Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

мерного распределения температур образуется различная кристаллическая структура на отдельных участках изде­ лия. Измерения скорости ультразвука в стальном прокате и никельхромовых сплавов могут достигать нескольких десятков и даже сотен метров в секунду.

На рис. 83 изображен ультразвуковой прибор «Кри­ сталл-1 », предназначенный для автоматического измере­ ния величины зерна в материале особо тонкостенных труб из коррозионностойких сталей. Прибор работает на основе метода определения величины зерна материала трубы по максимальным амплитудам импульсов ультра­ звуковых волн Лэмба, прошедших по материалу стенки трубы за время одного оборота. При обнаружении вели­ чины зерна больше или меньше нормы включается световая

(импеданса) контролируемого изделия от качества соеди­ нения отдельных его элементов между собой. Изменение входного импеданса контролируемого изделия может быть обнаружено по изменению амплитуды или фазы силы реак­ ции, оказываемой на датчик, возбуждающий в изделии упругие колебания, или по изменению собственной частоты датчика.

Импедансный метод предназначен для дефектоскопии клеевых соединений. Различия в физических свойствах как самих материалов, так и применяемых клеев создают значительные трудности в выявлении дефектов уже известными методами неразрушающего контроля. Тене­ вой, импульсный и резонансный методы для этой цели мо­ гут быть применены лишь частично. Импедансный метод применяется в тех случаях, когда требуется надежный стопроцентный контроль паяных и клеевых соединений, а также диффузионных соединений, например, плакиро­ ванные листы и прутки. Контроль может быть автомати­ зирован, при этом сканирование поверхности изделия осуществляется с помощью специального механизма, ® головке которого укреплен датчик, а показания индика­ тора записываются на электротермической бумаге. Киши­

242

невским заводом «Электроточприбор» изготовлен импе­ дансный акустический дефектоскоп ИАД-2, предназна­ ченный для контроля клеевых и паяных соединений в мно­ гослойных конструкциях. Прибор позволяет выявлять зоны нарушения соединений в конструкциях, имеющих сравнительно тонкую обшивку, приклеенную или при­ паянную к элементам жесткости (лонжероны, нервюры

ит. п.) или заполненителям (пенопласт, сотовый запол­ нитель и т. п.). С помощью дефектоскопа можно контро­ лировать качество соединений обшивки из материала со сравнительно высоким модулем упругости (металл, стеклотекстолит, дельта-древесина, некоторые пластмассы

ит. п.) с металлическими и неметаллическими элементами жесткости; возможен контроль изделий как с плоскими, так и с криволинейными поверхностями, вплоть до ра­ диусов кривизны порядка 5— 10 мм. При наиболее благо­ приятных условиях прибором могут быть выявлены де­ фекты размером в несколько миллиметров (в направлении минимальной протяженности). Контроль соединения производится только со стороны обшивки, с которой со­ прикасается датчик; при этом не требуется ни погружения контролируемых изделий в жидкость, ни смачивания поверхностей.

Техника контроля с помощью дефектоскопа ИАД-2 довольно проста и сводится к тому, что оператор устанав­ ливает датчик на контролируемое изделие и, слегка при­ жимая, водит концом датчика по этой поверхности, наблю­ дая за показаниями индикатора. Наличие дефекта в сое­ динении определяется по включению сигнальной лампочки,

11 кг. Для выявления дефектов клеевого соединения между обшивкой и заполнителем в клеевых сотовых панелях предназначена полуавтоматическая установка ПИ-2.

Вкомплект установки входят: сканирующее устройство

ссамописцем, электронная приставка самописца ПСК-1В

иимпедансный акустический дефектоскоп ИАД-2. Скани­ рующее устройство перемещает датчик по поверхности изделия по траектории, представляющей собой ряд отрез­ ков параллельных прямых. Результаты контроля запи­ сываются на электротермическую бумагу ЭТБ-2 в форме диаграммы, представляющей собой вид изделия в плане

идающей полное представление о количестве, размерах, форме и расположении выявленных дефектов. Кроме де­

243

фектов, которые видны в виде светлых пятен, на диаграмме фиксируется периодическая структура сотового запол­ нения. Дефекты отличаются от сот по размерам, форме и нарушению периодичности структуры записи. Примене­ ние полуавтомата ПИ-2 исключает возможные при ручном контроле субъективные обшивки и дает документ, позво­ ляющий объективно оценивать качество изделий любому должностному лицу. Максимальные размеры контроли­ руемого изделия 400X400 мм. Время, необходимое для контроля одного изделия с двух сторон, 1 0 мин, масштаб записи результатов контроля 1 : 1 , шаг перемещения датчика 2,5 мм, потребляемая мощность установки 0,5 кВа.

