Чугунное литье в станкостроении

Клецкин Г.И.

Машиностроение , 1975 г.

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ЧУГУНА

Все методы контроля условно можно разделить на три группы:

1. Определение свойств или показателей, характеризующих чугун, которые можно использовать для корректировки процесса плавки (экспрессное определение химического состава, склонности к отбеливанию, температуры, жидкотекучести и т. п.).

2. Определение структуры и механических свойств чугуна в нормализованных образцах (определение механических свойств чугуна в отдельно отливаемых стандартных образцах диаметром 30 мм, в приливных образцах различного сечения и т. д.).

3. Определение структуры и свойств чугуна в отливке (твердость на направляющих корпусных отливок, микроструктура на плоскостях трения, подвергающихся износу).

Ниже приведены данные о некоторых методах контроля, эффективность которых доказана практикой передовых заводов.

Химический состав. Контроль химического состава чугуна осуществляется заводской лабораторией в двух направлениях:

а) экспресс-контроль чугуна по ходу плавки;

б) контроль для оформления сертификатов на готовую продукцию, арбитражный и для выявления причин брака.

В некоторых случаях лабораторию для экспресс-контроля выделяют в самостоятельное отделение, расположенное вблизи литейного цеха.

Имеются и другие решения. Например, на заводе «Станколит» цилиндрические образцы диаметром 6 и длиной 30 мм, залитые в металлическую пробу и имеющие структуру белого чугуна, направляют пневмопочтой в центральную химическую лабораторию, распложенную на расстоянии 120 м, где производят анализ на содержание четырех элементов: С (сжиганием), Si, Μn, Cr

(спектральным методом). Ответ из химической лаборатории обратной пневмопочтой мастер получает через 20 мин после отправления образца.

В настоящее время созданы приборы спектрального анализа, обеспечивающие быстрое определение основных элементов.

Ряд литейных цехов массового производства имеет квантометры зарубежных фирм. Отечественные многоканальные вакуумные фотоэлектрические спектральные приборы типа ДФС-31 позволяют в течение 2—3 мин определить содержание в чугунном образце углерода, кремния, марганца, фосфора, серы, хрома никеля и других элементов.

В последнее время применяют анализатор АН-29, который предназначен для определения содержания углерода в стали и чугуне и рассчитан на непрерывную круглосуточную эксплуатацию. Производительность его позволяет делать до 1000 анализов в сутки.

Навеска чугуна сжигается в трубчатой печи  (рис. 55) в потоке кислорода. Образующийся при сгорании углерода углекислый газ поглощается раствором 3, находящимся в электролитической ячейке 2, что изменяет э. д. с. индикаторной электродной системы рН-метра 6. При этом включается источник 8 генераторного тока, который протекает через датчики — катод 9 и анод 10. На катоде 9, погруженном в раствор 3, выделяется щелочь, нейтрализующая образовавшуюся при поглощении углекислого газа кислоту. Количество электричества, потребовавшегося для нейтрализации, однозначно связано с количеством поглощенного углекислого газа; оно фиксируется интегратором 13 тока, на выходе которого включены неоновые цифровые индикаторные лампы

Работа этого прибора на заводе «Станколит» показала, что в течение 1 мин - производится анализ углерода, точность которого выше, чем при обычном методе.

Большой интерес представляет термографический метод определения содержания углерода и кремния в чугуне по изменению температуры начала кристаллизации или температурного интервала кристаллизации чугуна. Метод основан на том, что температура ликвидуса t_nи интервал кристаллизации Δ/ чугуна зависят от углеродного эквивалента С_э. Эти параметры определяют при охлаждении образца массой 1 кг в форме  (рис. 56) из стержневой смеси с помощью платино-платинородиевой термопары 2 с термоэлектродами диаметром 0,5 мм, спай которых находится в центре образца. Термопара защищена кварцевым наконечником диаметром 3 мм.

Измерение температуры жидкого чугуна.

Все известные методы измерения температуры жидкого чугуна можно разделить на две группы: а) бесконтактное измерение оптическими, радиационными и фотоэлектрическими пирометрами; б) контактное измерение термопарами погружения с различной термоэлектродной проволокой.

