CC BY
8Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #6(34), 2018 51
16. Ермаков В.Ф., Балыкин Е.С., Еволенко Н.А. и др. Опытное определение постоянной времени нагрева электрооборудования // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2012. - № 1. - С.
66 - 68.
17. Красник В.В. Автоматические устройства для компенсации реактивной мощности в электросетях предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1987. -328 с.
18. ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91) Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов. -Минск: Межгосуд. Совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1997. - 80 с.
Moiseev Ju.V
Doctor of technical sciences, leading researcher, Physical-technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine, Kyiv
Tverdokhvalov V.A. Research associate,
Physical-technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine, Kyiv
Моисеев Ю.В.
доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, г. Киев
Твердохвалов В.А. научный сотрудник,
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, г. Киев
NONDESTRUCTIVE CONTROL OF GRAPHITE SHAPE IN CAST IRONS НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ФОРМЫ ГРАФИТА В ЧУГУНАХ
Summary
The informations about the advantages and disadvantages of widely used acoustic methods for controlling shape of graphite in the cast irons and the possibility for use with this purpose magnetic method of point pole magnetization of controlled castings are adduced in this article.
Key words: graphite, cast iron, modification, nondestructive testing.
Аннотация
В статье приведены сведения о преимуществах и недостатках широко используемых акустических методов контроля формы графита в чугунах и о возможном использовании для этих целей магнитного метода точечного полюсного намагничивания контролируемых отливок.
Ключевые слова: графит, чугун, модифицирование, неразрушающий контроль.
Глобулярная форма графита в чугуне является наглядным и очевидным признаком эффективного изменения его структуры после специальной обработки жидкого металла модифицирующими добавками, способствующими повышению прочностных и улучшению ряда эксплуатационных свойств такого широко используемого в машиностроении конструкционного материала как чугун.
Металлографическая оценка степени сферои-дизации графита в чугуне не представляет сложности, но достаточно трудоемка и ограничивает оперативность управления технологическим процессом получения годных чугунных отливок.
Модифицирование чугуна приводит к существенному изменению его физических свойств, из которых для неразрушающего контроля наибольший интерес представляют акустические и магнитные свойства.
Многочисленными исследованиями [1, 2] установлено, что для оценки формы графита в чу-гунах наиболее предпочтительным является измерение скорости распространения ультразвуковых колебаний. Приведенный на рисунке 1 график [3] показывает зависимость скорости ультразвуковых колебаний в чугуне от степени сфероидизации графита в нем. Эту зависимость чаще всего практически используют для контроля формы графита в чу-гунах. Металлическая основа и соотношение структурных составляющих в ней также влияют на скорость распространения ультразвука, однако, это влияние намного меньше, чем влияние формы графита [4]. Можно было ожидать, что достаточно чувствительным к форме графита будет коэффициент затухания колебаний, однако погрешность измерений этого параметра достаточно велика (-10,0 % по сравнению с 1,0 % для скорости ультразвука).
52
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientiflc Joumal) #6(34), 2018
Рис. 1 - Влияние степени сфероидизации графита в чугуне на скорость распространения ультразвука
В технике акустического контроля находят также применение резонансные акустические методы двух типов:
- нахождение резонансных частот путем плавного изменения частоты возбуждающего колебания генератора;
- путем анализа спектра собственных частот свободных колебаний контролируемого изделия, возбуждаемых ударным механическим воздействием.
В последнем случае частота собственных колебаний "ш" зависит от формы изделия и его физических свойств:
ш = Р(а,у.)^Е/р (1)
где ц. - коэффициент Пуассона,
" (2)
\1 = — - 1
^ 2С
Е - модуль упругости при растяжении, С - модуль упругости при сдвиге, р - плотность материала. Преимуществом резонансного метода собственных колебаний является независимость частоты свободных колебаний от начальных условий их возбуждения, в частности, от энергии импульса, возбуждающего колебания. Последний влияет на
амплитуду колебаний и их начальную фазу. Величина ^Е/р соответствует скорости распространения упругих колебаний в изделии, поэтому структурные факторы, способствующие увеличению скорости звука, будут сдвигать весь частотный спектр в область высоких частот. Следует отметить, что изменение структуры металлической основы в большей мере влияет на коэффициент затухания колебаний, чем на скорость звука, поэтому наиболее эффективна комплексная акустическая оценка структуры и формы графита в чугуне по двум показателям: частоте собственных колебаний и длительности их затухания. На рисунке 2 приведен спектр частот собственных колебаний отливки «ступица заднего колеса» автомобиля «КАМАЗ» (а) из чугуна с пластинчатым (б) и шаровидным (в) графитом. Спектры записаны с помощью специально разработанного широкополосного анализатора, а их характеристики внесены в память прибора, регистрирующего частотные отклонения от спектра контрольной годной отливки. Размеры анализатора не превышают 40*50*150 мм, а длительность контроля составляет 3 с.
