводимости чугунов с
Вт
пластинчатым графитом: для СЧ10 - СЧ35 от 60 до 42-.
м ■ К
В работе [5] проведен анализ влияния составляющих чугуна на теплофизические характеристики. В работе [1] приводится формула зависимости теплопроводимости в ЧВГ от относительного количества шаровидного графита (ШГ): X = 34,1+ 0,094-х, где х - относительное количество ШГ (в пределах 0-100 %). В чугуне с ШГ при увеличении степени сфероидизации графита (ССГ) % относительное удлинение 5 увеличивается от 2 до 15% для ферритного чугуна, ударная вязкость ан увеличивается с 2 до 8%, предел прочности при растягивании ов увеличивается с 210 до 450 МПа, предел текучести g 0,2 увеличивают с 210 до 320 МПА. Эти параметры коррелируют с ССГ %, который, в свою очередь, линейно связана с теплопроводимо-
стью. При значении ССГ больше 70 % в структуре чугуна преобладает графит шарообразной формы. В работе [6] приведены диаграммы, на которых показано влияние формы графита на прочность при растягивании ов, относительном удлинении 5, обьемной усадке уус,, теплопро-водимости X, демпфирующей способности оц и твердости по Бринелем НВ чугунов с вермику-лярным и шаровидным графитом (феррито-перлитная структура матрицы).
2. Для определения степени сфероидизации графита в чугуне разработаны тепловая и математическая модели, на основе которой создан контактный метод неразрушающего контроля [1, 2]. Форма графита в закристаллизованном чугуне определяется с помощью прибора, в котором реализован нагрев исследуемого образца по тепловому режиму первого рода. Схема датчика, который можно отнести к изотермическим калориметрам-интеграторам, представлена на рис. 1. Конструкция датчика в результате многолетних измерений в литейном производстве было выбрана такой, чтобы достичь максимальной чувствительности к изменению формы графита в чугуне. В приборе применяется операция итегрирования площади £ под кривыми 1-3, представляющие зависимость сигнала датчика е(т) в мВ (рис. 2) в интервале времени (т2 - т1):
Т2
£ = | в(т)йт (1)
Т1
К преимуществам прибора относится высокая чувствительность к изменению формы графита в отливках из чугуна.
67
Рис. 1. Конструкция датчика 1 - штуцер вводу воздуха; 2 - электрический разъем; 3 - корпус датчика; 4 - корпус охладителя датчика; 5 - электромагнит; 6 - нагреватель (горячие спаи термопреобразователя); 7 - термостат (холодные спаи термопереобразователя)
Прибор в призводственых условиях проверяли на разных деталях для автомобиля КАМАЗ (ступица переднего и заднего колес, башмак рессоры, картер рулевого управления, блок цилиндров и др.) (табл. 1).
Испытания на конвейерной линий литейного завода КАМАЗ показали высокую надежность работы прибора в условиях цеха.
Сравнение с информацией, которая есть в проспекте фирмы "Витасоник", Великобритания (прибор "Мат-а-чек", табл. 2), показывает следующее. При
100 % содержимом феррита и при степени сфероидизацп графита (ССГ) 95-97 % продольная скорость УЗ равнялась 5600 м/с, для ССГ 20 % - 5150 м/с. Разница скоростей УЗ равна 8%. Коэффициент теплопроводности X, для этих чугунов равняется соответственно 40 и Вт
50-, то есть разница в X составляет 20 %. Полученные данные свидетельствуют (табл. 1),
м ■ К
что разница в скоростях УЗ в чугунах с разной формой графита значительно меньше, чем разница теплопроводимости X этих чугунов. Выбранный метод имеет большую пороговую чувствительность чем ультразвуковой.
и, В
9 -
8 __
7 -6
5 -4 -3 -2 -1 --
>. т, с
1
Т0
3 4 Т1
Рис. 2. Графики сигналов преобразователя при контакте зразными образцами чугуна: 1 - плохой контакт датчика и образца чугуна;
2 - качественный (шаровидный) чугун; 3 - брак (серый чугун)
Метод был применен для создания колективом авторов шкалы с 9 типовыми микроструктурами для определения степени сфероидизации графита (ССГ) в ЧВГ [6] в Физико-технологическом институте металлов и сплавов (ФТИМС) НАН Украины, у которых ССГ находиться в границах от 30 до 70 %.
