4.4. Достоинства технологии осптс

Основным преимуществом, является прекрасная жидкотекучесть сплавов в полутвердом состоянии. Плавное заполнение формы без захвата воздуха и низкая усадочная пористость позволяет получать монолитные детали, включая зоны с тонкими переходами и стенками. Это позволяет проводить последующую термообработку и, соответственно, использовать в процессе термоупрочняемые сплавы. Кроме того, обработка сплавов в полутвердом состоянии происходит при значительно меньших температурах, что снижает общие энергозатраты производства. Нагрев до полутвердого состояния расплава позволяет потреблять на 65% энергии меньше по сравнению с традиционными технологиями изготовления такой же детали.

Пониженные температуры в процессе производства деталей снижают воздействие термошока на материалы оснастки и увеличивают ее срок службы. Пониженная усадка при затвердевании дает возможность получить размеры изделия, близкие к размерам формы. Качество поверхности детали не требует дальнейшей механической обработки, что существенно сокращает общие затраты производства. Глобулярная микроструктура пластические характеристики изделий, а качество поверхности полученной соответствует требованиям для нанесения покрытий.

Все эти несомненные преимущества технологии полутвердой формовки основаны, прежде всего, на уникальных реологических свойствах сплавов в полутвердом состоянии с недендритной глобулярной структурой.

5.Металлургическая экспертиза

5.1 Инструменты и методы

Анализатор изображения Thixomet

На базе кафедры «Стали и сплавы» Санкт-Петербургского государ­ственного политехнического университета работает лаборатория ме­таллургической экспертизы.

Рисунок 105

В лаборатории разработан анализатор изображения Thixomet для панорамных исследований структуры материалов, позволяющий преодолевать основную проблему классической металлографии: ви­деть много, но с высоким разрешением. Панорамное изображение формируется прецизионной склейкой «на лету» смежных полей зре­ния: пока предметный столик перемещается на соседнее поле зре­ния, предыдущее поле «пиксель в пиксель» стыкуется к полю, захва­ченному накануне. Так формируется панорамное изображение струк­туры сколь угодно большой площади, но с высоким разрешением, поэтому на панораме виден не только макродефект, но и все детали микроструктуры в его окрестности, которые послужили причиной его возникновения.

Рисунок 106

Панорамные исследования послужили основой для разработки первых отечественных стандартов по оценке загрязненности стали не­металлическими включениями и полосчатости структуры, основанных на стереологических измерениях, выполняемых с помощью анализато­ра изображения Thixomet. Эти стандарты - первая реальная попытка привести в соответствие отечественные и зарубежные нормативные до­кументы по оценке качества структуры материалов. Сотрудники лабора­тории - авторы этих стандартов.

Таким образом, в основе металлургической экспертизы лежат:

- панорамные металлографические исследования с помощью ана­лизатора изображения Thixomet;

- термодинамическое моделирование процессов фазообразова- ния, протекающих в жидкой и затвердевающей стали;

- микрорентгеноспектральный анализ состава неметаллических включений, ответственных за образование дефектов;

- системный анализ влияния технологических параметров произ­водства на образование дефектов металлопродукции.

На основе всех этих знаний можно решать следующие задачи:

- металлургическая экспертиза дефектов металлопродукции;

- разработка критериев для надежного разделения брака между различными переделами;

- создание атласов и разработка классификаторов дефектов метал­лопродукции;

- разработка технологических рекомендаций по совершенствова­нию технологии производства слитков, поковок и проката;

- разработка систем управления качеством металлопродукции.

