CC BY
9
Zagidullin Ramil Ravilevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Sabitov Linar Salikhzanovich, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kazan, Kazan Federal University, Kazan State Power Engineering University,
Ivanov Alexander Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tver, Tver State Agricultural Academy
УДК 669.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-471-477
ОСОБЕННОСТИ АЛГОРИТМА ЭКСПЕРТИЗЫ СПЛАВОВ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ
Г.Г. Бурый
В статье детально рассматривается алгоритм определения марок сплавов деталей автомобилей. Описаны особенности подготовки микрошлифов из сплавов на основе различных металлов. Приведены особенности операций шлифования и полирования микрошлифов из сплавов на основе различных металлов. Описаны химические составы реактивов и их влияние на четкость выявления структуры сплавов. Показано влияние легирующих элементов в сплавах на основе цветных металлов на значение их твердости. Описан алгоритм определения процентного содержания основного легирующего элемента в сплаве исходя из его строения под микроскопом с применением диаграмм состояния сплавов.
Ключевые слова: алгоритм, экспертиза, микрошлиф, деталь, шлифование, полирование, травление, структура, сплавы.
На сегодняшний день металлография как раздел металловедения очень важна при экспертизе деталей и других изделий из металлов. Задача металлографии состоит в лабораторном определении химического состава сплава. Неправильно подобранный сплав для детали приводит к сокращению ее срока службы. Некоторые производители комплектующих для автомобилей, станков и других агрегатов экономят на материалах. С виду хорошая обработанная деталь на деле может прослужить очень короткий срок. Помимо подобных проблем металлография решает более сложные вопросы. Поломка детали или изделия может приводить к порче другого имущества, к серьезным травмам и другим проблемам. Срок службы деталей и комплектующих напрямую зависит от выбранного для ее производства материала. Задача эксперта состоит в доказательстве непригодности того или иного материала для производства конкретного изделия. Металлографические исследования обычно проводят с применением микроскопов в отраженном свете. На исследуемую поверхность направляется световой поток, как следствие неровные участки поверхности видны в окуляр как темные области. Также важно рассмотреть исследуемую поверхность под различным увеличением так как некоторые структуры видны только при определенном увеличении.
Процесс определения химического состава и свойств сплава, включает в себя несколько этапов. Первый этап это вырез микрошлифа. Изначально от исследуемого изделия отрезается часть, которую называют микрошлифом. Желательно чтобы микрошлиф был вырезан в виде фигуры правильной формы. Это понадобится для легкого определения его объема. После последующего взвешивания микрошлифа несложно определить приблизительную плотность сплава. Этот этап крайне важен, потому что подготовка исследуемой поверхности для разных сплавов имеет свои отличия. Вырезка микрошлифа осуществляется в произвольном месте изделия. Также предварительно рекомендуется произвести замер твердости сплава, для исключения ошибки при определении основы сплава. Начинать замер стоит по методу Роквелла способ С. Если полученное значение твердости высокое не соответствует большому размеру отпечатка, следовательно металл более мягкий, в этом случае твердость замеряют по методу Роквелла способ А. В этом случае можно с уверенностью утверждать что образец не из чугуна или закаленной стали. При адекватном значении твердости по методу Роквелла способ А материал может являться отожженной сталью а также могут подходить определенные виды цветных сплавов. Однако стоит отметить, что сплавы отличаются по цвету излома. Например, у сплавов на основе железа излом имеет темно-серый оттенок, у сплавов на основе алюминия светло-серый, а у сплавов на основе меди изменяется от зеленоватого до коричневого. Если в случае замера твердости способом А, также получается неадекватное значение твердости, в этом случае замер проводят по методу Роквелла способ В для сплавов цветных металлов.
