CC BY
88
96/4 (85
:гг:г г: гкшмтта
4 (85), 2016-
ж®
УДК 620.179.14 Поступила 31.10.2016
ОСОБЕННОСТИ СВЯЗЕЙ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ЧУГУНОВ С ИХ СТРУКТУРОЙ И МАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК (ОБЗОР)
SPECIAL FEATURES OF INTERACTIONS OF MAGNETIC PROPERTIES OF CAST IRON WITH THEIR STRUCTURE AND MAGNETIC CONTROL METHODS OF STRUCTURE OF PIG-IRON CASTINGS (REVIEW)
С. Г. САНДОМИРСКИЙ, Объединенный институт машиностроения НАНБеларуси, г. Минск, Беларусь, ул. Академическая, 12. E-mail: [email protected]
S. G. SANDOMIRSKII, Joint Institute of Mechanical Engineering of National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Belarus, 12, Academicheskaya str. E-mail: [email protected]
Проанализированы отличия магнитных свойств чугунов с разной структурой и задачи контроля структуры отливок, решение которых возможно по их магнитным параметрам.
Differences of magnetic properties of cast iron with various structure and tasks of structure control of castings by their magnetic parameter are analyzed in the article.
Ключевые слова. Структуры чугуна, магнитные свойства, магнитный структурный анализ, намагничивание, неразруша-ющий контроль.
Keywords. Structures of cast iron, magnetic properties, magnetic structural analysis, magnetization, nondestructive control.
Чугун является широко используемым литейным материалом [1-3]. Требуемую структуру отливок создают их химическим и фазовым составом, термической обработкой. Преимущества чугуна перед сталью - хорошие жидкотекучесть, износостойкость (вследствие собственного смазывающего действия и повышения прочности пленки смазки) и обрабатываемость резанием (графит в чугуне делает стружку ломкой). Нарушения процессов производства недопустимо изменяют структуру и свойства отливок. Измерение механических свойств и структуры [2, 4, 5] трудоемко, не производительно, требует разрушения отливки для подготовки микрошлифов или стандартных образцов и исключает ее эксплуатацию. Разнообразие структур чугуна и условий их формирования определяет разнообразие задач и физических методов неразрушающего контроля структуры чугунных отливок.
Цель обзора - обобщение основных принципов магнитного контроля структуры чугунных отливок и результатов автора по их применению.
Структуры чугуна. Чугуны - многокомпонентные железные сплавы с содержанием углерода С > 2,14% [1, 2]. Основными фазами металлической основы чугуна являются (рис. 1):
• Феррит: твердый раствор углерода и других элементов в а-железе (рис. 1, а). Растворимость углерода: 0,1% при 1493 °С; 0,025% при 723 °С и 0,006% при 20 °С. Различают высокотемпературный феррит, обозначаемый 5-феррит, и низкотемпературный а-феррит.
• Аустенит: твердый раствор углерода и других элементов в у-железе (рис. 1, б). Растворимость углерода до 2,06% при 1147 °С и 0,8% при 423 °С.
• Цементит: карбид железа Fe3C (рис. 1, в). В присутствии примесей образуется легированный цементит, например (FeMn)3C, (FeCr)3C, (FeMnCr)3C. Растворимость углерода 6,67%.
• Перлит: эвтектоидная структура, состоящая из феррита и цементита, имеющая пластинчатую форму (рис. 1, г). Образуется из аустенита в процессе охлаждения. Для образования перлита в аустените должно быть 0,8% С. Во многих случаях получают зернистый перлит (рис. 1, д), когда зерна цементи-
кггтлтъ /07
-а (85), 2016 / чМш
г д
Рис. 1. Основные структуры металлической основы чугунов [2]: а - феррит (х250);
г - перлит пластинчатый (х1000); д - перлит зернистый (х1000);
б - аустенит (х250); в - цементит (х500); е - ледебурит (х250)
та расположены в ферритной матрице. Различают грубодифференцированный перлит (1,0 мкм), сред-недифференцированный сорбитообразный перлит (0,3 мкм) и тонкодифференцированный троостит (0,15 мкм).
• Ледебурит: эвтектическая структура, состоящая из аустенита и цементита, а после охлаждения ниже 727 °С - перлита и цементита (рис. 1, е). Образуется при содержании в жидком сплаве 4,3% С. При наличии в стали значительных количеств Сг, W, Мо может образоваться при более низких концентрациях углерода.
Улучшение свойств чугуна достигают при большом содержании легирующих элементов: никеля, алюминия, меди и хрома [6]. Кроме химического состава, определяющее влияние на свойства отливок оказывает фазовый состав чугуна, формирующийся при затвердевании [1, 7]. Если образование графита исключается, то формируется смесь аустенита и цементита и чугун называют белым (БЧ) - по цвету светлых кристаллов цементита на изломе. БЧ вследствие присутствия в нем цементита обладает высокой износостойкостью, твердостью (НВ = 400-500), хрупок (относительное удлинение 5 = 0,01%) и практически не поддается обработке резанием. Если жидкая фаза полностью переходит в смесь аусте-нита и графита, чугун называют серым (СЧ) - по цвету излома, определяемому темными кристаллами графита. В СЧ углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графитовых включений. Если при кристаллизации образуются и цементит, и графит, чугун называют половинчатым. Он содержит структурные составляющие СЧ и БЧ: перлит, пластинчатый графит и участки ледебурита. Эти структуры могут образовываться в одной отливке: ускоренно охлажденная зона имеет структуру БЧ, а медленно охлажденная - структуру СЧ. Отбеленными называют отливки, поверхность которых имеет структуру белого или половинчатого, а сердцевина - серого чугуна.