Метод свободных колебаний

Сущность метода свободных колебаний состоит в следую­ щем. Если твердое тело, представляющее собой механи­ ческую колебательную систему с определенными пара­ метрами, возбудить резким ударом, то в нем возникнут свободные колебания. Частота колебаний будет равна резонансной частоте данного тела. При этом возникшие собственные колебания будут постепенно затухать. Метод свободных колебаний — один из наиболее старых из всех методов дефектоскопии, использующий упругие колеба­ ния. Этим методом давно пользуются при проверке изде­ лий из стекла, фарфора, керамики и хрусталя. Слегка ударяя по изделию, по его звучанию можно определить, есть в нем трещина или нет. Изменение тона звучания свидетельствует о том, что имеется дефект. Безусловно, такая проверка носит субъективный характер, однако опытный контролер 'может безошибочно обнаружить де­ фект. Для того чтобы метод свободных колебаний можно было применять в производственных процессах, нужно исключить его основной недостаток — субъективность. Нужно, чтобы анализ частотного спектра производился прибором, а не на слух.

Прибор, основанный на методе свободных колебаний, действует следующим образом. Блок датчика, укрепленный на якоре электромагнита, ударяет по поверхности контро­ лируемого изделия, возбуждая в изделии свободные коле­ бания. Микрофон, установленный на поверхности изде­ лия на некотором расстоянии от датчика, воспринимает эти колебания и передает электрические сигналы на уси­ литель. Усиленные сигналы поступают на индикатор.

244

Г л а в а VIII УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА

МЕТАЛЛОВ

Наличие в металлах и их сплавах ничтожного количества (сотых и даже тысячных долей процента) газовых и не­ металлических примесей снижает прочность и пластич­ ность металлов, а это делает его более хрупким и менее пригодным к деформированию (прокату, штамповке и т. п.). Кроме того, повышенное содержание газа в жидком металле приводит к браку отливок и деталей.

Большинство пороков отливки и слитка возникает в процессе плавки металла и его затвердевания. Для очистки металлов и сплавов от нежелательных примесей газов, окислов, никридов и других неметаллических включений применяют ряд технологических операций, объединяемых общим понятием — рафинирование метал­ лов. Важным средством повышения качества металла является модифицирование (измельчение) литой струк­ туры. Для модифицирования в расплавленный металл добавляют небольшие количества переходных металлов, образующих с основным металлом соединения, которые служат дополнительными центрами кристаллизации. Для измельчения структуры в расплавленный металл можно ввести поверхностно-активные добавки, которые, соби­ раясь на гранях кристаллов, препятствуют их росту, а следовательно, измельчают структуру. Процессы рафини­ рования и модифицирования можно ускорить и объеди­ нить. Этого можно добиться с помощью ультразвуковых колебаний, вводимых в расплавленный металл.

Из физических явлений, сопровождающих распростра­ нение мощных ультразвуковых колебаний в расплаве, необходимо отметить кавитацию. Наличие в расплавах полостей и инородных твердых примесей облегчает обра­ зование кавитационных зародышей в ультразвуковом поле. При обработке ультразвуком с амплитудой звуко­ вого давления в 10 А оптимальными являются полости 10—50 мкм. В реальных условиях расплав может не иметь

246

таких полостей, однако установлено, что в 1 см3 расплав­

Явление кавитации, развиваемое в расплаве в резуль­ тате ультразвуковой обработки, приводит к созданию ряда вторичных явлений, оказывающих на расплав силь­ ное действие. К ним относится прежде всего дегазация и диспергирование [160].

Промышленное применение ультразвука при обработке жидких металлов и сплавов началось в пятидесятых го­ дах. Различают несколько методов ультразвуковой обра­ ботки расплава: снизу, сверху, в промежуточном объеме, при непрерывном и полунепрерывном литье в лунку.