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 кГц
Рис. 2 - Акустический контроль ступицы заднего колеса автомобиля «КАМАЗ». а - отливка, б - спектр для отливки из серого чугуна, в - спектр для отливки из высокопрочного чугуна
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #6(34), 2018
53
Другим примером акустического контроля по методу свободных колебаний является контроль отливки «шапка изолятора» из высокопрочного чугуна с помощью разработанного в ФТИМС НАН Украины (г. Киев) акустического дефектоскопа «Спектр-1». Особенностью акустического контроля этих отливок является возможность выявления трещин в «юбке» изолятора по дополнительным элементам спектра частот.
Акустический контроль по методу свободных колебаний, при кажущейся простоте, имеет ряд особенностей, связанных с выбором места закрепления отливки и необходимостью предварительного анализа спектра частот. В ряде случаев, для отливок простой геометрической формы, спектр свободных колебаний мало информативен и быстро исчезает. В этом случае необходимы другие методы контроля.
Известно большое количество работ, посвященных исследованию магнитных свойств чугунов и разработке методов контроля их структуры и физико-механических свойств с помощью этих методов [5]. Исследования выполнены в основном в рамках магнитной коэрцитиметрии, поскольку, коэрцитивная сила является характеристикой материала, а прочие магнитные свойства, исследуемые в разомкнутой магнитной цепи, зависят от формы
контролируемого образца. Установлено, что коэрцитивная сила уменьшается при изменении формы графита в чугунах от пластинчатой к глобулярной, что свидетельствует об уменьшении внутреннего размагничивающего фактора, обусловленного большим количеством включений немагнитной природы (графит) и существенным влиянием на этот фактор степени сфероидизации графита.
Коэрцитиметрия достаточно сложна и трудоемка в своем практическом применении, но она может быть успешно заменена измерением остаточной локальной намагниченности, которая при контактном полюсном намагничивании прямо пропорциональна коэрцитивной силе. Эту пропорциональность обеспечивает большой размагничивающий фактор при полюсном намагничивании локальной зоны поверхности детали постоянным магнитом или токовой импульсной катушкой. Намагничивающее поле должно в несколько раз превышать магнитное поле, соответствующее величине коэрцитивной силы материала.
На рисунке 3 приведена графическая зависимость остаточной полюсной намагниченности от твердости и формы графита в чугунах постоянного химического состава, но в различном структурном состоянии.
Рис. 3 - Зависимость остаточной намагниченности от твердости для чугунов с пластинчатой (1), вермикулярной (2) и шаровидной (3; СГГ 90 %) формой графита. Чугун содержит 3,05 %С; 2,36 %Si;
0,37 %Mn; 0,23 %Cr
Как следует из этого рисунка, трансформация пластинчатой формы графита в вермикулярную и шаровидную связана с уменьшением показателя остаточной намагниченности во всем диапазоне структурных состояний, сохраняющих графит как структурную составляющую. Этот факт может быть использован для неразрушающего экспресс-контроля формы графита в чугунах.
Литература 1. Алешин Н.П. Методы акустического контроля металлов / Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопил-кин А.Х., Вощаков А.К., Ермолов, Гурвий А.К. -М., Машиностроение, 1989, 456 с.
2. Крауткрамер И. Ультразвуковой контроль материалов (справочник) / Крауткрамер И., Крауткрамер Г. - М., Металлургия, 1991, 750 с.
3. Markow Z. Using ultrasonic testing as a foundry tool / Markow Z. // Foundry, 1967, 95, №6, p. 74-79.
4. Экспресс-информация, ТОЛП, №33, 1980, с. 5-29.
5. Горкунов Э.С. Магнитные свойства и методы контроля структуры и прочностных характеристик чугунных изделий (обзор) / Горкунов Э.С., Сомова В.М., Ничипурук А.П. // Дефектоскопия. 1994. №10. С. 54—82.