На механические свойства чугуна влияет форма выделяющихся графитовых включений. Их можно рассматривать как надрезы, ослабляющие металлическую основу структуры. Чем мельче включения, чем их меньше и больше изолированность друг от друга, тем выше прочность чугуна. В зависимости от формы графита (рис. 2) и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, ковкий и высокопрочный с шаровидным графитом (рис. 3).
е
дв/шт^г: штлтп.
а б в
Рис. 2. Формы графитовых включений в микроструктуре чугуна: а - пластинчатый графит; б - шаровидный графит; в -
хлопьевидный графит
а б в
Рис. 3. Графитовые включения в микроструктуре чугуна [2]: а - серый (х100); б - ковкий (х250); в - высокопрочный (х100)
В сером чугуне (СЧ) графит выделяется в виде пластинчатых включений (рис. 3, а). Пластинки графита уменьшают сопротивление разрыву, временное сопротивление (предел прочности) св и пластичность чугуна (при растяжении СЧ независимо от свойств металлической основы 5 < 0,5%). Графитовые включения мало влияют на снижение св при сжатии и твердости (НВ = 143-255), которые определяются главным образом структурой металлической основы чугуна. Нарушая сплошность металлической основы, графит делает чугун малочувствительным к внешним концентраторам напряжений (дефектам, надрезам). Поэтому СЧ имеет практически одинаковую прочность в отливках простой формы и с ровной поверхностью и сложной формы с надрезом или не обработанной поверхностью. Наибольшую прочность и износостойкость обеспечивает перлитная структура металлической основы СЧ.
Ковкий чугун (КЧ) получают длительным отжигом отливок из БЧ (рис. 4, а).
На первой стадии отжига (при 950-970°С) в результате распада цементита диффузионным путем образуется хлопьевидный графит (рис. 4, б). Затем отливки охлаждают до температур 760-720 °С (при этом происходит выделение из аустенита вторичного цементита, его распад и рост графитовых включений) и дают длительную (24-60 ч) выдержку. Происходит распад аустенита с образованием феррито-графитовой структуры или распад цементита, входящего в состав структуры перлита, с образованием феррита и графита. После окончания второй стадии графитизации структура чугуна состоит из феррита и хлопьевидного графита (рис. 4, в). Такой графит меньше пластинчатого снижает прочность и пластичность металлической основы чугуна. Благодаря высокой пластичности (5 = 6-20%) и низкой твердости (НВ = 163) ферритному КЧ свойственна хорошая обрабатываемость резанием. При ускоренном охлаждении образуется перлитный КЧ, имеющий светлый излом, НВ = 241-269, умеренную пластичность (5 = 2-7%), высокую прочность и антифрикционные свойства.
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ) получают модифицированием жидкого чугуна небольшими добавками отдельных элементов (рис. 5).
Установлено [8], что если в жидкий чугун ввести слабо растворяющийся в нем металл (например, магний в количестве 0,03-0,07%) или сплав, температура кипения которого ниже температуры жидкого
лгггг^гс ктгглтж!
-а (85), 2016 /
а б в
Рис. 4. Структуры чугуна в процессе получения отливок из ковкого чугуна [2]. х125: а - до отжига (белый доэвтектический чугун); б - после первой стадии графитизации; в - после отжига (после второй стадии графитизации) Ы
а б
Рис. 5. Микроструктура чугуна [2]. х100: а - без модифицирования (микроструктура серого чугуна с пластинчатым графитом); б - после модифицирования лигатурой магния с ферросилицием (высокопрочный чугун: шаровидный графит, феррит и перлит)
чугуна и пары которого вступают в реакцию окисления с газами, в состав которых входит кислород, то в остатках пузырьков пара этого металла зарождается шаровидный графит. Шаровидный графит меньше, чем пластинчатый, ослабляет металлическую основу чугуна и не является активным концентратором напряжений. ВЧ имеют пластичность, прочность, износостойкость и коррозионную стойкость, близкие к свойствам углеродистой и легированной стали. При этом они сохраняют хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость. Стоимость отливок из ВЧ на 25-50% ниже стоимости отливок и поковок из стали и КЧ. В ряде случаев оптимальное сочетание свойств обеспечивает вермикулярная (средняя между шаровой, хлопьевидной и пластинчатой) форма графитовых включений, образующаяся при некоторых режимах охлаждения модифицированного чугуна.
Вариации структуры и физико-механических свойств чугуна, кроме изменения его химического состава, режимов модифицирования, затвердевания, остывания и отжига, могут быть обеспечены также закалкой и отпуском отливок [9]. Разнообразие физико-механических свойств чугунов позволяет выбрать материал для создания разных отливок с учетом режимов их дальнейшей обработки и эксплуатации. Но неизбежные в силу неопределенности химического состава и вариаций режимов затвердевания, охлаждения и термообработки отливок изменения структурообразующих факторов обусловливают необходимость контроля структуры готовой отливки, особенно в случае ее последующей эксплуатации в узлах ответственного назначения или обработки дорогостоящим инструментом. При этом ни одна из
Ш/аг^ г кгтш гггптк_
I 4 (85), 2016-
структур чугунов не является заведомо «бракованной» или «годной», а становится таковой с учетом задачи изготовления и последующей эксплуатации отливки.
