УДК 621.74 Литейное производство. Технология (способы) и оборудование
УДК 669-1 состояние металлов), вследствие чего не подразделяется как 62-1
Представлена методика опытов на экспериментальной установке по определению величин электрического сопротивления в процессе кристаллизации чугуна. Дана схема экспериментальной установки, в которой для определения величины удельного электрического сопротивления кристаллизующегося чугуна использована измерительная схема на основе мостовой схемы метода Уитстона. Фиксирование результатов измерений во времени позволило построить графическую зависимость изменения значений удельного электрического сопротивления в процессе кристаллизации серого чугуна. Приведены экспериментальные данные изменения значений удельной электропроводности образца серого чугуна в процессе кристаллизации и их связи с величиной переохлаждения расплава этого сплава. Полученная зависимость дала возможность выявить на кривой изменения величины удельного электрического сопротивления в процесс охлаждения чугунного образца участки, связанные с переохлаждением расплава чугуна. Соотношение начальных и конечных величин удельного электрического сопротивления периода переохлаждения чугуна позволило вычислить значения относительного удельного электрического сопротивления. Измерения прочностных свойств чугунов показали, что они функционально связаны со значением относительного удельного электрического сопротивления серого чугуна, определяемого величиной переохлаждения расплава чугуна. Использование данного метода позволит прогнозировать прочностные свойства серого чугуна и даст возможность снизить величину брака отливок по механическим свойствам, что повысит рентабельность литейного производства.
технологический процесс, серый чугун, кристаллизация, электрическое сопротивление, величина переохлаждения, относительное электросопротивление, электрографический способ, прочностные свойства чугуна
Технологические процессы получения серого чугуна имеют особенности связанные с тем, что химический состав этих чугунов рекомендуется при нормировании величин их прочности [1]. Прочность серого чугуна определяет марку, поэтому особенную актуальность приобретает решение вопроса контроля прочностных свойств чугуна, находящегося ещё в жидком состоянии.
При заданной температуре металлического расплава литейного сплава значение его электрического сопротивления Ɍ, используя определение [2, 3], можно описать уравнением: R = f (R1 R2 R3), где R1 ‒ электрическое сопротивление примесей в сплаве; R2 ‒ электрическое сопротивления центров кристаллизации; R3 ‒ электрическое сопротивление при заданной температуре.
Для определения величин электросопротивления R расплава чугуна использовали мостовую схему метода Уитстона [4]. Экспериментальная установка позволяла измерять величину R при переходе образца серого чугуна из жидкого в твёрдое состояние с точностью измерения 0,650 %. Данная установка с образцами чугуна диаметром 30 мм (рис. 1)
Установка состоит из: 1 – нижняя литейная полуформа; 2 – измерительная ячейка, выполненная из стержневой смеси; 3 – полость литейной формы для образца чугуна с диаметром 30 мм; 4 – стояк формы с чашей; 5 – полость литейной формы для вторых образцов серого чугуна; 6 – верхняя литейная полуформа. Для подвода к полости образца переменного электрического поля Uпер от звукового генератора (ЗГ-17) 7 использовали вольфрамовые электроды диаметром 8,0 мм. Со второй пары вольфрамовых электродов диаметром
6,0 мм марки ВА измеряемое напряжение Uизм с мостовой схемы 8 передавалось на потенциометр с автоматической записью показаний. Для определения температуры заливки чугуна в литейную форму применяли вольфрам-рениевую термопару 9 типа ВР-5/20.
Постоянную значений измерительной ячейки K потенциальных электродов 8 определяли по отношению расстояния между измерительными электродами Lизм (внутренние электроды ячейки с Uизм) и величины площади продольного сечения электродов S, т. е.
K =
(1)
Значения K при измерениях с помощью использованного датчика величин электрического сопротивления R металлического расплава в испытываемых образцах чугуна были одинаковы.
Величину R рассчитывали по формуле:
R = Rн
, (2)
где Rн – величина нормального сопротивления в мостовой схеме; Rк – значение сопротивления в мостовой схеме в момент компенсации величины Uизм; r – сопротивление постоянного плеча мостовой схемы.
