Способ отсортировки отливок из ковкого чугуна

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОТСОРТИРОВКИ ОТЛИВОК ИЗ КОВКОГО ЧУГУНА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Сандомирский Сергей Григорьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Способ отсортировки отливок из ковкого чугуна, в котором каждую контролируемую отливку бесконтактно намагничивают в открытой магнитной цепи при свободном падении сквозь область действия намагничивающего поля постоянной напряженности, преобразуют в электрический сигнал изменение индукции, вызванное движением отливки за пределами области действия поля, выделяют из преобразованного сигнала импульс одной полярности, интегрируют его, сравнивают результаты интегрирования для каждой отливки с заранее заданным первым пороговым значением, затем отсортировывают от отливок из серого чугуна отливки из белого чугуна, для которых результат интегрирования превышает первое пороговое значение, и отправляют их на отжиг, а после отжига намагничивают каждую отливку аналогично предыдущему разу, преобразуют в электрический сигнал изменение индукции, вызванное движением отливки за пределами области действия поля,выделяют из преобразованного сигнала импульс одной полярности, интегрируют его, сравнивают результаты интегрирования для каждой отливки с заранее заданным вторым пороговым значением, и те отливки, для которых результат интегрирования оказывается меньше второго порогового значения, отсортировывают как отливки из ковкого чугуна. 12438 1 2009.10.30 Изобретение относится к области сортировки материалов по результату измерения их магнитных свойств. Известен способ отсортировки отливок из ковкого чугуна 1, заключающийся в том,что каждую отливку после отжига бесконтактно намагничивают в открытой магнитной цепи при свободном падении сквозь область с намагничивающим полем постоянной напряженности, измеряют величину Ф остаточного магнитного потока в отливке при ее движении сквозь область, где намагничивающее поле отсутствует, путем интегрирования полуволны сигнала индукционного измерительного преобразователя, сравнении результата измерения с предварительно установленным порогом годности отливки по Ф и отбраковки отливок, Ф которых превышает установленный порог годности. Известный способ обеспечивает отсортировку отливок, содержащих участки или зоны со структурой белого чугуна, от отливок со структурой ковкого чугуна. Возможна также сортировка отливок со структурой ковкого чугуна по соотношению феррита и перлита в металлической матрице отливки. Недостаток известного способа в низкой достоверности сортировки отливок из ковкого чугуна по структуре, обусловленной тем, что он не обеспечивает отсортировку отливок со структурой ферритного серого чугуна от отливок из ковкого чугуна с ферритоперлитной структурой, так как Ф в таких отливках при сортировке известным способом одинаков. Попадая в эксплуатацию, отливки со структурой серого чугуна при ударном механическом воздействии катастрофически разрушаются, что приводит к тяжелым последствиям. Известен способ отсортировки отливок из ковкого чугуна 2, заключающийся в том,что контролируемое изделие намагничивают перед отпуском, а после него определяют остаточную намагниченность. Недостаток известного способа в низкой достоверности сортировки отливок из ковкого чугуна по структуре, обусловленной тем, что структура отливки определяется химическим составом отливки, скоростью охлаждения отливки из жидкого состояния, длительностью и температурой отжига, которая в соответствии с технологией в течение длительного времени превышает температуру Кюри железоуглеродистых сплавов. Кроме того, отжиг осуществляется в специальных емкостях(горшках) одновременно для большого количества отливок. Предотвратить магнитное и механическое взаимодействие намагниченных отливок друг с другом и стенками емкости невозможно. Результаты такого неконтролируемого взаимодействия также снижают достоверность сортировки известным способом. Известен способ отсортировки отливок из ковкого чугуна 3, заключающийся в том,что намагничивание изделий осуществляют в постоянном магнитном поле в процессе закалки и дважды измеряют остаточную намагниченность в изделии сначала после закалки,затем в конце изотермической выдержки при отпуске перед охлаждением отпущенного изделия, и по результатам этих измерений определяют соответственно качество закалки и качество отпуска изделия. Недостаток известного способа в низкой достоверности сортировки отливок из ковкого чугуна по структуре, обусловленной тем, что структура отливки определяется химическим составом, скоростью охлаждения из жидкого состояния, температурой и