Разработка модели технологического процесса получения ребристых труб и ее апробация

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1 МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНА

Сплав железа с углеродом при содержании последнего больше 2.14 %

называется чугуном. Наличие эвтектики в структуре чугуна обуславливает его

малую способность к пластической деформации. Поэтому чугун используют

исключительно в качестве литейного сплава. Чугун, используемый для

изготовления отливок, содержит также Si и в качестве неизбежных примесей

Mn, Р и S. Чугун дешевле стали [32].

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

. белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в

виде цементита. В виду высокой твердости и хрупкости, практического

значения для получения отливок не имеет;

. серый чугун (СЧ), в котором углерод в значительной или полностью

находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита.

Разновидностью СЧ является чугун с вермикулярной формой графита.

Химический состав, и, в частности, содержание углерода не в полной мере

характеризуют свойства чугуна: его структура и основные свойства зависят

также от процесса выплавки, скорости охлаждения отливки и режима

термической обработки. Свойства чугуна определяются его структурой. Эта

зависимость у чугуна значительно сложнее, чем у стали, так как его

структура состоит из металлической основы и включений графита, вкрапленных

в эту основу. Для характеристики структуры СЧ необходимо определять

размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической

основы.

ГОСТ 3443-77 классифицирует структуру чугуна как по форме графита, так

и по матрице [32]. При оценке графита определяют форму, распределение,

количество и размеры включений; при оценке матрицы - тип структуры,

количество перлита и феррита, дисперсность перлита; строение,

распределение, размер ячеек сетки и отдельных включений фосфидной

эвтектики, количество и размер включений цементита или ледебурита.

Графитные включения лучше изучать на нетравленых шлифах (при увеличении

100...200), а структуру металлической основы - на травленых (при увеличении

350...500).

Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, указывающими предел

прочности при растяжении (ГОСТ 1412-79). Излом СЧ имеет серый цвет из-за

присутствия в его структуре графита. Включения графита в СЧ имеют форму

лепестков, которые в плоскости шлифа имеют вид прямолинейных или

завихренных пластинок.

Чем меньше графитовых включений, тем они мельче и больше степень их

изолированности друг от друга и тем выше прочность чугуна. СЧ с большим

количеством прямолинейных крупных графитовых включений, разделяющих его

металлическую основу, имеет грубозернистый излом и низкие механические

свойства. Величина, форма и характер распределения графитовых включений

зависят от скорости охлаждения отливки и определяются по типовой шкале

(ГОСТ 3443-77).

Количество графита в чугуне можно определить методом количественной

металлографии. Для этого, используя линейный метод, определяют объемную

долю, занятую графитом и металлической матрицей. Затем с учетом плотности

графита и матрицы определяют количество графита:

СЧ разделяют по строению металлической основы.

Ферритный чугун. В этом случае металлической основой является феррит

(Ф), и весь углерод, имеющийся в сплаве, находится в виде графита. Чугун

имеет низкую прочность (100...150 МПа) и используется для малоответственных

деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе, с толщиной стенки

отливки 10...30 мм.

Ферритно-перлитный чугун. Структура этого чугуна состоит из Ф+П и

включений графита. Феррит располагается вокруг графитных включений.

Количество связанного углерода в нем меньше, чем в перлитном чугуне.

Следовательно, твердость и прочность также ниже.

Перлитный чугун. Структура его состоит из перлита с включениями

графита. Так как перлит содержит 0.8 % С, то такое количество углерода в

перлитном чугуне находится в связанном состоянии, а остальное количество -

в свободном состоянии (т.е. в виде графита). Перлитную структуру имеют

чугуны марок СЧ25-СЧ45. Они применяются для изготовления отливок,

испытывающих динамические нагрузки, например, станины станков, шестерни,

блоки цилиндров, поршневые кольца и др.

2 МИКРОАНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ

Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры металлов

при больших увеличениях с помощью микроскопа.

