Метод прогнозирования прочностных свойств чугуна

Проблема прогнозирования прочностных свойств чугуна, находящегося ещё в жидком состоянии, является актуальной технической задачей, т.к. позволяет контролировать процесс получения заданной марки сплава и резко сократить процент брака отливок по низким механическим свойствам [1, 2, 3]. Одним из вариантов решения этой задачи является использование структурно-чувствительных характеристик сплава (электросопротивление, плотность или кинематическая вязкость). Однако для их применения в условиях реального производства отливок в литейных цехах требуются технически сложные лабораторные установки, для использования которых необходимы специальные условия.

          Для реализации предлагаемого метода, связывающего электрические характеристики сплава с его прочностными свойствами, была применена оригинальная схема датчика прибора контроля прочностных свойств чугуна, изображённая на рисунке 1. 

Рис. 1 Схема датчика прибора контроля прочностных свойств чугуна, размещённого в литейной форме для получения стандартных образцов

 Схема состоит из: 1 – нижней литейной полуформы; 2 – вставки из стержневой смеси с электродами; 4 – образца контактирующего с электродами; 5 – образца для испытания на прочность серого чугуна; 6 -  верхней литейной полуформы. Вставка с электродами из стержневой смеси 2 имеет две пары электродов и образует измерительную ячейку, к которой подведено переменное напряжение U_пот., создающее потенциал в межэлектродном пространстве. С другой пары электродов снимается измеряемое напряжение u_изм. (см. рис. 1), подаваемое на мостовую измерительную схему прибора контроля.

Расплав серого чугуна заливается в чашу стояка формы 4 и он заполняет полости образующие образцы литейной формы 3 и 5. Одновременно с заливкой формы подключает к электродам измерительная схема прибора и после проведения эксперимента образцы чугуна передаются на испытание механических свойств с помощью специального оборудования.

Постоянную значения измерительной ячейки K потенциальных электродов определяли по отношению расстояния между измерительными электродами L_изм. и величины площади электродов S, т.е.

                                                         L_изм.

                                                  K = ------- .          

                                                           S

Значения K при измерениях с помощью использованного датчика удельной проводности расплавов испытываемых железоуглеродистых сплавов были одинаковы. При этом удельная проводность ȵ определялась по формуле

                                                        L_изм.         1

                                                 ȵ = ------ = K ---- ,

                                                        SR           R

где R – величина электрического сопротивления металлического расплава.

Величину R измеряли с помощью мостовой схемы и она рассчитывалась согласно формулы

                                                              R_к

                                                 R = R_н  ----- ,

                                                              r

где R_н – величина нормального сопротивления в мостовой схеме;

R_к – величина сопротивления в мостовой схеме в момент компенсации u_изм. (см. рис. 1);

 R – электросопротивление постоянного плеча мостовой схемы.

Результаты экспериментальных работ показали, что общий вид хода кривых зависимости удельной электропроводности ȵ (обратная величина удельного сопротивления) расплава серого чугуна изменяется во времени τ (см. рис. 2). Из данной кривой следует, что на начальном периоде с τ = 0 и до точки перегиба кривой τ_н (период 1 рис. 2) происходит прогрева измерительных электродов ячейки.

Рис. 2 Общий вид хода кривых зависимости удельной электропроводности ȵ расплава серого чугуна во времени τ

Во временном интервале от τ_н до τ_к (период 2 на рис. 2), по нашему мнению, величина удельной электропроводности чугуна зависит от условий протекания процесса кристаллизации сплава. Расположение точки перегиба ȵ_к на нелинейной зависимости ȵ = f (τ), обусловлено наличием в металлическом расплаве устойчивых центров кристаллизации, определяющих структуру чугуна. Переход чугуна из жидкого состояние в жидко-твёрдое изменяет и показатель удельной электропроводности сплава. 