Магнитный контроль чугунных отливок основан на различии магнитных свойств (рис. 6) структурных составляющих чугуна [10-13]. Нет закономерности между количеством углерода и магнитными свойствами чугуна, так как определяющее влияние на них оказывает состояние, а не содержание углерода в чугуне. Обобщение диапазонов изменения коэрцитивной силы Нс, остаточной намагниченности Мг, намагниченности М, технического насыщения и максимальной магнитной проницаемости тт белого, серого, ковкого и высокопрочного чугунов при разных структурах металлической матрицы приведено в табл. 1.
Таблица 1. Магнитные свойства чугунов с разной структурой
Тип чугуна Тип металлической основы Нс, кА/м тт М,, кА/м Мг, кА/м
Белый чугун (БЧ) 1,04-1,28 180-200 1035 400-440
Серый чугун (СЧ) Ферритная 0,2-0,4 600-1500 1433 240-440
Перлитная 0,56-1,06 200-450 1393 320-560
Высокопрочный чугун (ВЧ) Ферритная 0,12-0,2 1600-2400 1513 240-480
Перлитная 0,4-0,88 300-600 1473 400-640
Ковкии чугун (КЧ) Ферритная 0,12-0,2 1500-2300 1433 440-560
Перлитная 0,4-0,88 300-800 1393 480-600
Наибольшую Нс и наименьшие тт и М, имеет БЧ. Увеличение графитизации приводит к снижению Нс и росту тт, особенно при распаде последних остатков цементита. Это объясняется увеличением в структуре чугуна мягкой магнитной компоненты - феррита и снижением внутренних напряжений (графит создает меньшие структурные микронапряжения, чем цементит). Кроме того, уменьшение объема, занимаемого графитом, по сравнению с объемом исходного цементита, приводит к уменьшению внутреннего размагничивания, так как графит и цементит можно рассматривать как немагнитные включения, являющиеся местами образования внутренних размагничивающих полей. Исследования влияния формы магнитных включений показали, что чем она компактнее, тем мягче в магнитном отношении чугун. Поэтому ВЧ и КЧ с шаровидной и хлопьевидной формами графита имеют большую тт и меньшую Нс по сравнению с СЧ той же металлической основы. Различие в химическом составе чугунов вызывает разброс магнитных характеристик. Но можно говорить об однозначной зависимости Нс и тт от степени графитизации, поскольку влияние соотношения графита и цементита на эти параметры больше, чем других факторов.
При выборе магнитного параметра, оптимального для магнитного контроля структуры чугунных отливок, следует учесть, что намагничивание и формирование остаточной намагниченности отливки происходит под влиянием ее размагничивающего фактора или размагничивающего фактора намагниченного участка отливки [14]. Поэтому остаточная намагниченность Мс1 отливки, остаточный магнитный поток Ф(1 в отливке, параметры поля от остаточной намагниченности локально намагниченного участка отливки и его градиент УН становятся пропорциональны коэрцитивной силе Нс материала отливки (рис. 6).
Среди приборов, основанных на этом принципе и специально разработанных для магнитной сортировки отливок по структуре, выделим магнитные анализаторы качества структуры изделий МАКСИ-П, МАКСИ-Р и магнитный сортировщик МС [12, 13, 15, 16] (рис. 7). Принцип действия приборов МАКСИ-П и МАКСИ-Р заключается в бесконтактном намагничивании изделия в открытой магнитной цепи при его свободном падении сквозь область с намагничивающим полем постоянной напряженности Не и измерении величины Фd остаточного магнитного потока в изделии при его движении сквозь об-
м
Рис. 6. Основная кривая намагничивания и нисходящая ветвь предельной петли магнитного гистерезиса ферромагнитного материала и тела (пунктир)
аггг^Г: мшмтта / 1Щ
-4 (85), 2016 I IV!
ласть, где намагничивающее поле экранировано или скомпенсировано. В приборе МАКСИ-П намагничивание осуществляется в стационарном поле двухполюсной магнитной системы напряженностью около 46 кА/м, ортогональном направлению движения изделия. В приборе МАКСИ-Р максимальная напряженность намагничивающего поля, параллельного направлению движения изделий, равна 37 кА/м. При движении намагниченное изделие индуцирует в измерительном преобразователе специальной конструкции сигнал, вольт-секундная площадь полуволны которого измеряется (в мкВб) и индицируется на двухразрядном цифровом табло прибора. Диапазон измерения Фс!, мкВб: 0,01-6,00 (показания Ф = 100 соответствуют 0,6 мкВб). Относительная погрешность не более ±1,5%. Результат измерения сравнивается с предварительно установленными пределами годности изделия по измеряемому параметру. По результату сравнения исполнительный механизм осуществляет сортировку изделий на годные и брак с производительностью до 2 изделий в секунду. В приборе «Сортировщик магнитный МС» осуществлена современная реализация метода точечного полюса [16]. Контроль осуществляют по результату измерения градиента поля от остаточной намагниченности изделия, локально намагниченного полюсом постоянного магнита.