Результаты экспериментов выявили, что во временном интервале от
1 до τ2 (рис. 2) наблюдается период переохлаждения чугуна, который характеризуется величиной
электросопротивления Rпер сплава. Значение Rпер определяется разностью величин R1 и R2 и зависит от степени переохлаждения чугуна, зависящей от уровня энергии необходимой для протекания процесса образования кристаллов твёрдой структуры в металлическом расплаве чугуна [5, 6].
По результатам экспериментов была построена графическая зависимость изменения величин предела прочности σв чугуна от относительного электросопротивления ∆R сплава (рис. 3).
В качестве параметра ∆R было использовано процентное отношение разности значений R1 и R2 к величине R1, т. е.
∆R =
Эта зависимость показала, что значения прочностных свойств серых чугунов повышаются при росте относительной величины сопротивления ∆R. Увеличение ∆R можно объяснить наличием примесей и количеством центров кристаллизации графита и первичного аустенита в жидком сплаве, влияющих на величину электрического сопротивления серого чугуна.
Как известно [6 – 8], процесс кристаллизации серого чугуна непосредственным образом влияет на образование структуры сплава, что определяет его физические свойства. Изменения условий процесса кристаллизации чугунов, определяемые величиной переохлаждения расплава чугуна [9, 10], приводят к изменению значений относительного электросопротивления ∆R, зависящих от количества токоносителей, примесей и состояния твёрдой фазы в кристаллизующимся сплаве. Повышении величины переохлаждения расплава приводит к росту количества центров кристаллизации в единице объёма расплава чугуна, что связано с увеличением ∆R. Такое повышение числа кристаллов сплава делает структуру чугуна более дисперсной с более высокими прочностными свойствами. Это даёт возможность по зависимости σв = f(∆R) определять прочностные свойства серых чугунов, находящихся ещё в жидком состоянии [11, 12].
Заключение
Таким образом, полученный на основе использованной методики, электрографический способ позволяет прогнозировать величину прочностных свойств серых чугунов. В условиях литейного производства возникает возможность по величине ∆R расплава чугуна определять его прочность и при несоответствии прочностных свойств заданным значениям провести специальные технологические операции для устранения этих отклонений. Применение данного способа контроля прочности сплавов позволит также тестировать в условиях конкретного технологического процесса получение литейного сплава заданной марки, что снизит процент брака чугунных отливок по механическим свойствам и увеличит рентабельность производства литой заготовки деталей для машиностроения.
1. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. М.: Машиностроение, 1966. 562 с.
2. Ершов Г.С., Черняков В.А. Строение и свойства жидких и твёрдых металлов. М.: Металлургия, 1978. 248 с.
3. Вертман А.А., Самарин А.М. Свойства расплавов железа // М.: Наука, 1969. 280 с.
4. Физико-химические методы исследования металлургических процессов / Филиппов С.И., Арсентьев П.П., Яковлев В.В., Крашенинников М.Г. М.: Металлургия, 1968. 551 с
5. Куманин И.Б. Вопросы теории литейных процессов. Формирование отливок в процессе затвердевания и охлаждения сплава. М.: Машиностроение, 1976. 216 с.
6. Жидкие металлы и их затвердевание / Сб. статей под ред. Б.Я. Любова. М.: Металлургиздат, 1962. 434 с.
7. Новиков В.Ю. Физические и механические свойства металлов. М.: МИСиС, 1976. 99 с.
8. Вилсон Д.Р. Структура жидких металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1972. 245 с.
9. Регель А.Р., Глазов В.М. Физические свойства электронных расплавов. М.: Наука, 1980. 296 с.
10. Арсентьев П.П., Коледов Л.А. Металлические расплавы и их свойства. М.: Металлургия, 1972. 376 с.
11. Миненко Г.Н. Электрографический метод прогнозирования прочностных свойств литой стали и чугуна // Литьё Украины. 2021. № 3. С. 16-18.
12. Миненко Г.Н. Влияние графитизации на удельную электропроводность серого чугуна // «Металлургия машиностроения». 2022. № 11. С. 10-12.
