8. Обработка и анализ результатов исследований

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.
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:

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 (h = 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

№	толщина стенки,d,см	критическое давление,Р,кг/см2	кол-во просочившейся жидкости,W,см3		площадь рабочей поверхности, см2	время просачивания, мин.	герметичность, кЕГ	удельная герметичность,кЕГ/см2
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

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

№	толщина стенки,d,см	критическое давление, Р,кг/см2	кол-во просочившейся жидкости,W,см3	площадь рабочей поверхности, см2	время просачивания, мин.	герметичность, кЕГ	удельная герметичность,кЕГ/см2
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

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(d2).
(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 d = 2 мм; диаметр рабочей части d = 1.4 см; площадь рабочей части w = 1.5 см2.

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

№	Лом чугунный, %	Ферросилиций 75%, %	Присадка сурьмы, %
1	100	0.5	0.0
2	100	0.5	0.05
3	100	0.5	0.1
4	100	0.5	0.2
5	100	0.5	0.4
6	100	0.5	0.6
7	100	0.5	0.8
8	100	0.5	1.0

Получение сурьмянистого чугуна осуществляется путем введения небольшого количества металлической сурьмы на дно ковша с жидким металлом. Сурьма применяется как присадка при производстве антифрикционных чугунов [25] и способствует образованию в чугунах более плотной перлитной структуры, что должно способствовать повышению герметичности отливок.
Введение сурьмы в жидкий чугун протекает совершенно спокойно, без выброса металла, выделения газов, а так же не сопровождается световым и пиротехническим эффектом.
Температура плавления сурьмы 630 °С, температура кипения 1635 °С [6]. Т.к. температура кипения превышает температуру выпуска чугуна из индукционной печи, то испарение ее при введении в жидкий чугун не имеет места. Сурьма очень хрупкий металл и легко истирается в порошок. При обычной температуре сурьма на воздухе не окисляется, а при нагревании ее выше точки кипения сгорает с выделением белого дыма, состоящего из окислов сурьмы. Сурьма является очень хорошим антикоррозионным материалом.
Сурьма образует сплавы с большинством металлов, в том числе и с железом, образуя хрупкие соединения легко истирающиеся в порошок. Диаграмма состояния системы Fe - Sb приведена на рис.8-4 [25].
Из приведенной диаграммы состояния системы видно, что сурьма и железо в жидком состоянии полностью растворяются друг в друге образуя 2 химических соединения FeSb2 и Fe3Sb2. Температура плавления первого химического соединения равна 732 °С, а второго 1014. Железо в твердой сурьме не растворяется, а сурьма в твердом железе имеет ограниченную растворимость, до 5 % по весу. Сурьма сильно увеличивает интервал затвердевания твердого раствора. Один процент сурьмы понижает температуру начала затвердевания железа на 10.5 °С, а конец затвердевания на 105 °С [25].

Рис.8-4 . Структурная диаграмма состояния системы Fe-Sb
Известно, что при введении сурьмы в чугун температура выделения первичного аустенита и затвердевания эвтектики понижается.
Присадка сурьмы способствует стабилизации перлита и повышению твердости, сдвигает критическую точку S на диаграмме Fe - Sb влево [25].
Таблица 8-4

№	Химический состав, %
	Sb	C	Si	Mn	S	P
1	0.0	3.47	1.18	0.61	0.083	0.185
2	0.05	3.47	1.18	0.61	0.083	0.185
3	0.1	3.47	1.18	0.61	0.083	0.185
4	0.2	3.47	1.18	0.61	0.083	0.185
5	0.4	3.47	1.18	0.61	0.083	0.185
6	0.6	3.47	1.18	0.61	0.083	0.185
7	0.8	3.47	1.18	0.61	0.083	0.185
8	1.0	3.47	1.18	0.61	0.083	0.185

Простота получения сурьмянистого чугуна дает возможность производить его в любом литейном цехе без установки какого-либо дополнительного оборудования и без усложнения технологии литых деталей.
Для исследования структуры и свойств сурьмянистого чугуна, установления его оптимального химического состава, в литейной лаборатории были проведены опытные плавки, во время которых отливались образцы для механических испытаний, технологические пробы и опытные детали для производственных испытаний.
Химический состав исследуемых чугунов опытных плавок приведен в таблице 8-4.

МАКРОСТРУКТУРА СУРЬМЯНИСТОГО ЧУГУНА

Присадка сурьмы существенно изменяет характер излома чугуна. На фотографии (рис.8-5) представлен внешний вид изломов исходного чугуна. Данные образцы получены в результате опытных плавок.

