Электрогорафический метод прогнозирования прочности серого чугуна

Статьи от автора: Миненко Г. Н.

В процессе получения литой заготовки детали для машиностроения актуальной задачей является наличие прогноза прочностных свойств литейного сплава находящегося ещё в жидком состоянии. Проходящий затем процесс кристаллизации сплава в литейной форме формирует структуру твёрдого сплава, которая задаёт уровень прочности, определяющий марку выплавленного литейного сплава [1, 2].

При заданной температуре металлического расплава литейного сплава значение его электрического сопротивления Ɍ_общ., используя определение Маттиссена [3], определяется суммой отдельных сопротивлений

Ɍ_общ. = Ɍ_о+ Ɍ(Т) + Ɍ_ц.кр.+ Ɍ_пр.,

где Ɍ_о- электросопротивление чистого сплава;

Ɍ(Т) – электросопротивление при заданной температуре;

Ɍ_ц.кр. – электросопротивление центров кристаллизации;

Ɍ_пр.– электросопротивление примесей в сплаве.

Для определения Ɍ_общ.чугуна использовали экспериментальную установку на основе литейной формы для получения стандартных образцов чугуна диаметром 30 мм [3]. Установка состояла из: нижней литейной полуформы; измерительной ячейки, изготовленной из стержневой смеси; стояка литейной формы с чашей; верхней литейной полуформы.

Измерительная ячейка для определения Ɍ_общ.серого чугуна в процессе кристаллизации имела две пары электродов, расположенные вдоль образца чугуна. Одна пара электродов (вольфрамовые электроды диаметром 8 мм) были установлены снаружи второй пары электродов и служила для подвода к полости образца переменного электрического поля от звукового генератора (ЗГ-17). Со второй пары (вольфрамовые электрод диаметром 6 мм марки ВА) снимали измеряемое напряжение, которое передавалось на измерительное устройство. В данном устройстве использовали двойный мост Томпсона, что позволяло измерять величину Ɍ_общ. при переходе образца серого чугуна из жидкого в твёрдое состояние с точностью 0,70 %. С измерительного устройства показания значений Ɍ_общ. в процессе кристаллизации чугуна предавались к приборам для автоматической записи. Для регистрации температуры заливки серого чугуна в литейную форму применяли вольфрам-рениевую термопару типа ВР-5/20.

В качестве литейного сплава использовали серый чугун марок СЧ18 и СЧ20 с величиной углеродного эквивалента от 4,0 до 4,20 %. Чугун выплавляли в индукционной печи ИСТ-016 по технологии получения синтетических чугунов с карбюризатором в виде электродного боя.

В процессе получения данных по Ɍ_общ., их обратные значения давали электропроводность расплава чугуна. Для последующего нахождения величин удельной электропроводности (ȵ) образца серого чугуна были учтены расстояние между измерительными электродами (внутренние электроды ячейки) и величина площади поперечного сечения этих электродов.

Результаты экспериментальных работ показали, что общий ход кривых зависимости ȵ расплава серого чугуна от времени кристаллизации чугуна τ в форме с образцами диаметром 30 мм имеет вид представленный на рис. 1.

Рис 1 Общий вид изменения удельной электропроводности чугуна ȵ за время охлаждения τ образцов серого чугуна

На этой графической зависимости находится участок, связанный с периодом переохлаждения этого литейного сплава. Он имеет начальное значение удельной электропроводности переохлаждённого чугуна ȵ¹_пер. и максимальную величину удельной электропроводности переохлаждённого серого чугуна ȵ²_пер.. (см. рис. 1). Разность этих значений даёт величину удельной электропроводности переохлаждённого сплава

ȵ _пер.= ȵ²_пер..- ȵ¹_пер.

Результаты экспериментов позволили получить функциональную зависимость изменения величин предела прочности Ϭ_В чугуна марок СЧ18 и СЧ20 от значений относительной удельной электропроводности ∆ȵ переохлаждённого сплава. В качестве этого параметра было использовано процентное отношение разности значений ȵ¹ _пер. и ȵ² _пер. к величине ȵ² _пер., т.е.

ȵ² _пер.- ȵ¹ _пер.

∆ȵ = --------------×100%

ȵ² _пер.

Полученная зависимость Ϭ_В= f(∆ȵ) показала рост прочностных свойств серых чугунов при увеличении относительной удельной электропроводности переохлаждённого расплава чугуна (см. рис. 2).

Рис. 2 Зависимость прочности серого чугуна Ϭ_В от относительной удельной электропроводности ∆ȵ сплава

Это можно объяснить тем, что на величину относительной удельной электропроводности чугуна позитивно влияют снижение температуры расплава и образование твёрдой фазы в расплаве при наличии активных центров кристаллизации чугуна.

Процесс кристаллизации серого чугуна непосредственным образом влияет на образование структуры сплава, определяющей его физические свойства [4, 5, 6]. Протекание процесса кристаллизации чугунов происходит за счёт изменения количества центров кристаллизации, определяемого уровнем энергии вовлечения этих центров в образование кристаллов сплава. Величина энергии этого процесса определяется значением переохлаждения расплава чугуна, влияющего на формирование количества и форму графитовых включений и на дисперсность структурных составляющих этих чугунов. Повышении величины переохлаждения расплава, что связано с увеличением ȵ _пер.,приводит к росту количества центров кристаллизации в единице объёма расплава чугуна. Такое повышение числа кристаллов сплава делает структуру чугуна более дисперсной с более высокими прочностными свойствами

Таким образом, полученный на основе разработанной методики электрографический способ позволяет прогнозировать величину прочностных свойств серых чугунов по зависимости Ϭ_В= f(∆ȵ) расплава чугуна. В условиях литейного производства применение электрографического метода даст возможность определять марочность данных литейных сплавов. Кроме этого, появляется возможность своевременного проведения специальных технологических операций по повышению прочностных свойств серого чугуна. Это снизит процент брака чугунных отливок по механическим свойствам, что увеличивает рентабельность производства литой заготовки деталей для машиностроения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. – М.: Машиностроение, 1966, 562 с.
Вертман А.А., Самарин А.М. Свойства расплавов железа. – М.: «Наука», 1969. – 280 с.
Миненко Г.Н. Влияние электрического поля в процессе кристаллизации на прочность серого чугуна. «Литейное производство», 2023, № 1, 8 – 10.
Ершов Г.С., Черняков В.А. Строение и свойства жидких и твёрдых металлов. - М., «Металлургия», 1978, 248 с.
Куманин И.Б. Вопросы теории литейных процессов. Формирование отливок в процессе затвердевания и охлаждения сплава.–М., «Машиностроение», 1976, 216 с.
Шумихин В. С., Кутузов В.П., Храмченков А.И. и др. Высококачественные чугуны для отливок. Под ред. Александрова. – М. Машиностроение, 1982. 222 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Миненко Георгий Николаевич, E-mail: minenko1946@mail.ru