длительностью отжига. Намагнитить каждую из тысяч одновременно затвердевающих в специальных земляных формах (изложницах) отливок магнитным полем одинаковой напряженности технически невозможно. Кроме того, отжиг отливок осуществляется при температуре, превышающей температуру Кюри железоуглеродистых сплавов,в специальных емкостях одновременно для большого количества отливок. Предотвратить магнитное и механическое взаимодействие намагниченных отливок друг с другом и стенками емкости невозможно. Результаты такого неконтролируемого взаимодействия также снижают достоверность сортировки отливок известным способом. Из известных наиболее близким по технической сущности является способ отсортировки отливок из ковкого чугуна 4, заключающийся в том, что сортируемую отливку после отжига намагничивают в магнитном поле, преобразуют в электрический сигнал 2 12438 1 2009.10.30 изменение индукции в процессе намагничивания отливки, при отсутствии намагничивающего поля преобразуют изменение индукции, вызванное движением отливки вне намагничивающего поля в электрический сигнал, выделяют из полученных сигналов импульсы одной полярности, интегрируют их, сравнивают результаты интегрирования с предварительно установленными пороговыми значениями и в годные допускают отливки,результаты интегрирования у которых меньше установленных пороговых значений. Результаты сортировки не зависят от вариаций скорости движения отливок. Это позволяет сортировать отливки с высокой точностью и производительностью. Известный способ обеспечивает отсортировку отливок со структурой ковкого чугуна от отливок, содержащих участки или зоны со структурой белого чугуна. Возможна также сортировка отливок со структурой ковкого чугуна по соотношению феррита и перлита в металлической матрице отливки. Использование для сортировки отливок, наряду с результатом измерения Ф в отливке (интеграл от однополярного импульса напряжения, индуцированного изменением индукции в области за намагничивающим полем, вызванным движением отливки),результатов измерения магнитного параметра, пропорционального максимальному магнитному потоку ФМ в отливке в процессе намагничивания (интеграл от однополярного импульса напряжения, индуцированного изменением индукции в области с намагничивающим полем, вызванным движением отливки), повышает достоверность сортировки. Недостаток известного способа в том, что он не обеспечивает отсортировку отливок со структурой ферритного серого чугуна от отливок из ковкого чугуна с ферритоперлитной структурой, так как Ф в таких отливках при сортировке известным способом практически одинаков. ФМ в таких отливках также практически одинаков, так как при намагничивании в разомкнутой магнитной цепи отливок с большим коэффициентом размагничивания ФМ практически определяется только размерами, а не структурой отливок. Попадая в эксплуатацию, отливки со структурой ферритного серого чугуна при ударном механическом воздействии катастрофически разрушаются, что приводит к тяжелым последствиям. Задачей изобретения является повышение достоверности сортировки отливок из ковкого чугуна путем обеспечения отсортировки отливок со структурой ферритного серого чугуна от отливок из ковкого чугуна с феррито-перлитной структурой. Задача решена в способе отсортировки отливок из ковкого чугуна, в котором каждую контролируемую отливку бесконтактно намагничивают в открытой магнитной цепи при свободном падении сквозь область действия намагничивающего поля постоянной напряженности, преобразуют в электрический сигнал изменение индукции, вызванное движением отливки за пределами области действия поля, выделяют из преобразованного сигнала импульс одной полярности, интегрируют его, сравнивают результаты интегрирования для каждой отливки с заранее заданным первым пороговым значением, затем отсортировывают от отливок из серого чугуна отливки из белого чугуна, для которых результат интегрирования превышает первое пороговое значение, и отправляют их на отжиг, а после отжига намагничивают каждую отливку аналогично предыдущему разу, преобразуют в электрический сигнал изменение индукции, вызванное движением отливки за пределами области действия поля, выделяют из преобразованного сигнала импульс одной полярности, интегрируют его, сравнивают результаты интегрирования для каждой отливки с заранее заданным вторым пороговым значением, и те отливки, для которых результат интегрирования оказывается меньше второго порогового значения, отсортировывают как отливки из ковкого чугуна. Повышение достоверности сортировки отливок из ковкого чугуна достигается благодаря тому, что предложенный способ не только обеспечивает отсортировку отливок, содержащих участки