Таким образом, сортировка чугунов с разной структурой по результату измерения их магнитных свойств, прежде всего, связанных с коэрцитивной силой, может быть рекомендована в следующих основных случаях.
Белый чугун от чугунов всех других типов может быть выделен по результату измерения Нс или связанной с ней остаточной намагниченности М(1 отливки после намагничивания ее до технического насыщения. Различие этих параметров БЧ и ферритных чугунов других типов составляет от 3 до 10 раз, что практически исключает их перепутывание при контроле. Различие Нс и М(1 БЧ и перлитных КЧ и ВЧ также достаточно для их уверенной сортировки (1,2-3,0 раза). Применение магнитного контроля качества отжига отливок из БЧ на КЧ - одно из наиболее удачных и надежных использований магнитного нераз-рушающего контроля [9, 10]. Причем теоретически показано и экспериментально подтверждено (рис. 8), что в полях, не доводящих отливки с большим размагничивающим фактором до технического насыщения, наблюдается более высокая (на 20-30%) чувствительность остаточной намагниченности М(1 отли-
Ш/Ш
4 (85), 2016
Рис. 8. Зависимость отношения F остаточной намагниченности Ыс1 отливок «ниппель 1%» из БЧ к Ыс1 тех же отливок из фер-рито-перлитного КЧ (1) от напряженности Не намагничивающего поля; 2 - F после намагничивания отливок в пермеаметре. Пунктирные линии - диапазон возможной погрешности измерения и расчета F
Рис. 9. Зависимость показаний УН прибора МС от твердости НВ заготовок из СЧ18
вок к структуре их материала, чем при намагничивании до насыщения [17]. Поэтому напряженность Не намагничивающего поля при сортировке отливок с большим размагничивающим фактором рекомендовано устанавливать в пределах 20-50 кА/м [18].
По измерению Нс или Мd перлитный и феррит-ный чугуны всех типов могут быть отбракованы друг от друга (рис. 9).
Решена задача определения количественного соотношения содержания перлита и феррита в КЧ на основе измерения пропорционального Мс1 остаточного магнитного потока Ф^ в отливках с большим размагничивающим фактором (рис. 10) [19].
При определении соотношения содержания перлита и феррита в ВЧ следует учитывать, что повы-
Рис. 10. Зависимость остаточного магнитного потока Фа в отожженной отливке «ниппельРЛ» из КЧ после намагничивания в поле 46 кА/м от содержания феррита в металлической матрице отливки
аггг^Г: мшмтта / ШЧ
-4 (85), 2016/ Ши
, А/м
Перлит, %
Рис. 11. Зависимость коэрцитивной силы Нс ВЧ (1) и СЧ (2) от содержания перлита в металлической матрице. Оценка по результатам исследований [20]. Пунктир и штрихпунктир - диапазоны вероятного изменения Нс на основании данных табл. 1
шение Нс, свойственное повышению содержания перлита в металлической матрице чугуна, может быть вызвано увеличением доли пластинчатых графитовых включений в чугуне при снижении доли шаровидных включений графита (рис. 11) [20].
В [20] показано, что при одинаковой форме включений графита изменение содержания перлита в металлической матрице ВЧ и СЧ от 0 до 100% в 2,8 раза повышает показания Фс1 и УН приборов МАКСИ и МС, пропорциональные Нс материала отливок. Значения параметров Ф(1 и УН образцов со структурой ВЧ в среднем в 1,6 раза меньше, чем для образцов со структурой СЧ при одинаковом соотношении феррита и перлита в металлической матрице. Полученные результаты наряду с данными табл. 1 о диапазоне изменения магнитных свойств чугунов с разной структурой позволяют дать приведенную на рис. 11 оценку изменения Нс отливок при изменении соотношения ВЧ и СЧ в их составе. По измерению Нс и связанных с ней параметров можно уверенно выделить [20] от других типов чугуна лишь ферритный ВЧ с содержанием перлита в металлической матрице до 20% (рис. 11). Нс таких чугунов не более 250 А/м. СЧ при содержании перлита в металлической матрице свыше 50% имеет Нс > 600 А/м и может быть отбракован от ВЧ по показаниям коэрцитивно чувствительных приборов.
Перлитный ВЧ по результату измерения Нс может быть отбракован от СЧ только при гарантии сохранения неизменной металлической основы чугуна. Для отбраковки перлитного ВЧ от ферритного СЧ рекомендовано измерение Нс и не магнитного параметра, например, скорости звука [20]. По [21] измеряют скорость Vэ звука и магнитный параметр Фэ эталонной отливки, заведомо годной по содержанию шаровидных включений и перлита в металлической матрице, измеряют скорость Vc звука в отливке и ее магнитный параметр Фс, определяют разницу Vc - Vэ и Фс - Фэ, по которым находят разницу ЛШ в содержании шаровидных включений и ЛП в содержании перлита в металлической матрице сортируемой и эталонной отливок. Сортировку отливки осуществляют по результату сравнения значений ЛШ и ЛП с их допустимыми отклонениями. При этом в качестве магнитного параметра отливки измеряют Нс или пропорциональный ей магнитный параметр, а ЛШ и ЛП определяют по формулам:
АШ = 4,27АГ - 0,09125 ДФ, АП = 2,Л4АУ + 0,305 ДФ,
где АУ = (Vи ДФ = (ФС-ФЭ)/ФЭ - относительные изменения скорости звука и магнитного параметра в сортируемой отливке по сравнению с эталонной.