Вторым этапом определяют исследуемую поверхность микрошлифа. Очень важно правильно определить исследуемую поверхность микрошлифа, так как строение сплава определяется по зернам и кристаллам. В микрошлифе литого изделия исследуемая поверхность может быть произвольной. Что касается изделий, предварительно подвергнутых обработке давлением, то в этом случае исследуемая поверхность микрошлифа должна быть параллельна силе деформирующей изделие. Так как зерна и кристаллы при сдавливании вытягиваются в волокна, исследуемая поверхность должна проходить перпендикулярно направлению волокон. [1,2]
Третий этап это шлифование исследуемой поверхности. Шлифование исследуемой поверхности заключается в ее выравнивании. Выравнивание поверхности осуществляется абразивной обработкой начиная с черновой заканчивая чистовой. Начальная зернистость абразива подбирается исходя из дефектов на исследуемой поверхности. Такими дефектами могут быть поры, трещины, царапины, коррозия и т.д. После удаления крупных дефектов, что выражается в однотонном оттенке поверхности, зернистость абразива поэтапно снижают. Слишком быстрый переход на абразив более мелкой зернистости влечет за собой увеличение продолжительности процесса. Более длительное шлифование абразивом большей зернистости также приводит к увеличению длительности процесса металлографии, так как остаются крупные царапины. Важно промывать поверхность перед последующей обработкой абразивом более мелкой зернистости, так как крупные частицы металла, оставшиеся от предыдущей обработки, могут царапать поверхность. Процесс шлифования можно считать достаточным, если на поверхности остаются царапины, заметные только при очень близком рассмотрении на расстоянии 5-10см от глаз. Шлифование поверхности шлифовальной машинкой стоит проводить очень осторожно. Шлифование не стоит проводить с большими частотами вращения, так как поверхность будет нагреваться как следствие возможно образование окалины. Давление на микрошлиф при шлифовании также не должно быть слишком большим. [3,4]
Четвертый этап это полирование исследуемой поверхности. Цель данной операции получить максимально ровную поверхность. Визуально это выражается в ее доведении до зеркального состояния. Следует отметить, что полирование не стоит начинать при наличии на поверхности крупных дефектов изначально их следует удалить или уменьшить операцией шлифования. Полирование осуществляется преимущественно кругами из войлока и хлопчатобумажной ткани с нанесенными на них полировальными пастами. Самой распространенной и доступной пастой является паста ГОИ. Основой данной пасты является трехвалентный оксид хрома, представляющий собой зеленый порошок разной зернистости. Также в состав добавляют стеарин, жир, силикагель, керосин. Для грубого полирования используют пасты ГОИ с номерами 3 и 4, для финишного полирования пасты под номерами 1 и 2. Изначально полирование осуществляют войлочными кругами с нанесенными на них пастами. Распространены войлочные круги на липучке фиксирующиеся на шлифовальной машинке. Перед переходом на более тонкое полирование обязательно нужно промывать поверхность, так как крупные частицы могут ее царапать. Следует отметить, что полирование войлочными кругами стоит проводить с предварительным нанесением на поверхность пасты капли моторного масла. Категорически запрещается наносить пасту на исследуемую поверхность. Черновое полирование можно считать завершенным, если при осмотре поверхности в микроскоп она имеет светлый оттенок, однако могут присутствовать тонкие очертания царапин и других дефектов. Визуально при осмотре поверхности после чернового полирования в ней фиксируется слабое отражение. После чернового полирования поверхность нужно обезжирить и тщательно промыть водой и высушить. Финишное полирование разных сплавов осуществляется по-разному. Например, для финишного полирования сплавов на основе железа целесообразно применять водный раствор порошка оксида алюминия (кремнезема). Соотношение Al2Оз на 1 литр воды составляет 5 граммов. Водный раствор наносится на мягкую плотную ткань из шерсти такую как фетр. Для финишного полирования вручную достаточно 10-15 минут, при использовании шлифовальной машинки с фетровой насадкой время полирования можно уменьшить до нескольких минут. При полировании стоит регулярно наносить раствор на фетр для достижения более быстрого эффекта. Финишное полирование сплавов цветных металлов проводится по-другому. В виду меньшей твердости цветных сплавов давление на поверхность при полировании должно быть минимальным. Для этого используют круги из хлопчатобумажной ткани. Часто такие круги подразделяются на более жесткие для начала финишного полирования заканчивая более мягкими для завершения. Финишное полирование цветных сплавов не стоит проводить с предварительным нанесением на пасту моторного масла. Не рекомендуется проводить финишное полирование с частотой вращения круга более 3000 об/мин. [5,6]