или зоны со структурой белого чугуна, от отливок со структурой ковкого чугуна, но и обеспечивает отсортировку отливок со структурой ферритного серого чугуна от отливок из ковкого чугуна с феррито-перлитной структурой. Тем самым пре 3 12438 1 2009.10.30 дотвращается катастрофическое разрушение отливок при ударной нагрузке в процессе эксплуатации. Возможность сортировки отливок со структурой ковкого чугуна по соотношению феррита и перлита в металлической матрице отливки при использовании предложенного способа также сохраняется. Предложенное изобретение поясняется следующими фигурами. На фиг. 1 представлена функциональная схема сортировки отливок в соответствии с предложенным способом. На фиг. 2 представлены фотографии изломов отливок ниппель 11/4 с различным соотношением серого и белого чугуна перед отжигом. Цифры (Ф в мкВб) соответствуют результатам интегрирования однополярных импульсов напряжения, индуцированных отливками при сортировке по предложенному способу (до их разрушения для получения фотографий изломов). На фиг. 3 представлена взаимосвязь между содержанием феррита в отливке типа ниппель 11/4 после отжига с результатами (Ф в мкВб) интегрирования однополярных импульсов напряжения, индуцированных отливками при сортировке в соответствии с предложенным способом. Устройство, реализующее способ, содержит (фиг. 1) первую 1 и вторую 2 направляющие, первую 3 и вторую 4 намагничивающие катушки, охватывающие соответственно первую 1 и вторую 2 направляющие и подключенные к источнику 5 постоянного тока,первую 6 и вторую 7 измерительные катушки, охватывающие соответственно первую 1 и вторую 2 направляющие, расположенные за намагничивающими катушками 3 и 4 по ходу движения сортируемых изделий и подключенные к блоку 8 измерения и сравнения, который подключен к первому 9 и второму 10 исполнительным механизмам. Позициями 11-14 обозначены соответственно первый - четвертый накопительные бункеры, позицией 15, 15/ сортируемые отливки соответственно до и после отжига, 16 - разливочный ковш, 17 - изложница, 18 - печь для отжига. Реализуется предложенный способ следующим образом. Сортируемые отливки 15 после затвердевания и остывания из изложниц 17 поштучно(загрузочным устройством или оператором) подаются в первую направляющую 1. На пути движения сортируемых отливок 15 вдоль первой направляющей 1 первая намагничивающая катушка 3 создает магнитное поле, в котором отливка 15 намагничивается и движется дальше в намагниченном состоянии. В процессе своего движения вдоль первой направляющей 1 намагниченная отливка 15 выходит из зоны действия магнитного поля первой намагничивающей катушки 3 и проходит через первую измерительную катушку 6. Изменение индукции в зоне расположения первой измерительной катушки 6, вызванное движением намагниченной отливки 15, индуцирует на ее выходе электрический сигнал(биполярный импульс напряжения). Этот сигнал поступает на первый вход блока 8 измерения и сравнения, который выделяет из поступившего сигнала однополярный импульс напряжения, интегрирует его (результат интегрирования пропорционален остаточному магнитному потоку Ф в отливке 15) и сравнивает результат интегрирования с наперед заданным первым пороговым значением. Если результат интегрирования меньше первого порогового значения, сортируемая отливка 15 первым исполнительным механизмом 9 направляется в первый накопительный бункер 11, отливки из которого направляются на переплавку (условно - в разливочный ковш 16). Если результат интегрирования больше или равен первому пороговому значению, сортируемая отливка 15 первым исполнительным механизмом 9 направляется во второй накопительный бункер 12, отливки из которого направляются в печь 18 для отжига. После отжига и остывания отливок отливки 15/ из печи 18 для отжига поштучно (загрузочным устройством или оператором) подаются во вторую направляющую 2. На пути движения сортируемых отливок 15/ вдоль второй направляющей 2 вторая намагничивающая катушка 4 создает магнитное поле, в котором отливка 15/ намагничивается и движется дальше в намагниченном состоянии. В процессе движения 4 12438 1 2009.10.30 вдоль второй направляющей 2 намагниченная отливка 15/ выходит из зоны действия магнитного поля второй намагничивающей катушки 4 и проходит через вторую измерительную катушку 7. Изменение индукции в зоне расположения второй измерительной катушки 7, вызванное движением намагниченной отливки 15/, индуцирует на ее выходе электрический сигнал (биполярный импульс напряжения). Этот сигнал поступает на второй вход блока 8 измерения и сравнения, который выделяет из поступившего сигнала однополярный импульс напряжения, интегрирует его (результат