Эффективность способа [21] иллюстрируется примером его реализации для сортировки по структуре отливок сложной формы (длиной 70 мм, поперечным размером до 38 мм), изготавливаемых на одном из литейных заводов из высокопрочного чугуна ВЧ50. В качестве магнитного параметра использован остаточный магнитный поток Ф, сохраняющаяся в них после намагничивания до состояния, близкого
Ш/шгготклшйк
/ 4 (85), 2016-
к техническому насыщению. Измерения Ф проведены анализатором магнитным МАКСИ-Р. Скорость V звука в отливках измерена ультразвуковым толщиномером фирмы «Kraut Kramer».
Параметр Ф отливки, заведомо годной по содержанию шаровидных включений и перлита в металлической матрице, составил Фэ = 220, а скорость звука V3 = 5575 м/с. После измерений Фэ и V3 эталонная отливка была разрушена для изготовления микрошлифа и определения структуры по [5]. Было установлено, что в микроструктуре эталонной отливки содержание шаровидного графита - 100%, а содержание перлита - 50%. После этого пять отливок из промышленной партии были рассортированы по структуре способом [21]. Результаты определения разницы ДШ и ДП сортируемой и эталонной отливок приведены в табл. 2. Критерием годности сортируемых отливок (по техническим условиям производства отливок) было снижение содержания шаровидных включений и перлита в отливках не более, чем на 10% по сравнению с эталонной отливкой. Результаты сортировки отливок по этому критерию годности приведены в табл. 2. После сортировки отливок для проверки результатов сортировки структура отливок была определена по стандартной методике [5]. Результаты определения структуры отливок по стандартной методике также приведены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты сортировки отливок по предложенному способу и стандартной разрушающей методике [5]
Номер изделия Результаты измерений Результаты сортировки
Vc, м/с ФС,-6-10-3 мкВб предложенным способом по стандартной методике
ДШ,х100% ДП,х100% брак, годное ДШ,х100% ДП,х100% брак, годное
1 4960 125 -43 -40 брак -50 -20 брак
2 5540 170 -1,5 -8 годное 0 -5 годное
3 5684 268 +6,4 +12 годное 0 +20 годное
4 5491 128 -2,6 -17 брак 0 -25 брак
5 5412 111 -8 -22 брак -10 -37 брак
Результаты (табл. 2) сортировки отливок способом, приведенным в [21], показывают, что они совпадают с результатами сортировки отливок по стандартной методике [5]. Количественно результаты определения разницы ЛШ в содержании шаровидных включений и разницы ДП в содержании перлита в металлической матрице сортируемой и эталонных отливок по предложенной и стандартной методикам совпадают в пределах погрешности и субъективности определения этих параметров по стандартной методике. Таким образом, способ [21] повышает достоверность сортировки отливок из ВЧ по структуре до уровня достоверности стандартной разрушающей методики. Кроме того, он обеспечивает сортировку отливки по параметрам, усредненным по всему объему отливки, а не по ее локальным участкам, как у стандартной методики.
Проведенный анализ показал, что разделение чугунных отливок с разной структурой друг от друга по результату измерения магнитных параметров может быть рекомендовано:
• для выделения БЧ от чугунов всех других типов (в том числе для контроля качества отжига БЧ на КЧ, контроля наличия отбела на поверхности отливок из СЧ);
• для разбраковки друг от друга перлитного и ферритного чугунов всех типов (имеется возможность количественной оценки отношения феррита и перлита в КЧ и ВЧ);
• для контроля формы графитовых включений в чугуне при постоянной структуре металлической матрицы. При возможности одновременного изменения структуры металлической матрицы и появления пластинчатого графита в ВЧ возможно уверенное выделение ферритного ВЧ от СЧ;
• для отбраковки перлитного ВЧ от ферритного СЧ следует рекомендовать одновременное измерение Нс и скорости звука [21].
Но потребности производства диктуют новые задачи. Так, при отжиге на ковкий чугун отливок из белого чугуна на поверхности отливки может сохраниться отбеленный слой (рис. 12).
Такие отливки при магнитном контроле их структуры, как правило, отбраковываются [13, 17]. Но в случае, когда толщина отбеленного слоя меньше, чем слой, удаляемый при предварительной обточке отливки, отливка с поверхностным отбеленным слоем является годной для механической обработки. При существующем методе сортировки значительная часть годных для механической обработки отливок направляется на переплавку. Это приводит к неоправданному перерасходу материальных и трудовых ресурсов.
аггг^Г: мшмтта/ШЧ
-4 (85), 2016/ Ши
в г
Рис. 12. Изломы ниппелей из ковкого чугуна КЧ30-6. х3: а - ковкий чугун по всему объему отливки; б - вкрапления белого чугуна по всему объему отливки; в, г - отбеленный слой на поверхности отливки
Эксперименты по исследованию влияния толщины и магнитных свойств материала слоев на намагничивание двухслойного изделия [22] трудоемки и не позволяют определить пороговую намагниченность для разбраковки отливок с допустимой толщиной отбеленного слоя.
Основой расчетной модели намагничивания двухслойной отливки являются [23, 24]:
1. Результаты (см. табл. 1) измерения магнитных свойств (Нс, Мг иМ, чугунов с разной структурой).