Наиболее простым и распространенным методом микроанализа является

оптическая (световая) микроскопия. Этим методом изучают размеры, форму,

взаимное расположение кристаллов (зерен), достаточно крупные включения в

них, некоторые дефекты кристаллического строения (двойники, дислокации).

Исследование микроструктуры получаемых серых чугунов производим на

металлографическом микроскопе МИМ-7.

3 ПРИГОТОВЛЕНИЕ МИКРОШЛИФОВ

Изучение микроструктуры металлов производится в отраженном свете,

поэтому поверхность образца должна быть специально подготовлена. Такой

образец называется микрошлифом. Для изготовления шлифа вырезают образец из

исследуемого металла и получают на нем плоскую и блестящую поверхность.

Очень важно (особенно для литых материалов) правильно выбрать место, из

которого надо вырезать образец. Если отливка имеет различную толщину

стенки, то вырезать образцы нужно из тонко- и толстостенной ее частей.

Метод вырезания значения не имеет. Важно только, чтобы в процессе вырезания

не изменять структуру металла.

Вырезанные образцы собирают в струбцине по несколько штук в зависимости

от их размера, при этом между образцами помещают прокладки из латуни, что

предотвращает перенос одного материала на другой. Иногда образцы заливают в

обечайке пластмассой или легкоплавким сплавом. Это обеспечивает получение

плоской поверхности шлифа при его обработке.

Шлифование поверхности образца проводят на бумажной шкурке,

последовательно переходя от одной шкурки к другой с непрерывно

уменьшающимися размерами абразивных частиц. Переход к обработке на

следующей шкурке производят только после исчезновения рисок от предыдущей

шкурки.

Полированием получают окончательную зеркальную поверхность шлифа. Чаще

всего используют механическое полирование, когда на сукно наносят мелкие

частицы абразивных материалов - оксиды алюминия, железа или хрома в виде

водной суспензии. После полирования микрошлиф промывают водой, затем

спиртом и просушивают фильтровальной бумагой.

4 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ

Вначале обычно изучают структуру нетравленного микрошлифа, т.е.

непосредственно после полирования. Под микроскопом такой шлиф имеет вид

светлого круга, на котором часто можно заметить темные участки (серые или

черные). Это неметаллические включения - оксиды, сульфиды, нитриды,

силикаты, графит. Вследствие хрупкости неметаллические включения могут

выкрашиваться при шлифовании, и тогда на поверхности шлифа остаются

углубления, которые могут быть заполнены абразивными частицами. В любом

случае эти углубления имеют темный цвет.

В серых чугунах на нетравленых шлифах наблюдают включения (серые или

темные) графита. Оценку количества графитовых включений и характера их

распределения производят также по типовой шкале, установленной ГОСТ 3443-

77.

При изучении нетравленного микрошлифа литого материала часто

обнаруживается микропористость.

После просмотра нетравленого шлифа для более полного изучения структуры

сплава шлиф травят. Травление осуществляют несколькими способами, но чаще

всего методом избирательного растворения фаз. Этот метод основан на

различии физико-химических свойств отдельных фаз и пограничных участков

зерен. В результате различной интенсивности растворения создается рельеф

поверхности шлифа.

Если освещать шлиф падающим светом, то из-за присутствия косых лучей

образуются теневые картины, по которым можно судить о структуре сплава.

Этот метод позволяет установить структуру многофазных сплавов, а также

границы зерен в однофазных сплавах.

Для травления микрошлиф полированной стороной погружают в раствор на

некоторое время (до появления матовой поверхности), затем промывают водой и

спиртом и высушивают. Составы растворов для травления микрошлифов весьма

разнообразны и зависят от материала и цели исследования. Чаще всего для

исследования микроструктуры железоуглеродистых сплавов используют 2...4 %-

ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте.