Основными недостатками наиболее распространенного метода измерения температур оптическими пирометрами является зависимость показаний от квалификации оператора. Кроме того, влияние факторов, искажающих показания, делает этот метод оценки температуры весьма приближенным. Радиационные и фотоэлектрические пирометры пока не нашли широкого распространения при плавке чугуна. Наиболее точную оценку температуры чугуна обеспечивают контактные методы с использованием термопар погружения.

Разработанный и внедренный в производство контактный метод  позволяет обеспечить непрерывное автоматическое измерение температуры жидкого чугуна и ее регистрацию.

Исследования термопар с термоэлектродами Pt—PtRh, МР20/50, ЦНИИЧМ-1, Вр5/20 показали, что при непрерывной их работе более 5—10 ч резко снижается точность измерений, термоэлектроды становятся хрупкими и термопара выходит из строя. Хорошие результаты получены при использовании вольфрамо-рениевых термоэлектродов BP10/20. Погрешность при непрерывном измерении температуры чугуна термоэлектродами BP10/20 в течение 20 ч не превышает ± 10° С.

Схема установки термопары BP10/20 в футеровке приведена на рис. 60, где термоэлектрод 1 диаметом 0,34 мм защищен сино-ксалевой соломкой 2 с корундовым колпачком 3 диаметром 5 мм и корундовым колпачком 4 диаметром 10 мм, вставленным в стальную трубку 6, которая находится в футеровке 5.

Выступающий из футеровки конец термопары находится в ванне чугуна, скапливающегося в копильнике, или в струе чугуна на переходном желобе из вагранки в копильник.

Импульс от термопары перелается на потенциометр, на котором стрелка показывает текущую температуру в данный момент, а запись на диаграмме фиксирует температуру чугуна в течение всей плавочной кампании.

Микроструктура чугуна в отливке.

Существующая на большинстве машиностроительных заводов методика контроля микроструктуры чугуна в стандартном отдельно залитом образце диаметром 30 мм, а также в образце из отливки, вырезанном из случайного места или из приливной пробы, не могут дать полное представление о структуре в рабочей части отливки.

Наиболее достоверным методом является определение микроструктуры непосредственно в чугуне отливки. Изготовление шлифа на отливке и изучение его специальным переносным микроскопом весьма трудоемко и не обеспечивает надлежащей точности. Надежным методом определения структуры чугуна является высверливание проб для шлифов из рабочих мест отливки на заданной глубине при помощи трипковой фрезы или сверла (рис. 61). В этом случае может быть изучена структура чугуна непосредственно рабочей поверхности.

Практически, для оценки микроструктуры поверхности отливки, подвергающейся износу, высверливают пробу высотой, приближающейся к припуску на обработку.

В соответствии с ГОСТ 3443—57 за величину графитовых включений принимают среднюю длину из трех наиболее крупных включений графита, видимых под микроскопом при увеличении в 100 раз.

Вышеуказанный метод в ряде случаев не обеспечивает требуемую точность в связи с неравномерным распределением включений графита. Для установления влияния числа измерений на точность определения были исследованы образцы с включениями графита длиной Гд7—Гд8, характерной для массивных направляющих станочных отливок [125].

Была определена зависимость между числом измерений длины графитовых включений и ошибкой среднего значения по результатам nизмерений:

С учетом требуемой точности по этим данным можно выбрать необходимое число измерений длины включений графита.

Жидкотекучесть.

От жидкотекучести чугуна в решающей степени зависит качество отливки. Для определения жидкотекучести применяют различные пробы, которые, однако, часто дают несопоставимые результаты. Наиболее распространенной пробой на жидкотекучесть является спираль, для которой предложены различные методы заполнения металлом. Один из таких вариантов, предложенный на заводе «Станколит», был испытан при проведении исследований и повседневного контроля. Он показал высокую степень воспроизводимости результатов.

Особенностью представленной на рис. 62 оболочковой формы является заливочная чаша 3 емкостью 600 см³, отверстие в которой закрывается предварительно прогретой до 600—800° С графитовой пробкой 4. Сначала металл после подъема пробки сливается в зумпф объемом 250 см³, а затем плавно заполняет спираль.