2. Формулы [25] для расчета намагниченности материала на частных петлях магнитного гистерезиса по Нс, Мг иМ,. Разработанная методика позволяет рассчитать остаточную намагниченность Мd стального изделия, намагничиваемого в разомкнутой магнитной цепи полем напряженностью Не по Нс, М, и Мг материала и размагничивающему фактору N изделия. Следует обосновать правомерность использования этих формул для описания намагничивания чугунов с учетом изменений связей между магнитными параметрами чугуна по сравнению со сталью под влиянием внутреннего размагничивания [26].
3. Формулы для расчета размагничивающего фактора тел разной формы [14] и внутреннего коэффициента размагничивания материалов с немагнитными включениями [27].
Аналитическое описание намагничивания и формирования остаточной намагниченности отливок с неоднородной по слоям структурой будет использовано для повышения селективности и достоверности магнитного контроля структуры отливок.
Литература
1. Бунин К. П. Строение чугуна / К. П. Бунин, Ю. Н. Таран. М.: Металлургия, 1972. 160 с.
2. Болохвинов Н. Ф. Атлас макро- и микроструктур металлов и сплавов / Н. Ф. Болохвинов, Е. Н. Болохвинова. Изд. 2-е, перераб. и допол. М.: МАШГИЗ, 1959. 88 с.
3. Щербединский Г. В. Чугун как перспективный материал 21 столетия / Г. В. Щербединский // Материаловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 7. С. 83-93.
4. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов / Я. Б. Фридман. М., 1974. Т. 1, 2.
5. Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры. ГОСТ 3443-87. 2005. 42 с.
6. Комаров О. С. Совершенствование технологии получения отливок из высокохромистого чугуна / О. С. Комаров. М.: Новое знание, 2014. 152 с.
7. Анисович А. Г. Микроструктуры черных и цветных металлов / А. Г. Анисович, А. А. Андрушевич. Мн.: Беларуская на-вука, 2015. 131 с.
8. Горшков А. А. О механизме образования шаровидного графита / А. А. Горшков // Литейное производство. 1955. № 3. С. 17-21.
9. Русин П. И. Магнитная структуроскопия термически обработанного чугуна / П. И. Русин, Л. А. Гофман, М. А. Капустян-ский. Ростов-на-Дону: Ростовский университет, 1978. 141 с.
10. Карамара А. Основные положения магнитных методов контроля состояния и качества чугунных отливок / А. Карамара // 25-й междунар. конгресс литейщиков. М., 1961. С. 454-475.
11. Горкунов Э. С. Магнитные свойства и методы контроля структуры и прочностных характеристик чугунных изделий (Обзор) / Э. С. Горкунов, В. М. Сомова, А. П. Ничипурук // Дефектоскопия. 1994. № 10. С. 54-82.
12. Сандомирский С. Г. Возможности и ограничения магнитного контроля структуры чугунных отливок (обзор) / С. Г. Сан-домирский // Литье и металлургия. 2006. № 2(38). Ч. 1. С. 118-123.
Ш/аг^г кггштггге_
I 4 (85), 2016-
13. Сандомирский С. Г. Возможности количественного контроля структурных параметров чугунных отливок магнитным методом / С. Г. Сандомирский // Металлургия. 2009. № 2. С. 28-34.
14. Сандомирский С. Г. Расчет и анализ размагничивающего фактора ферромагнитных тел / С. Г. Сандомирский. Минск: Беларуская навука, 2015. 244 с.
15. Сандомирский С. Г. Анализ предпосылок количественного контроля структуры изделий из высокопрочного чугуна магнитным методом / С. Г. Сандомирский, В. Л. Цукерман, Л. З. Писаренко // Литье и металлургия. 2005. № 2. Ч. 2. С. 143-148.
16. Сандомирский С. Г. Применение полюсного намагничивания в магнитном структурном анализе (обзор) // Дефектоскопия. 2006. № 9. С. 36-64.
17. Сандомирский С. Г. Оптимизация режимов магнитного контроля структуры отливок из ковкого чугуна / С. Г. Сандомирский // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2009. № 8. С. 39-43.
18. Способ магнитного контроля структуры материала с размагничивающим фактором более 0,04: пат. на изобретение 13520 Респ. Беларусь, МПК (2009) G01N 27/72 / С. Г. Сандомирский; заявитель Государственное научное учреждение «Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси». № а 20081193; заявл. 19.09.2008; опубл. 30.08.2010. // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. 2010. № 4.
19. Сандомирский С. Г. Количественный анализ взаимосвязи микроструктуры и магнитных свойств изделий типа «ниппель 1%» из ковкого чугуна КЧ30-6 / С. Г. Сандомирский, Л. З. Писаренко, С. Ф. Лукашевич // Дефектоскопия. 2002. № 4. С. 18-24.
20. Сандомирский С. Г. Влияние структуры металлической матрицы высокопрочного чугуна на коэрцитивно чувствительный магнитный параметр и скорость звука / С. Г. Сандомирский, В. Л. Цукерман // Литье и металлургия. 2013. № 2. С. 41-45.
21. Способ сортировки отливок из высокопрочного чугуна по содержанию в их структуре шаровидных графитовых включений и перлита: пат. на изобретение 19548 Респ. Беларусь, МПК G01N 27/72 (2006.01) / С. Г. Сандомирский, В. Л. Цукерман; заявитель Государственное научное учреждение «Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси». № а 20130563; заявл. 29.04.2013; опубл. 30.10.2015. // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлект. уласнасщ. 2015. № 5.