          По результатам экспериментов также были построены графические зависимости изменения относительной удельной электропроводности ∆ȵ и величин предела прочности Ϭ_В чугуна марок СЧ18 и СЧ20. В качестве параметра ∆ȵ было использовано процентное отношение разности значений ȵ_к и ȵ_н к величине ȵ_н (см. рис. 2). Для определения корреляционной зависимости изменения Ϭ_В испытываемых марок СЧ от величины относительной удельной проводимости ∆ȵ были рассчитаны эмпирические коэффициенты корреляции Z [4]. Проверка значимости коэффициента Z₁ для СЧ20 была произведено сравнением произведения Н₁ (абсолютных величин Z₁ на с его критическим значением при надёжности вывода Р, т.е. Н₁ = /Z₁/ , где  - опытных данных в эксперименте с СЧ20. Величина Н₁ для СЧ20 составила 5,062, которая превосходила критическое значение Н = 3,145 при надёжности вывода Р = 0.999. Проверка значимости коэффициента Z₂ для СЧ18 было произведено сравнением произведения Н₂ = /Z₂/ , где  - опытных данных в эксперименте с СЧ18, с его критическим значением при надёжности вывода Р. Величина Н₂ для СЧ18 была равна 4,328, которая превзошла критическое значение Н = 3,145 при надёжности вывода Р = 0.999. На рисунке 3. изображены эмпирические прямые регрессии корреляционной зависимости Ϭ_В от ∆ȵ для данных чугунов (прямая 1 - СЧ20 и прямая 2 - СЧ18).

Рис. 3 Эмпирические прямые регрессии корреляционной зависимости Ϭ_В от ∆ȵ для чугунов марок СЧ20 (прямая 1) и СЧ18 (прямая 2)

Эти зависимости можно описать уравнениями прямых: для чугуна марки СЧ20 - Ϭ_В = a₁ ∆ȵ, где a₁= tg L₁ и для чугуна марки СЧ18 - Ϭ_В = a₂ ∆ȵ, где a₂= tg L₂ (см. рис. 3). Ход этих прямых зависимостей подтвердил наличие связи значений ∆ȵ расплава чугуна с Ϭ_В чугуна для марок СЧ18 и СЧ20.

Таким образом, вид хода кривой зависимости удельной электропроводности расплава серого чугуна во времени τ (см. рис. 2) зафиксировал изменение значений ȵ серого чугуна. Наличие этой зависимости можно объяснить влиянием на ȵ расплава протекающего процесса кристаллизации чугуна залитого в литейной форме для получения стандартных образцов.

Эмпирические прямые регрессии корреляционной зависимости Ϭ_В от ∆ȵ для данных чугунов (см. рис. 3) указали на прямо пропорциональное изменение величины прочности чугунов Ϭ_В от значений относительной удельной электропроводности ∆ȵ расплавов серого чугуна. Зависимость величины Ϭ_В от ∆ȵ для данных чугунов делает возможным прогнозирование прочностных свойств чугунов с применением специальной методики измерений и с использованием оригинальной конструкции схемы датчика прибора контроля прочностных свойств чугунов марок СЧ18 и СЧ20.

Применение прибора контроля прочностных свойств серых чугунов обеспечит получение заданной марки при выплавке этих сплавов. Это даст возможность снизить процент брака отливок по механическим свойствам и повысит рентабельность выпуска литых заготовок деталей для машиностроения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пивоварский Е. Высококачественный чугун / В 2-х томах, пер. с немецк. – М.: Металлургия, 1965. 1184 с.
2. Ершов Г.С., Черняков В.А. Строение и свойства жидких и твёрдых металлов. – М.: Металлургия, 1978. 248 с.
3. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. – М.: Машиностроение, 1966, 562 с.
4. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. – М.: Наука, 1971. 192 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Миненко Георгий Николаевич, кандидат технических наук, доцент, руководитель Ресурсного центра отраслевого машиностроения министерства образования Московской области;

140002 Московская область, г. Люберцы, Октябрьский пр., 114.

моб. тел.: +7(909) 634-95-97.

E-mail: minen29ko2009@ya.ru

Литье Украины, 2021, №2, с.20-22