Пятый этап это травление исследуемой поверхности с ее последующей промывкой. В процессе травления в реакцию с химическим реактивом вступают неметаллические соединения на исследуемой поверхности. Таким образом, в местах расположения неметаллических включений на поверхности остаются пустоты, которые под микроскопом видны как темные области. По форме и размерам протравленных включений можно определить не только вид сплава, но и его химический состав. Перед травлением важно чтобы на исследуемой поверхности отсутствовали дефекты, иначе они могут исказить картину строения сплава. Для травления используется множество химических реактивов, у каждого есть свои достоинства и недостатки. Из недостатков некоторых реактивов можно выделить необходимость дово-
дить реактив до кипения, отсутствие равномерности травления, токсичность. Многие химические реактивы токсичны, поэтому травление необходимо проводить под вентиляцией духового шкафа. Также при травлении требуется спецодежда, а именно халат, защитные очки, резиновые перчатки. Травление углеродистых и низколегированных сплавов на основе железа обычно осуществляется 5-10% раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Продукты травления сплавов на основе железа в дальнейшем промываются спиртом, микрошлиф промывается под водой и высушивается. [7,8,9]
Промывка продуктов травления обычно осуществляется ватным тампоном. Концентрация кислоты в растворе влияет на скорость травления. Для травления высоколегированных сталей обычно используется раствор азотной и соляной кислоты в этиловом спирте. Соотношение может отличаться, распространена пропорция 10% азотной кислоты, 30% соляной кислоты и 60% этилового спирта. Для четкости травления хромистых и хромоникелевых сталей может быть добавлен CuCl2, для равномерности травления добавляется AlCl3. Часто в состав реактивов вместо азотной кислоты добавляют FeCl3. Для протравливания на стали азотированных и силицированных слоев на сталях в состав реактива добавляют пикриновую кислоту. Травление сплавов на основе алюминия осуществляется водным раствором едкого натра, в соотношении 5 гр. едкого натра на 100мл воды. Также для травления алюминиевых сплавов часто используются растворы плавиковой кислоты HF в этиловом спирте. Продукты травления алюминиевых сплавов промываются концентрированной азотной кислотой. После травления микрошлиф алюминиевого сплава промывается водой и высушивается. Травление сплавов на основе меди обычно осуществляется реактивом в составе которого присутствует 5 гр. FeCl3, 30мл HCl, 100мл воды или этилового спирта. Визуально протравлена поверхность микрошлифа или нет можно судить по его оттенку, если до травления поверхность имеет зеркальное отражение, после травления она становится матовой. [10]
Рассмотрим примеры деталей и их строение после травления, а также способы определения приближенного химического состава и марки сплава. На рис. 1а, представлен зубчатый шкив коленчатого вала, на рис. 1б представлена структура этой детали после травления. Измерение плотности и предварительный макроанализ показал, что материал детали на основе железа. Замер твердости сердцевины детали показал значение HRC32, таким образом можно сделать вывод о том, что деталь из стали, так как чугун более твердый материал. Было проведено исследование внутреннего излома сердцевины детали отполирована и протравлена поверхность показанная на рис. 1б. Данная структура соответствует структуре доэвтектоидной стали, где черные зерна это перлит с содержанием углерода 0,8% а белые зерна феррит с содержанием углерода менее 0,02% рис. 1в. Значение углерода в стали определим по соотношению зерен перлита и феррита, которое составляет приблизительно 1 к 5 соответственно. Таким образом приблизительное значение углерода в стали составляет 0,18%, что соответствует марке стали 18ХГТ.
ЧИР
а б
в
Рис. 1. Экспертиза зубчатого шкива коленчатого вала: а - зубчатый шкив; б - структура зубчатого шкива; в - диаграмма состояния сплавов железо-цементит
На рис. 2а представлена направляющая втулка клапана, на рис. 2б ее структура после травления под микроскопом. Предварительно измерив плотность детали, а также проанализировав цвет излома был сделан вывод о том, деталь из сплава на основе меди. Замер твердости по методу Роквелла способ В и перевод в твердость по Бринеллю показал среднее значение 100НВ. Данное значение твердости недостаточно для латуней, так как введение в них цинка увеличивает твердость сплавов. Минимальная твердость латуней начинается приблизительно с 120НВ. Таким образом, можно сделать вывод о том, что втулка из бронзы.
Следует отметить, что оловянные бронзы имеют меньшую твердость приблизительно до 80НВ, свинцовые бронзы имеют самую низкую твердость в 40-50НВ, наиболее близкими по значению твердости являются алюминиевые бронзы с добавлением железа. Протравленная торцевая поверхность втулки показанная на рис. 2б подтверждает правильность выбранного материала, а именно алюминиевой бронзы. Наибольшее распространение получили следующие марки алюминиевых бронз: БрА5, БрА7, БрАМц9-2, БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5, БрАЖН10-4-4, БрА9Ж3Л, БрА10Ж3Мц2. Сопоставив марки бронз и диаграмму состояния сплавов медь-алюминий представленную на рис. 2в, можно сделать вывод что данные бронзы делятся на однофазные с содержанием алюминия менее 8% и двухфазные с содержанием алюминия от 8 до 11%.