5 КОЛИЧЕСТВЕННАЯ МЕТАЛЛОГРАФИЯ

Методы количественной металлографии необходимы для определения

характеристики многих важных особенностей структуры: величины

неметаллических включений или отдельных фаз, присутствующих в сплаве,

количества включений разных фаз сплава, величины зерна. Величина зерна

выявляется чаще всего после травления микрошлифов. Для определения размера

зерна сравнивают микроструктуру при увеличении в 100 раз со стандартными

шкалами [32].

Основной недостаток методики стандартных шкал - оценка условными

баллами и обусловленный этим ступенчатый, скачкообразный характер шкал. Для

получения более точных и надежных результатов те же параметры могут быть

оценены не визуально, а непосредственно измерены или подсчитаны под

микроскопом или на микрофотографии.

С этой целью используют методы стереометрической металлографии. В

частности, для определения фазового и структурного объемного состава сплава

используется линейный метод Розиваля. Этот метод основывается на принципе

Кавельери-Ноера, согласно которому измерение объемов тел можно заменить не

только измерением площадей, но и длин отрезков. Сущность линейного метода

заключается в том, что видимая в микроскоп структура, состоящая из любого

количества фаз или структурных составляющих, пересекается прямой линией.

Контуры сечений отдельных фаз или структурных составляющих рассекут эти

линии на отдельные отрезки.

Если раздельно просуммировать длины отрезков, попавших на каждую из фаз

или структурных составляющих сплава, и разделить суммы на общую длину

секущих линий, то полученные частные, согласно принципу Кавальери-Акера,

будут равны долям объема сплава, которые занимает каждая из этих фаз или

структурных составляющих.

8 ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ОБРАЗЦА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ

Для испытания образцов на герметичность необходимо стремиться к

сокращению времени, затрачиваемого на проведение опытов. Для этого

испытания целесообразно проводить при условиях, которые позволяют

обеспечить быстрое просачивание (10-15 минут) жидкости через образец.

Рис.8-1. Стандартная проба

Очевидно, чем меньше будет толщина стенки образца, тем быстрее через

него будет проникать жидкость. Следовательно, образец должен иметь

минимальную толщину. Но, с другой стороны, чем больше будет толщина стенки

образца, тем вернее будут показания герметичности. Таким образом,

необходимо провести ряд опытов с целью определения оптимальной толщины

стенки образца и установить зависимость ее от давления, при котором должно

происходить просачивание жидкости в сравнительно небольшой промежуток

времени. Для этой цели отлиты три стандартные пробы с размерами: диаметр -

30 мм, длина - 340 мм (рис.8-1) из чугунного лома следующего химического

состава:

С - 3.47 (;

Si - 1.18 (;

Mn - 0.54 (;

S - 0.083 (;

Р - 0.185 (.

Механические свойства: НВ = 220,

(изг = 33.5 кг/мм2,

fпр = 3.8 мм.

Из каждой пробы были выточены образцы с толщиной рабочей части

соответственно 0.5 ; 1.0; 1.5; 2.0; 2.5; 3.0 мм. Эти образцы подвергались

испытанию на герметичность по описанной методике.

С целью исключения случайных ошибок испытания образцов на герметичность

проводились дважды. При всех испытаниях проводился замер и фиксировалось

время, при которых происходило просачивание керосина (( = 1,18 (Е) по всей

контрольной поверхности образца. Опытами было установлено, что самое

минимальное количество просочившейся жидкости, которая наблюдается на

поверхности образца, составляет W ( 0.002 мл. Это количество жидкости в

дальнейшем использовалось для расчета герметичности чугуна.

Результаты испытаний герметичности чугунных образцов сведены в таблицу

8-1. Время просачивания керосина на контрольной поверхности образца

определялось с момента воздействия на него критического давления.