22. Особенности распределения остаточной индукции в двухслойном ферромагнитном цилиндре / С. Г. Сандомирский [и др.] // Дефектоскопия. 1997. № 10. С. 34-41.
23. Сандомирский С. Г. Физические основы методики расчета намагничивания двухслойных чугунных отливок / С. Г. Сан-домирский // Междунар. науч.-техн. конф. «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии». Могилев, Белорусско-Российский университет. 14-15 апреля 2016. С. 275-276.
24. Сандомирский С. Г. Магнитные методы контроля чугунных отливок с однородной структурой и физические основы расчета намагничивания двухслойных отливок / С. Г. Сандомирский // Литейное производство и металлургия 2016. Беларусь: Тр. 24-й междунар. науч.-техн. конф., Минск, 19-21 октября 2016. С. 107-114.
25. Сандомирский С. Г. Расчет кривой намагничивания и частных петель гистерезиса ферромагнитных материалов по основным магнитным параметрам / С. Г. Сандомирский // Электричество. 2010. № 1. С. 61-64.
26. Сандомирский С. Г. Изменение связи между магнитными параметрами чугуна по сравнению со сталью под влиянием внутреннего размагничивания / С. Г. Сандомирский // Литье и металлургия. 2014. № 4. С. 105-108.
27. Сандомирский С. Г. Оценка внутреннего коэффициента размагничивания чугунов по результатам измерения их остаточной намагниченности / С. Г. Сандомирский // Металлы. 2013. № 3. С. 88-94.
References
1. Bunin K. P. Stroenie chuguna [The structure of cast iron]. Moscow, Metallurgija Publ., 1972, 160 p.
2. Bolochvinov N. F., Bolochvinova E. N. Atlas macro- i microstructur of metallov i splavov [Atlas macro- and microstructures of metals and alloys]. Izd. 2, Moscow, MACHGIZ Publ., 1959. 88 p.
3. Shherbedinskij G. V. Chugun kak perspektivnyj material 21 stoletija [Cast as a promising material of the 21st century]. Materi-alovedenie i termicheskaja obrabotka metallov = Materials Science and heat treatment of metals, 2005, no. 7, pp. 83-93.
4. Fridman Ja. B. Mehanicheskie svojstva metallov [Mechanical properties of metals]. / Moscow, 1974, vol. 1, 2.
5. Otlivki iz chuguna s razlichnoj formojgrafita. Metody opredelenija struktury [Cast iron castings with graphite of different form]: GOST 3443-87. Moscow, Standartinform, 2005, 42 p.
6. Komarov O. S. Sovershenstvovanie tehnologii poluchenija otlivok iz vysokohromistogo chuguna [Improving the technology of high chrome cast iron castings from]. Moscow, Novoe znanie Publ., 2014, 152 p.
7. Anisovich A. G., Andrushevich A. A. Mikrostruktury chernyh i cvetnyh metallov [The microstructure of ferrous and nonferrous metals]. Minsk, Belarusskaja navuka Publ., 2015, 131 p.
8. Gorshkov A. A. O mehanizme obrazovanija sharovidnogo grafita [On the mechanism of formation of spherical graphite]. Litej-noe proizvodstvo = Foundry production, 1955, no. 3, pp. 17-21.
9. Rusin P. I., Gofman L. A., Kapustjanskij M. A. Magnitnaja strukturoskopija termicheski obrabotannogo chuguna [Magnetic structurescopy thermally treated iron]. Rostov-na-Donu: Rostovskij universitet Publ., 1978, 141 p.
10. Karamara A. Osnovnye polozhenija magnitnyh metodov kontrolja sostojanija i kachestva chugunnyh otlivok [The main provisions of the magnetic state and quality control methods iron castings]. Trudy 25-j mezhdunarodnyj kongress litejshhikov = Proceedings of the 25th International Congress offounders. Moscow, 1961, pp. 454-475.
11. Gorkunov Je. S., Somova V. M., Nichipuruk A. P. Magnitnye svojstva i metody kontrolja struktury i prochnostnyh harakteris-tik chugunnyh izdelij (Obzor) [Magnetic properties and methods of control structure and strength properties of cast iron products (Overview)]. Defektoskopija = Russian journal of nondestructive testing, 1994, no. 10, pp. 54-82.
12. Sandomirskij S. G. Vozmozhnosti i ogranichenija magnitnogo kontrolja struktury chugunnyh otlivok (obzor) [The possibilities and limitations of magnetic control structure of iron castings (review)]. Lit'e i metallurgija = Foundry production and metallurgy, 2006, no. 2(38), vol. 1, pp. 118-123.
13. Sandomirskij S. G. Vozmozhnosti kolichestvennogo kontrolja strukturnyh parametrov chugunnyh otlivok magnitnym met-odom [The possibilities of quantitative control of the structural parameters of iron castings magnetic method]. Metallurgija = Metallurgy, 2009, no. 2, pp. 28-34.
/ijrrr^r ts^mmrr.n /m7
-4 (85), 2016/ IVf
14. Sandomirskij S. G. Raschet i analiz razmagnichivajushhego faktora ferromagnitnyh tel [The calculation and analysis of the demagnetization factor of ferromagnetic bodies]. Minsk, Belaraskaja navuka Publ., 2015, 244 p.