41. Й Ыт.!
10 20 30 40 М 50 (О
¡по паса)
в
Рис. 2. Экспертиза втулки клапана: а - втулка клапана; б - строение втулки под микроскопом; в - диаграмма состояния сплавов медь-алюминий
Строение сплава под микроскопом представленное на рис. 2б показывает двухфазное строение бронзы в виде светлых зерен а фазы и темных зерен фазы а2. Следовательно, можно сделать вывод о том, что содержание алюминия в искомой бронзе от 9 до 11%. Для более точного определения содержания алюминия в бронзе посчитаем процентное соотношение светлых и темных зерен. Соотношение составляет приблизительно 50% а-фазы и 50% а2-фазы. Таким образом химический состав искомой бронзы расположен в середине области механической смеси данных фаз, следовательно содержание алюминия
составляет 10%. Однако марки бронз также подразделяются на деформируемые и литейные. Рассматриваемая втулка клапана может быть произведена как литьем так и путем токарной обработки трубы. Чтобы определиться с видом сплава была исследована наружная цилиндрическая поверхность втулки. Если деталь изготовлена из трубы т.е. из деформируемого сплава тогда на протравленной цилиндрической поверхности зерен не будет видно, в этой области они деформированы в волокна. В литом сплаве, исследуя любую поверхность, будут видны зерна. Исследования цилиндрической поверхности втулки показали аналогичное строение, таким образом можно сделать вывод о литейном производстве данной детали. Искомая марка бронзы для этой детали БрА10Ж3Мц2. Анализ справочных данных по твердости бронз показывает следующую зависимость от химического состава. Так снижение содержания железа в бронзе, уменьшает значение твердости, соответственно увеличение содержания железа увеличивает твердость. Приблизительно 1% железа увеличивает твердость бронзы на 10-20 единиц НВ.
На рис. 3а представлена исследуемая деталь корпус дроссельной заслонки. По сложности формы детали можно судить о ее отливке, следовательно для ее производства использовался литейный сплав. Предварительное исследование плотности показало, что сплав на основе алюминия. Также основа сплава подтверждается бело-серым цветом излома. Исследуемая поверхность после травления представлена на рис. 3б. Характерной особенностью строения данного сплава является присутствие силуминовой эвтектики после модифицирования которая выглядит в виде темных игл. Замер твердости показал значение 80НВ что также соответствует силумину без дополнительных легирующих элементов. Анализ справочных данных твердости сплавов показывает следующую зависимость от химического состава силумина. Так введение 1% меди в сплав увеличивает твердость силумина приблизительно на 10 единиц НВ, в то время как введение 1% магния снижает твердость приблизительно на 10 единиц НВ. Рассмотрим марки силуминов: АК12, АК12М2, АК7ч, АК9. Из строения сплава представленного на рис. 3б видны белые области и область эвтектики в виде серых игл. Белые области это а-фаза. Сопоставим процентное соотношение площади а-фазы к площади эвтектики которое составит 1 к 4 соответственно. Рассмотрим диаграмму состояния сплавов алюминий-кремний представленную на рис. 3в. Как видно из диаграммы область а-фазы ограничена процентным содержанием кремния менее 1%. Эвтектика содержит в своем составе 11,7% кремния. Исходя из соотношения отношения площади а-фазы к площади эвтектики и процентного содержания кремния в них приблизительное содержание кремния в искомом сплаве определим по формуле К=0,811,7+0,21=9,5%. Таким образом искомым сплавом для данной детали является АК9. [11,12]
¿"С,
МОО
1200
¡000
800 558 600
Ш 200 а
ж
ж / Мс -518°-
Т~ '■г- \
\э(с +51)
т
О 10 го ¡0 40 Ж 60 70 80 90 100 А1 Н
Рис. 3. Экспертиза корпуса дроссельной заслонки: а - корпус дроссельной заслонки автомобиля; б - структура корпуса после травления; в - диаграмма состояния сплавов алюминий-кремний
б
а
в
В работе был уточнен и структурирован алгоритм проведения экспертизы сплавов деталей автомобилей. Приведено детальное описание этапов проведения экспертизы сплавов деталей автомобилей. На примере деталей из сплавов на основе железа, меди и алюминия рассмотрен алгоритм определения марки сплава. Описана зависимость твердости сплавов от введения в них легирующих элементов. Показан алгоритм определения марки сплава по строению под микроскопом с использованием диаграмм состояния сплавов.