Плавка велась в индукционной печи с машинным генератором.
Состав исходной шихты:
Практически 100 % машинного чугунного лома (тормозные колодки ж.д. вагонов). Модифицирование производилось в ковше емкостью 50 кг измельченным 75 % ферросилицием, который вводился на дно ковша, совместно с металлической сурьмой. Массы модификаторов соответственно: 75 % FeSi - 250 г, Sb - 0?1 % (от массы металла).
Температура выпуска 1410?1420 °С. Заливались стандартные образцы диаметром 30 мм из ковша емкостью 50 кг.
Были отлиты образцы следующего химического состава (по 3 на каждый состав) приведенного в таблице 8.4.
Описание макроструктуры исследуемых образцов (рис.8-5).
Образец 1 (рис.8-6).
Исходный чугун.
Излом темно-серый, рыхлый, рваный. В центре наблюдается увеличенная рыхлота к периферии образца макроструктура измельчается литейной корочки практически не видно, видимые раковины отсутствуют.
Образец 2 (рис.8-7).
При присадке сурьмы 0.05 % излом светлее чем у образца 1, зерно крупное но мельче чем у исходного металла, раковины отсутствуют, на периметре излом мелкозернистый прослеживается литейная корочка толщиной 0.5мм.
Образец 3 (рис.8-8).
На образце с присадкой Sb 0.1 % явных видимых изменений в макроструктуре нет. Излом более светлый и мелкозернистый по всему сечению, раковины отсутствуют. Поверхность излома менее рваная.
Образец 4 (рис.8-9).
При присадке Sb 0.2 % цвет излома более светлый и мелкозернистый. Макроструктура излома равномерная, рыхлоты отсутствуют.
Образец 5 (рис.8-10).
Содержание сурьмы 0.4 %.
Излом более светлый по сравнению с предыдущими образцами и более мелкозернистый, просматриваются более светлые блестящие включения в центре, на периферии имеется песочная раковина.
Образец 6 (рис.8-11).
Содержание сурьмы 0.6 %.
Излом по прежнему светло-серый и мелкозернистый по сравнению с предыдущими образцами. Рваностей на поверхности нет.
Образец 7 (рис.8-12).
Содержание сурьмы 0.8 %.
Излом более мелкозернистый и светлее - мышиный цвет. На периферии имеется засор.
Образец 8 (рис.8-13).
Содержание сурьмы 1.0 %.
Излом светло-серый очень мелкозернистый, зерно равномерно распределено по всему полю излома, на периферии находится тонкая отбеленная корка 0.1?0.2 мм.

МИКРОСТРУКТУРА СУРЬМЯНИСТОГО ЧУГУНА

Одновременно с резким изменением макроструктуры чугуна, присадка сурьмы оказывает значительное влияние и на его микроструктуру. введение незначительного количества сурьмы в чугун способствует измельчению перлита и образованию гнездообразного и точечного графита (рис. 8-14 ? 8-21).
С увеличением сурьмы в чугуне уменьшается количество и размеры пластинчатого графита, а так же количество феррита.
В чугунах с содержанием сурьмы 0.2 - 0.4 % уже полностью отсутствует свободный феррит и наряду с образовавшимся гнездообразным и точечным графитом присутствует и мелкий пластинчатый графит.
При содержании сурьмы в чугуне 0.6 - 1.0 % доля пластинчатого графита еще более уменьшается, а гнездобразного увеличивается.
Цементитные включения в сурьмянистых чугунах обнаруживаются обычно при содержании сурьмы более 1.0 %. Появление отдельных зерен цементита в структуре чугуна повышает его твердость.

ВЛИЯНИЕ СУРЬМЫ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ЧУГУНА

Описанные изменения структуры чугуна приводят к повышению его герметичности. Это происходит из-за появления перлитной структуры измельчения пластинчатого графита и образования точечного и гнездообразного графита, что исключает расклинивающее действие жидкости (из-за уменьшения количества концентраторов напряжения между кристаллами металлической матрицы).

Опытами установлено, что при присадке сурьмы 0.1 % и более на образце толщиной d = 2 мм при давлении 150 атм просачивание жидкости не наблюдается. На образцах без сурьмы просачивание жидкости при таком давлении имеет место.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СУРЬМЯНИСТОГО ЧУГУНА

Испытания механических свойств сурьмянистого чугуна производилось по стандартным методикам (ГОСТ 24812-81). В таблице 8.5 приведены механические свойства чугуна с присадкой сурьмы от 0.0 до 1.0 %. Образцы для испытаний имеют химический состав представленный в таблице 8.4.
Таблица 8.5

№	Sb, %	Механические свойства
		sизг, 10-7? Н/м2	sр, 10-7? Н/м2	sсж, 10-7? Н/м2	fпр, 10-3 м	HB
1	0.0	33.5	13.5	66.2	3.8	220
2	0.05	30.9	13.3	66.5	3.7	226
3	0.1	28.3	13.1	66.3	3.6	239
4	0.2	27.9	12.9	66.9	3.5	244
5	0.4	23.8	12.7	67.3	3.2	267
6	0.6	18.4	9.1	66.9	2.5	282
7	0.8	18.0	9.2	67.5	2.6	299
8	1.0	17.0	7.3	68.3	2.4	316

По данным таблицы 8.5 были построены кривые изменения механических свойств серого чугуна в зависимости от содержания сурьмы (рис.8-22 - 8-26).
Из приведенных кривых видно, что с повышением присадки сурьмы прочность при изгибе, прочность при растяжении и стрела прогиба понижаются, а прочность при сжатии практически не изменяется.
Твердость равномерно повышается и достигает 316 HB для чугунов с содержанием сурьмы 1.0 %.
Присадка сурьмы резко измельчает структуру чугуна и переводит свободный графит из пластинчатого состояния в гнездообразную и точечную форму. Отсюда, казалось бы, что механические свойства сурьмянистого чугуна в соответствии с существующими теоретическими положениями должны были бы повышаться.

Рис.8-22

Рис.8-23

Рис.8-24

Рис.8-25

Рис.8-26
Однако, сурьмянистых чугунах это не наблюдается. Несмотря на мелкозернистое строение и равномерное распределение свободного графита в виде гнезд или точек, механические показатели имеют ярко выраженную тенденцию с увеличением присадки сурьмы к снижению. Исключением являются прочность на сжатие и твердость. Понижение механических свойств сурьмянистых чугунов объясняется, повидимому тем, что феррит в этих чугунах получается твердым и хрупким в сравнении с ферритом в обычных серых чугунах.