При обработке расплава снизу (рис. 84, а) воздействие ультразвука начинается сразу, как только металл коснется поверхности излучателя. По мере поступления расплава ультразвуковые колебания будут распространяться по всему объему жидкого металла. Обработка ультразвуко­ вого металла сверху (рис. 84, б) позволяет измельчить первые порции расплава, когда затвердевание происходит быстро, а уровень металла в изложнице еще не достиг излучателя. Ультразвуковая обработка расплава в про­ межуточном объеме (рис. 84, е) отличается тем, что могут быть использованы сравнительно небольшие мощности ультразвукового излучения. Однако при этом методе возникает необходимость в значительном снижении тем­ пературы литья и уменьшении скорости разливки, что может привести к расслоению слитка. Наиболее приемле-

Рис. 84. Различные методы введения ультразвуковых колебаний в расплав:

а — снизу; б — сверху; в — в промежуточном объеме; г^—>при непрерыв­ ном или полунепрерывном разливе

247

мым методом ультразвуковой обработки металла считается метод при непрерывном и полунепрерывном литье в лунку (рис. 84, г). При этом ультразвуковые колебания могут быть всегда переданы в жидкую фазу, температура кото­ рой лишь на 10—20° С выше температуры ликвидуса. Кроме того, распространение ультразвуковых колебаний переходит из жидкой фазы в твердо-жидкую и даже очень незначительно — в твердую фазу [1] и [179].

В ультразвуковой обработке металлов наметилось два пути рационального использования ультразвуковой энер­ гии в процессе формирования структуры и свойств от­ ливки: обработка расплава и обработка кристаллизую­ щейся отливки. Наилучшие результаты можно получить при суммарном последовательном воздействии ультра­ звуковых колебаний на расплавленный и кристаллизую­ щийся металл.

Практически в металлургии ультразвук сейчас при­ меняется в следующих процессах: обогащение руд, де­ газация сплавов, кристаллизация сплавов, фасонное литье, литье слитков, пластическая деформация, терми­ ческая обработка, повышение прочности металлов, сверх­ тонкое измельчение порошков, прессование металли­ ческих порошков, создание новых (композитных) мате­ риалов и др.

Дегазация металлов и сплавов под действием ультразвука

Многие металлы и сплавы в процессе плавления и литья активно взаимодействуют с газами окружающей и печной атмосферы. Если газ (в виде пузырьков) в про­ цессе кристаллизации сплава не успевает выйти на его поверхность, то он остается в нем, образуя газовую по­ ристость и раковины. Химические соединения газов с ме­ таллами являются источником образования в сплавах твердых неметаллических примесей. Часть примесей по­ падает в металл в процессе самой плавки, а часть вносится в расплав с шихтой. В металлах и сплавах газы могут на­ ходиться в трех формах; газовые включения в трещинах, порах и раковинах; газы в состоянии твердого раствора; газы в виде твердых включений (окисей, нитридов, суль­ фидов и карбидов).

Алюминий и его сплавы более всего склонны к взаимо­ действию с газами, что можно объяснить повышенной хи­

248

мической активностью алюминия. Известно, что из всех газов, находящихся в расплавленном алюминии и его спла­ вах, основной объем (до 80%) приходится на долю водо­ рода, поэтому, вопросу удаления водорода из алюм.иниевых сплавов (дегазации) уделяется большое внимание.

Основными факторами, влияющими на растворимость газов в металлах, являются температура и давление. Ультразвуковые колебания, распространяясь в жидком алюминии и его сплавах, создают в расплаве поле пере­ менного по величине и знаку давления. Растворимость при данной температуре можно определить по формуле

5 = kV P ,

где 5 — растворимость газа; Р — давление 0,1 Мн/м2 (ат); k — коэффициент пропорциональности, зависящий от температуры для каждого данного металла.

Проведенные эксперименты показывают, что макси­ мально возможное количество газа равно 0,4—0,5 см3 на 100 г расплава, что соизмеримо с пределом растворимости водорода в температурном интервале 700—850° С. При таких температурах газ может полностью или в значи­ тельной степени находиться в расплаве. С понижением температуры в результате уменьшения растворимости большая часть газа, содержащегося в расплаве, будет переходить в состояние пересыщения. Следовательно, при плавке и литье нужно учитывать оба состояния во­ дорода, так как в образовании пористости будет участво­ вать водород, находящийся при температурах литья в атомарном и молекулярном состояниях. При этом соот­ ношение между обеими формами водорода определяется количеством газа в металле при данной температуре и его относительным пересыщением 1179].

Разработанный новый технологический процесс дега­ зации алюминиевых сплавов с воздействием ультразвука позволяет резко снизить содержание водорода до 0,07 см3 на 100 г расплава и получать отливки повышенного ка­ чества. Воздействие ультразвуковых колебаний на форми­ рование структуры сплавов, а также на снижение содер­ жания водорода обеспечило соответственно и значитель­ ное повышение механических свойств, в частности, предела прочности на 15—20%. Улучшение структуры и свойств алюминиевых сплавов позволяет резко сократить брак по пористости, герметичности, неметаллическим включе­ ниям и механическим свойствам. Эффективность любого