интегрирования пропорционален Ф в отливке 15/) и сравнивает результат интегрирования с наперед заданным вторым пороговым значением. Если результат интегрирования меньше или равен второму пороговому значению, сортируемая отливка 15/ вторым исполнительным механизмом 10 направляется в третий накопительный бункер 13, отливки из которого направляются на механическую обработку и в эксплуатацию. Если результат интегрирования больше второго порогового значения, сортируемая отливка 15/ вторым исполнительным механизмом 10 направляется в четвертый накопительный бункер 14, отливки из которого направляются в печь 18 для повторного отжига. Сущность предложенного способа в следующем. Промышленные чугуны являются многокомпонентными железными сплавами с содержанием углерода более 2,14 . Если при затвердевании жидкая фаза полностью переходит в смесь аустенита (твердый раствор углерода в -железе с предельной растворимостью углерода 2,14 ) и графита, чугун называют серым - по цвету излома,определяемому наличием темных кристаллов графита. В сером чугуне углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графитовых включений. Если образование графита исключается, то формируется смесь аустенита и цементита (химическое соединение железа с углеродом - карбид железа 3 с содержанием углерода 6,67 ) и чугун называется белым - по цвету светлых кристаллов цементита на изломе. Белый чугун вследствие присутствия в нем цементита обладает высокой твердостью, хрупок и практически не поддается обработке резанием. Эти структуры чугуна могут образовываться в одной отливке в зависимости от условий охлаждения различных ее участков - ускоренно охлажденная зона имеет структуру белого чугуна, медленно охлажденная - серого. Ковкий чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна. На первой стадии отжига (при 950-970 С) в результате распада цементита диффузионным путем происходит образование хлопьевидного графита. Затем отливки охлаждают до температур 720-760 С (при этом происходит выделение из аустенита вторичного цементита, его распад и рост графитных 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. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность металлической основы чугуна. Ферритные ковкие чугуны используют для изготовления деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках. Благодаря высокой пластичности и низкой твердости ферритному ковкому чугуну в наибольшей степени свойственна хорошая обрабатываемость резанием. При нарушении химического состава или скорости охлаждения отливки в ее сердцевине или во всем сечении образуется пластинчатый графит. Отжиг чугуна с такой структурой не приводит к появлению в отливке структуры ковкого чугуна. Чугун остается, как и был до отжига, серым. Эффективность предложенного способа иллюстрируется примером его реализации для сортировки отливок изделий типа ниппель 11/4, отливка которого представляет собой полый цилиндр длиной 30 или 25 мм, наружным диаметром 43 мм и толщиной стенки 7 мм. В соответствии с предложенным способом, после затвердевания и остывания отли 5 12438 1 2009.10.30 вок перед отжигом каждую отливку (фиг. 1) бесконтактно намагничивают в открытой магнитной цепи при свободном падении сквозь область с намагничивающим полем постоянной напряженности, преобразуют в электрический сигнал изменение индукции, вызванное движением отливки в отсутствие этого намагничивающего поля, выделяют из преобразованного сигнала импульс одной полярности, интегрируют его, сравнивают результаты интегрирования (пропорциональные остаточному магнитному потоку Ф в отливке) с предварительно установленным первым пороговым значением и на отжиг допускают отливки, результат интегрирования у которых превышает установленное первое пороговое значение. Как показали проведенные исследования (фиг. 2), после намагничивания в соответствии с предложенным способом Ф в отливке со структурой серого чугуна в 2,27 раза меньше, чем Ф в отливке со структурой белого чугуна (изломы отливок с Ф, равном 22 и 50 мкВб на фиг. 2). Отливки, содержащие в своем объеме включения со структурой серого чугуна сверх заданного предела, также могут быть отсортированы по результату измерения Ф в отливке, полученному в соответствии с предложенным способом. В условиях эксперимента, результаты которого представлены на фиг. 2(напряженность намагничивающего поля составляла 46 кА/м, длина отливок 25 мм), первым пороговым значением для сортировки изделий ниппель 11/4 выбрано значение Ф 46 мкВб. Отливки, у которых Ф 46 мкВб, допускаются на отжиг. Отливки, у которых Ф 46 мкВб, не допускаются на отжиг, а направляются на переплавку (фиг. 1). Дополнительным положительным эффектом