UDK 621.74 Литейное производство. Технология (способы) и оборудование
UDK 669-1 состояние металлов), вследствие чего не подразделяется как 62-1
The experimental procedure carried out on a test installation to determine the electrical resistance value in the process of crystallization of cast iron is presented. A scheme of a test installation using a measuring circuit based on the Wheatstone bridge circuit to determine the electrical resistance value of crystallized cast iron is given. Recording measured data over time allowed constructing a graphical dependence of the change in the values of specific electrical resistance during the crystallization of gray cast iron. Experimental data on changes in the values of the specific electrical conductivity of a sample of gray cast iron during crystallization and their relationship to the amount of supercooling of the melt of this alloy are presented. The obtained dependence made it possible to identify on the curve of specific electrical resistivity change under supercooling of cast-iron test sample those areas, which were exposed to the cast-iron melt supercooling. The ratio of the initial and final values of the electrical resistivity under supercooling of cast iron allowed calculating the values of the relative electrical resistivity. Measurements of cast iron strength have shown that they are functionally related to the value of the relative electrical resistivity of gray cast iron, determined by the degree of supercooling of the cast iron melt. The use of this method will make it possible to predict gray cast iron strength and will allow reducing the amount of castings defective in terms of mechanical properties and at the same time increasing foundry production profitability.
technological process, grey cast iron, crystallization, electrical resistance, supercooling value, relative electrical resistivity, elec-trographic method, cast iron strength
Технологические процессы получения серого чугуна имеют особенности связанные с тем, что химический состав этих чугунов рекомендуется при нормировании величин их прочности [1]. Прочность серого чугуна определяет марку, поэтому особенную актуальность приобретает решение вопроса контроля прочностных свойств чугуна, находящегося ещё в жидком состоянии.
При заданной температуре металлического расплава литейного сплава значение его электрического сопротивления Ɍ, используя определение [2, 3], можно описать уравнением: R = f (R1 R2 R3), где R1 ‒ электрическое сопротивление примесей в сплаве; R2 ‒ электрическое сопротивления центров кристаллизации; R3 ‒ электрическое сопротивление при заданной температуре.
Для определения величин электросопротивления R расплава чугуна использовали мостовую схему метода Уитстона [4]. Экспериментальная установка позволяла измерять величину R при переходе образца серого чугуна из жидкого в твёрдое состояние с точностью измерения 0,650 %. Данная установка с образцами чугуна диаметром 30 мм (рис. 1)
Установка состоит из: 1 – нижняя литейная полуформа; 2 – измерительная ячейка, выполненная из стержневой смеси; 3 – полость литейной формы для образца чугуна с диаметром 30 мм; 4 – стояк формы с чашей; 5 – полость литейной формы для вторых образцов серого чугуна; 6 – верхняя литейная полуформа. Для подвода к полости образца переменного электрического поля Uпер от звукового генератора (ЗГ-17) 7 использовали вольфрамовые электроды диаметром 8,0 мм. Со второй пары вольфрамовых электродов диаметром
6,0 мм марки ВА измеряемое напряжение Uизм с мостовой схемы 8 передавалось на потенциометр с автоматической записью показаний. Для определения температуры заливки чугуна в литейную форму применяли вольфрам-рениевую термопару 9 типа ВР-5/20.
Постоянную значений измерительной ячейки K потенциальных электродов 8 определяли по отношению расстояния между измерительными электродами Lизм (внутренние электроды ячейки с Uизм) и величины площади продольного сечения электродов S, т. е.
K =
(1)
Значения K при измерениях с помощью использованного датчика величин электрического сопротивления R металлического расплава в испытываемых образцах чугуна были одинаковы.
Величину R рассчитывали по формуле:
R = Rн
, (2)
где Rн – величина нормального сопротивления в мостовой схеме; Rк – значение сопротивления в мостовой схеме в момент компенсации величины Uизм; r – сопротивление постоянного плеча мостовой схемы.