Одновременно с определением формы графита в отливках определяли по клиновой пробе оттенок макроизлома: светло-стальной - для ЧШГ, матово-черный - для серого чугуна и серовато-матовый со стальной точечными вкраплениями - для ЧВГ, что в соответствии со статистическими данными по шкале ФТИМС отвечает значению от 50-60 % (Гф5, Гф 6) до 70-75% (Гф5, Гф6, Гф9, Гф 11, 12) степени сфероидизации графита (ССГ). Одновременно на этом клину определяют величину отбела чугуна (в мм по толщине клина) которая также характеризует эффект модифицирования при заданном содержании углерода и кремния в чугуне.
5
6
2
Таблица 1
Велична теплопроводности в зависимости от от структуры графита в детали
№ к, Ад 1 ■ Е Твердость, НВ Форма графита Структура графита по ГОСТ 3443-87 [7] Количество графита, % Название детали
1 27 189... 182 ШГф «Норма» Шаровидная неправильной ШГф4 та правильной формы ШГф5, (СКГ = 85%), ШГд 45-90 10.12 Картер механизма рулевого управления
2 37 ШГф+ВГФ «Норма» Вермикулярная ВГф3, щаровидная неправильная ШГф4 и правильная ШГф5 (СКГ=80), ШГд45 10 Ступица переднего колеса
3 44 231 ВГф «Брак» Вермикулярная утолщенная ВГф3- 50 % (СКГ=60%) ШГд25-45Ш правильная ШГф5 и неправильная ШГф4 - 50% 10 Ступица переднего колеса
4 51 153..163 ПГф+ВГф «Брак» Пластинчатая ПГф 1,2 вермикулярная извилистая ВГф 2 и утолщенная ВГф3 (СКГ<50%) Пд90 10.12 Блок цилиндров
5 56 194 ПГф «Брак» Пластинчатая ПГф 1,4, ПГд45 10.12 Ступица переднего колеса из серого чугуна
Вместе с пробой на макроизлом и отбел периодически заливалась в кокиль тонкостенная пластинка для определения химического состава чугуна и заливался большой клин для определения механических свойств.
В табл. 1 приведены значения показаний прибора в зависимости от структуры и формы графита в чугуне. Было проведено исследование структуры серых чугунов, которые характеризуют разброс структуры в разных образцах, вырезанных из цилиндрической отливки.
Таблица 2
Величина продольной скорости ультразвука для чугуна с разною формой графита
№ Степень сфероидизации, % Содержание феррита, % Продольная скорость УЗ, м/с
1 2 3 4
1 100 0 5800
2 100 50 5700
3 100 100 5600
4 80 100 5500
5 50 100 5300
6 20 100 5150
Погрешности метода.
В методе контроля теплопроводимости X модифицированных чугунов: погрешность за счет неплотного прижатия преобразователя к опытному образцу 5i - 2 %; погрешность измерений величины сигнала - 3 %; погрешность измерений амплитуды 5A -5 %; погрешность неравномерной во время поддержания температуры преобразователя 5t -2 %; погрешность измерения за счет боковых потерь теплоты в образце 5/ - 1%. Предельные относительные погрешности в сравнении с известными методами: 4,2 % (4,7 %). Разрешающая способность измерений: 3,4 % (3,6 %). Средние квадратичные погрешности: 3,4 % (3,6 %). Диапазоны измерений увеличились с 30^50 до 25^55 Вт/(м-К).
Заключение
Описан метод и прибор который можно использовать для контроля при изготовлении разных марок чугуна из высокопрочного и вермикулярного чугуна. Прибор может быть использован для создания отраслевых СЗ разных марок серого, высокопрочного чугуна и чугуна с вермикулярним графитом, которые применяются в производстве для конкретной технологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г., Вареник П.А. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом. - Киев: Наук. думка, 1986. - 248 с.
2. Angust H.T. Cast iron. Physical and engeneering properties. - London-Boston: Butterworth's, 1976. - 542 p.
3. Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки : ГОСТ 28394-89. - [Введен в действие 1991-01-01]. М.: Госстандарт СССР, 1989. - 32 с. (Межгосударственный стандарт).
4. Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки : ГОСТ 1412-85. - [Введен в действие 1987-01-01]. М.: Госстандарт СССР, 1985. - 5 с. (Межгосударственный стандарт).
5. Энциклопедия «Машиностроение». Том II-2. «Стали и чугуны» / А.И. Беляков, Н.Н. Александров, ГГ. Мухин - М.: Машиностроение. ISSBN 5-217-02816-515-217-01949-2, 2001. -784 с.
6. Литовка В.И., Ткачук И.В., Шевченко А.И., Куровский В.Я. Эффективная технология получения отливок из чугуна с вермикулярным графитом // Металлы и литье Украины. -1994. № 7. - 88. - С. 32-36.
7. Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры : ГОСТ 3443-87. - [Введен в действие 1988- 08-01]. М.: Госст
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.