15. Sandomirskij S. G., Cukerman V. L., Pisarenko L. Z. Analiz predposylok kolichestvennogo kontrolja struktury izdelij iz vysokoprochnogo chuguna magnitnym metodom [Analysis of quantitative control of products preconditions structure of ductile iron magnetic method]. Lit'e i metallurgija = Lit'e i metallurgija = Foundry production and metallurgy, 2005, no. 2, vol. 2, pp. 143-148.
16. Sandomirskij S. G. Primenenie poljusnogo namagnichivanija v magnitnom strukturnom analize (obzor) [Application pole magnetization in the magnetic structural analysis (review)]. Defektoskopija = Russian journal of nondestructive testing, 2006, no. 9, pp. 36-64.
17. Sandomirskij S. G. Optimizacija rezhimov magnitnogo kontrolja struktury otlivok iz kovkogo chuguna [Optimization of modes of magnetic control structure castings made of ductile cast iron]. Zavodskaja laboratorija. Diagnostika materialov = Factory laboratory. Diagnosis materials, 2009, no. 8, pp. 39-43.
18. Sandomirskij S. G. Sposob magnitnogo kontrolja struktury materiala s razmagnichivajushhim faktorom bolee 0,04 [A method of controlling the magnetic structure of the material with the demagnetizing factor of more than 0.04]. PatentRB, no. 13520, 2010.
19. Sandomirskij S. G., Pisarenko L. Z., Lukashevich S. F. Kolichestvennyj analiz vzaimosvjazi mikrostruktury i magnitnyh svojstv izdelij tipa «nippel' 1%» iz kovkogo chuguna KCh 30-6 [Quantitative analysis of the relationship of microstructure and magnetic properties of the «nipple 1%» of products from malleable cast iron CN 30-6]. Defektoskopija = Russian journal of nondestructive testing, 2002, no. 4, pp. 18-24.
20. Sandomirskij S. G., Cukerman V. L. Vlijanie struktury metallicheskoj matricy vysokoprochnogo chuguna na kojercitivno chuvstvitel'nyj magnitnyj parametr i skorost' zvuka [Influence of the structure of the metal matrix ductile iron on the magnetic coercive sensitive parameter and the speed of sound]. Lit'e i metallurgija = Foundry production and metallurgy, 2013, no. 2, pp. 41-45.
21. Sandomirskij S. G., Cukerman V. L. Sposob sortirovki otlivok iz vysokoprochnogo chuguna po soderzhaniju v ih strukture sharovidnyh grafitovyh vkljuchenij i perlita [sorting method castings from nodular iron content in the structure of spherical graphite inclusions and perlite]. Patent RB, no. 19548, 2015.
22. Sandomirskij S. G., Delendik M. N., Sandomirskaja E. G., Gorbash V. G. Osobennosti raspredelenija ostatochnoj indukcii v dvuhslojnom ferromagnitnom cilindre [Features of the residual induction in the two-layer ferromagnetic cylinder]. Defektoskopija = Russian journal of nondestructive testing, 1997, no. 10, pp. 34-41.
23. Sandomirskij S. G. Fizicheskie osnovy metodiki rascheta namagnichivanija dvuhslojnyh chugunnyh otlivok [Physical basis of calculation methods of double-layer magnetization of iron castings]. Materialy mezhdunarodnoi nauchno-tehnicheskaja konferencija «Materialy, oborudovanie i resursosberegajushhie tehnologii» = «Materials, equipment and resource-saving technologies». Mogilev, BRU, 2016, pp. 275-276.
24. Sandomirskij S. G. Magnitnye metody kontrolja chugunnyh otlivok s odnorodnoj strukturoj i fizicheskie osnovy rascheta namagnichivanija dvuhslojnyh otlivok [Magnetic methods of control of iron castings with a homogeneous structure and the physical basis of the calculation of two-layer magnetization castings]. Trudy 24-j mezhd. nauchno-tehn. konf. «Litejnoe proizvodstvo i metallurgija 2016. Belarus» = Foundry and Metallurgy 2016. Belarus, 2016, pp. 107-114.
25. Sandomirskij S. G. Raschet krivoj namagnichivanija i chastnyh petel' gisterezisa ferromagnitnyh materialov po osnovnym magnitnym parametram [The calculation of the magnetization curve and minors hysteresis loop of ferromagnetic materials on the basic magnetic parameters]. Jelektrichestvo = Electricity, 2010, no. 1, pp. 61-64.
26. Sandomirskij S. G. Izmenenie svjazi mezhdu magnitnymi parametrami chuguna po sravneniju so stal'ju pod vlijaniem vnu-trennego razmagnichivanija [Changing the relationship between magnetic iron parameters in comparison with the steel under the influence of internal demagnetization]. Lit'e i metallurgija = Foundry production and metallurgy, 2014, no. 4, pp. 105-108.
27. Sandomirskij S. G. Ocenka vnutrennego kojefficienta razmagnichivanija chugunov po rezul'tatam izmerenija ih ostatochnoj namagnichennosti [Estimation of the internal demagnetizing factor of cast iron from its measured remanent magnetization]. Metally = Russian Metallurgy (Metally), 2013, no. 3, pp. 88-94.