заявленного способа является снижение энергетических затрат на получение отливок со структурой ковкого чугуна за счет того,что на операцию длительного отжига допускаются только отливки со структурой белого чугуна. Отливки со структурой серого чугуна, из которых даже при благоприятных условиях отжига не могут получиться отливки со структурой ковкого чугуна, не подвергаются отжигу (не занимают место в печи 18 для отжига), а сразу направляются на переплавку(фиг. 1). Таким образом, в соответствии с предложенным способом, на отжиг гарантировано попадают только отливки со структурой белого чугуна. После отжига в соответствии с предложенным способом каждую отливку бесконтактно намагничивают в открытой магнитной цепи при свободном падении сквозь область с намагничивающим полем постоянной напряженности, при отсутствии намагничивающего поля преобразуют изменение индукции, вызванное движением отливки, в электрический сигнал, выделяют из преобразованного сигнала импульс одной полярности, интегрируют его, сравнивают результаты интегрирования (пропорциональные остаточному магнитному потоку Ф в отливке) с предварительно установленным вторым пороговым значением и на механическую обработку и в эксплуатацию допускают отливки, результат интегрирования у которых меньше установленного второго порогового значения. Второе пороговое значение Ф в отливке в этом случае в соответствии с предложенным способом устанавливают в зависимости(фиг. 3) от допустимого содержания перлита в структуре металлической матрицы отливки. В условиях эксперимента, результаты которого представлены на фиг. 3 (напряженность намагничивающего поля составляла 46 кА/м, длина отливок 30 мм), вторым пороговым значением для сортировки изделий ниппель 11/4 выбрано значение Ф 13 мкВб. Отливки, у которых Ф 13 мкВб, допускаются на механическую обработку и последующую эксплуатацию. Структура таких отливок гарантировано соответствует структуре ковкого чугуна (графит в форме хлопьевидных включений), а в металлической матрице таких отливок феррит составляет не менее 80 . Отливки, у которых Ф 13 мкВб, не допускаются на механическую обработку и в эксплуатацию, а направляются на дополнительный отжиг (фиг. 1), который может позволить получить отливку со структурой ферритного ковкого чугуна, которая после сортировки в соответствии с предложенным способом будет направлена на механическую обработку и в эксплуатацию. Таким образом, предложенный способ гарантирует попадание в эксплуатацию только отливок со структурой 6 12438 1 2009.10.30 ковкого чугуна. Отливки со структурой ферритного серого чугуна, которые хорошо механически обрабатываются, но могут разрушиться при ударной механической нагрузке, не попадают в эксплуатацию. Содержание перлита в металлической матрице отливки регулируется увеличением или уменьшением второго порога разбраковки. Так, например (фиг. 3), значение второго порога разбраковки 13 мкВб обеспечивает в отливках ниппель 11/4 содержание перлита в металлической матрице не более 20 . Недостаточно отожженные отливки (содержащие участки белого чугуна - отбел) и отливки из перлитного серого чугуна, даже если они попадают на отжиг, при применении предложенного способа отсортировываются вторым исполнительным механизмом 10 и не попадают на механическую обработку и в эксплуатацию, так как Ф в таких отливках больше второго порога разбраковки, установленного для допустимого содержания перлита в металлической матрице отливок со структурой ковкого чугуна. Отливки из ферритного серого чугуна при применении предложенного способа гарантированно отсортировываются первым исполнительным механизмом 9 и не попадают на отжиг и в последующую эксплуатацию, так как остаточный магнитный поток в таких отливках намного меньше (фиг. 2) первого порога разбраковки. При применении известного способа такие отливки не могли быть отсортированы, так как остаточный магнитный поток в таких отливках после отжига оказывался меньше порога разбраковки, установленного для допустимого содержания перлита в металлической матрице отливок со структурой ковкого чугуна. Таким образом, применение предложенного способа обеспечивает повышение достоверности сортировки отливок из ковкого чугуна по структуре, предотвращает неизбежные катастрофические разрушения отливок со структурой серого чугуна при ударных нагрузках в эксплуатации. Источники информации 1. Сандомирский С.Г. Возможности и ограничения магнитного контроля структуры чугунных отливок (обзор) // Литье и металлургия.- 2006.-2(38).- Ч.1.- С. 118-123. 2.800867, МПК 01 27/80, 1981. 3.1392483 А 1, МПК 01 27/80, 1988. 4.1078310 А, МПК 01 27/90, 1984 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8