Таблица 8-1

| | |,Р,кг/см|жидкости,W|, см2 |мин. | |2 |

| | |2 |,см3 | | | | |

|1 |0.05 |15 |0.02 |1.5 |2 |18 |7200 |

|2 |0.05 |20 |0.02 |1.5 |2 |24 |9600 |

|3 |0.08 |25 |0.02 |1.5 |3 |48 |7500 |

|4 |0.1 |50 |0.02 |1.5 |2 |66 |6600 |

|5 |0.15 |70 |0.02 |1.5 |5 |160 |7100 |

|6 |0.15 |50 |0.02 |1.5 |7 |220 |9600 |

|7 |0.20 |100 |0.02 |1.5 |8 |520 |12600 |

|8 |0.20 |150 |0.02 |1.5 |5 |470 |10200 |

|9 |0.25 |400 |Просачивание не наблюдалось |

|10|0.25 |400 |Просачивание не наблюдалось |

|11|0.30 |400 |Просачивание не наблюдалось |

|12|0.30 |400 |Просачивание не наблюдалось |

[pic]

Рис.8-2

На рис.8-2 представлена кривая герметичности чугунных образцов в

зависимости от их толщины, построенная по данным таблицы 8-1.

В таблице 8-2 приведены результаты повторных испытаний чугунных

образцов на герметичность в зависимости от их толщины.

Таблица 8-2

| | |Р,кг/см2 |жидкости,|и, см2 |, мин.| |Г/см2 |

| | | |W,см3 | | | | |

|1 |0.06 |20 |0.02 |1.5 |2 |25 |7000 |

|2 |0.06 |15 |0.02 |1.5 |2 |19 |5200 |

|3 |0.1 |18 |0.02 |1.5 |1 |12 |1200 |

|4 |0.12 |30 |0.02 |1.5 |2 |38 |2700 |

|5 |0.12 |50 |0.02 |1.5 |2 |64 |4700 |

|6 |0.12 |50 |0.02 |1.5 |2 |64 |4700 |

|7 |0.16 |250 |0.02 |1.5 |1 |156 |6100 |

|8 |0.2 |150 |0.02 |1.5 |4 |390 |9900 |

|9 |0.25 |400 |Просачивание не наблюдалось |

|10|0.3 |400 |Просачивание не наблюдалось |

|11|0.3 |400 |Просачивание не наблюдалось |

|12|0.3 |400 |Просачивание не наблюдалось |

[pic]

Рис.8-3

На рис.8-3 представлена кривая герметичности чугуна в зависимости от

толщины стенки образца, построенная по данным таблицы 8-2.

Анализ экспериментальных данных, приведенных в таблицах 8-1 и 8-2,

показывает, что герметичность чугунных образцов очень быстро возрастает с

увеличением их величины.

Кривые на рисунках 8-2 и 8-3 построены по данным таблиц 8-1 и 8-2,

имеют вид квадратичной параболы. Это дает основание полагать, что

герметичность чугуна G является функцией от толщины стенки испытуемых

образцов в квадрате, т.е.

G = f((2).

(8-1)

Достоверность этого предположения также подтверждается удельной

герметичностью, которая была определена для исследуемых чугунов.

Расчетные данные удельной герметичности являются величиной почти одного

порядка. Это обстоятельство показывает, что удельная герметичность для

одной и той же марки чугуна должна, повидимому, являться величиной

постоянной, независящей от толщины стенки отливки.

В результате эксперимента установлено что, оптимальные размеры рабочей

части образца при испытании его на герметичность следует считать: толщина

стенки ( = 2 мм; диаметр рабочей части d = 1.4 см; площадь рабочей части w

= 1.5 см2.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ

ЧУГУНА

Экспериментальные исследования с целью изучения химического состава и

структуры чугуна на его герметические свойства состояли из опытных плавок,

проведенных на лабораторной индукционной печи с емкостью тигля 50 кг.

Опытные плавки отличались собой по химическому составу чугуна. Из каждой

опытной плавки отливались образцы и технологические пробы для определения

структуры, механических и герметических свойств чугуна. Состав шихты для

опытных плавок приведен в таблице 8-3:

Таблица 8-3

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6

МЕНЮ

Разработка модели технологического процесса получения ребристых труб и ее апробация