Результаты экспериментов выявили, что во временном интервале от
1 до τ2 (рис. 2) наблюдается период переохлаждения чугуна, который характеризуется величиной
электросопротивления Rпер сплава. Значение Rпер определяется разностью величин R1 и R2 и зависит от степени переохлаждения чугуна, зависящей от уровня энергии необходимой для протекания процесса образования кристаллов твёрдой структуры в металлическом расплаве чугуна [5, 6].
По результатам экспериментов была построена графическая зависимость изменения величин предела прочности σв чугуна от относительного электросопротивления ∆R сплава (рис. 3).
В качестве параметра ∆R было использовано процентное отношение разности значений R1 и R2 к величине R1, т. е.
∆R =
Эта зависимость показала, что значения прочностных свойств серых чугунов повышаются при росте относительной величины сопротивления ∆R. Увеличение ∆R можно объяснить наличием примесей и количеством центров кристаллизации графита и первичного аустенита в жидком сплаве, влияющих на величину электрического сопротивления серого чугуна.
Как известно [6 – 8], процесс кристаллизации серого чугуна непосредственным образом влияет на образование структуры сплава, что определяет его физические свойства. Изменения условий процесса кристаллизации чугунов, определяемые величиной переохлаждения расплава чугуна [9, 10], приводят к изменению значений относительного электросопротивления ∆R, зависящих от количества токоносителей, примесей и состояния твёрдой фазы в кристаллизующимся сплаве. Повышении величины переохлаждения расплава приводит к росту количества центров кристаллизации в единице объёма расплава чугуна, что связано с увеличением ∆R. Такое повышение числа кристаллов сплава делает структуру чугуна более дисперсной с более высокими прочностными свойствами. Это даёт возможность по зависимости σв = f(∆R) определять прочностные свойства серых чугунов, находящихся ещё в жидком состоянии [11, 12].
Заключение
Таким образом, полученный на основе использованной методики, электрографический способ позволяет прогнозировать величину прочностных свойств серых чугунов. В условиях литейного производства возникает возможность по величине ∆R расплава чугуна определять его прочность и при несоответствии прочностных свойств заданным значениям провести специальные технологические операции для устранения этих отклонений. Применение данного способа контроля прочности сплавов позволит также тестировать в условиях конкретного технологического процесса получение литейного сплава заданной марки, что снизит процент брака чугунных отливок по механическим свойствам и увеличит рентабельность производства литой заготовки деталей для машиностроения.
1. Girshovich N.G. Crystallization and cast-iron properties in castings // Moscow: Mashinostroenie, 1966, 562 p.
2. Ershov G.S., Chernyakov V.A. Structure and properties of liquid and solid metals // Moscow: Metallurgiya, 1978. 248 p.
3. Vertman A.A., Samarin A.M. Properties of iron melts // Moscow: Nauka, 1969, 280 p.
4. Physico-chemical methods for the study of metallurgical processes // Filippov S.I., Arsentiev P.P., Yakovlev V.V. Krasheninnikov M.G. M.: Metallurgy,1968, 551 p
5. Kumanin I.B. Issues of theory of casting processes. Formation of castings during solidification and cooling of alloy // Moscow: Mashinostroenie, 1976, 216 p.
6. Liquid metals and their solidification // Collection of articles edited by B.Ya. Lyubov. Moscow: Metallurgizdat, 1962, 434 p.
7. Novikov V.Yu. Physical and mechanical properties of metals // Moscow: MISiS, 1976, 99 p.
8. Wilson D.R. The structure of liquid metals and alloys // Moscow: Metallurgiya, 1972, 245 p.
9. Regel A.R., Glazov V.M. Physical properties of electronic melts // Moscow: Nauka, 1980, 296 p.
10. Arsentiev P.P., Koledov L.A. Metallic melts and their properties // Moscow: Metallurgiya, 1972, 376 p.
11. Minenko G.N. Electrographic method of forecasting strength properties of cast steel and cast iron // Casting of Ukraine, 2021, No. 3, pp. 16-18.
12. Minenko G.N. The influence of graphitization on the specific electrical conductivity of gray cast iron // Metlurgy of mechanical engineering, 2022, No. 11, pp. 10-12.