Список литературы
1. Анализ структуры, фазового состава и механических свойств трубного сварного соединения из жаропрочного сплава HP40NBTI / С.Ю. Кондратьев, М.Д. Фукс, М.А. Фролов, С.Н. Петров// Металловедение и термическая обработка металлов. 2020. №11 (785). С. 21-31.
2. Исследование химического состава металлических изделий из могильника левадки/ А.В. Антипенко, Н.Н. Колобылина, А.Ю. Лобода, Е.Ю. Терещенко, С.А. Мульд, Т.Н. Смекалова, Е.Б. Яцишина// Кристаллография. 2018. Т. 63. №4. С. 677-682.
3. Исследование микроструктуры роторов двухстепенных поплавковых гироскопов с помощью сканирующего электронного микроскопа/ А.В. Старцева, Б.Л. Шарыгин, Е.Г. Литуненко// Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. №2. С. 247-254.
4. Рентгеноспектральный электронно-зондовый микроанализ металлических изделий эпохи бронзы/ Л.А. Павлова, С.М. Павлов, О.И. Горюнова// Аналитика и контроль. 2002. Т.6. №4. С. 360-365.
5. Электронно-зондовый рентгеноспектральный микроанализ археологических находок прибайкалья/ Л.А. Павлова, С.М. Павлов// Журнал аналитической химии. 2006. Т. 61. №7. С. 718-724.
6. Беккерт М., Клемм Х. Справочник по металлографическому травлению. - Пер. с нем. М., «Металлургия», 1979, 336с.
7. Фазы а и в системы AL-MN-SI/ Н.В. Казеннов, К.Б. Калмыков, С.Ф. Дунаев, Н.Л. Зверева, Н.Е. Дмитриева// Вестник Московского университета. Серия 2: Химия. 2010. Т. 51. №6. С. 450-456.
8. Исследование микроструктуры лент NB-TI методами электронной микроскопии/ А.В. Овчаров, И.А. Каратеев, К.Г. Каратеева, В.В. Гурьев, С.В. Шавкин, А.Л. Васильев// Кристаллография. 2019. Т. 64. №6. С. 862-866.
9. Исследование антифрикционных алюминиевых сплавов, содержащих железо до и после три-бологических испытаний/ О.О. Щербакова, Т.И. Муравьева, Д.Л. Загорский// Письма о материалах. 2018. Т.8. №2 (30). С. 123-128.
10. Исследование металлических изделий из кладов городища иднакар IX-XIII ВВ. методом электронно-зондового микроанализа/ Т.М. Сабирова, Е.Л. Русских, А.Н. Бельтюков, И.К. Аверкиев// Химическая физика и мезоскопия. 2021. Т. 23. №3. С. 353-365.
11. Принцип подбора металлических материалов для деталей автомобилей и тракторов/ Г.Г. Бурый // Справочник. Инженерный журнал. 2018. №4 (253). С. 51-56.
12. В.И Большаков, Г.Д. Сухомлин, Д.В. Лаухин. Атлас структур металлов и сплавов. Днепропетровск: ГВУЗ «ПГАСА», 2010. 174с.
Бурый Григорий Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Омск, Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет
FEATURES OF THE ALGORITHM OF EXAMINATION OF ALLOYS OF CAR PARTS
G.G. Buriy
The article discusses in detail the algorithm for determining the grades of alloys of car parts. The features of the preparation of micro-grinders from alloys based on various metals are described. The features of grinding and polishing operations of micro-grinders made of alloys based on various metals are given. The chemical compositions of reagents and their influence on the clarity of revealing the structure of alloys are described. The influence of alloying elements in alloys based on non-ferrous metals on the value of their hardness is shown. An algorithm for determining the percentage of the main alloying element in an alloy based on its structure under a microscope using diagrams of the state of alloys is described.
Key words: algorithm, expertise, microplate, detail, grinding, polishing, etching, structure, alloys.
Buriy Grigoriy Gennadjevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Omsk, Siberian State Automobile and Road University