Приведем только некоторые основные научно-исследовательские и

экспертизные работы, выполненные в лаборатории в последнее время:

- исследование причин возникновения неметаллических включе­ний в сталях для глубокой вытяжки (типа 08Ю) с целью контроля и управления процессом их формирования для ОАО «Северсталь»;

- исследование причин возникновения неметаллических включе­ний и трещин в стали для производства толстого листа с целью контро­ля и управления процессом их формирования для ОАО «Северсталь»;

- технологическое обеспечение проекта «Разработка системы кон­троля качества непрерывнолитой заготовки» для ОАО «Северсталь»;

- разработка на основе компьютерного моделирования оптималь­ной технологии раскисления металла, обеспечивающей высокое метал­лургическое качество штрипсовой и высокопрочной судостроительной стали для ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей»;

- разработка методики оценки загрязненности стали неметалличе­скими включениями с помощью автоматического анализа изображений для ООО «Институт ВНИИСТ»;

- разработка эталонных шкал для визуальной оценки структурной полосчатости трубных сталей и методики количественной оценки структурной полосчатости для ООО «Институт ВНИИСТ»;

- разработка рекомендаций по технологии выплавки и прокатки листов из высокопрочных сталей и штрипса для труб категории прочно­сти до Х100 для ФГУП «ЦНИИКМ «Прометей»;

- обоснование требований к ликвационной полосе листового про­ката, обеспечивающей заданные эксплуатационные характеристики трубопровода (для ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»);

- оценка качества основного металла и сварных швов опытной пар­тии труб, предназначенных для строительства Среднеазиатского газо­провода (для ООО «Институт ВНИИСТ») и многие другие.

Кроме экспертизных и исследовательских, выполняются и другие работы:

-разработка методик оценки качества структуры сталей и сплавов с помощью анализатора изображения Thixomet;

- поставка анализатора изображения Thixomet «под ключ», включая микроскопы ведущих мировых производителей и их моторизацию на основе аппаратных решений Marzhauser Wetzlar (Германия) для пано­рамных исследований в автоматизированном режиме;

- полный цикл операций по приготовлению образцов для металло­графического анализа, включая абразивную и прецизионную резку, хо­лодную, горячую и вакуумную запрессовку, шлифовку, полировку и окончательную доводку;

- разработка методик приготовления образцов;

- широкий спектр техник металлографического травления;

- изготовление панорамных изображений микроструктуры сталей и сплавов;

- измерения с помощью анализатора изображения Thixomet: -неметаллических включений в стали по ГОСТ 1778-70, включая автоматизированные методы Ш (методика ВНИИСТ), ASTM Е45-05, ISO 4967, ASTM E1245, DIN 50602;

-размера зерна по ГОСТ 5639-82, ГОСТ 21073; ASTM Е1382-97, E112; DIN 50 601;

- оценка графита в чугуне по ГОСТ 3443, ISO 945, шаровидности графита;

- соотношения фазовых и структурных составляющих в сталях и сплавах;

- оценка качества структуры двухфазных титановых сплавов;

- оценка глубины обезуглероженного слоя по ГОСТ 1763-68;

- толщины слоев и покрытий;

- микротвердости по Виккерсу или Кнуппу по ГОСТ 9450-76;

- металлургического качества суперсплавов по методике Willan Metals;

- структурной полосчатости стали по ASTM E1268 и методике ВНИИСТ;

- размера перлитных колоний;

- процентного соотношения сорбитообразного перлита к пла­стинчатому;

- анализ поверхности изломов образцов после испытаний на ударную вязкость и ИПГ;

- оценка качества структуры графита по ГОСТ 26132-84 .

Рисунок 107

ПОСТРОЕНИЕ ПАНОРАМНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Последовательная прецизионная склейка «на лету» смежных полей зрения позволяет созда­вать панорамное изображение сколь угодно большой площади и с высоким разрешением. Ни один из пограничных объектов не будет потерян или учтен дважды. При перемещении к очеред­ному полю зрения происходят отслеживание и визуализация смещения относи­тельно предыдущего поля зрения, что позволяет пользователю легко контролировать положение пред­метного столика. Выравнивание фо­на избавит от неравномерности ос­вещенности как в пределах одного поля зрения, так и на панораме в целом. Для редактирования панора­мы имеются основные инструменты графического редактора.

Рисунок 108

НАВИГАТОР

Применяется для удобства построения и последующего исследования панорамных изображений. В окне навигатора сохраняет­ся изображение, полученное при низком увеличении микроскопа. Положение поля зрения, наблюдаемого в окне трансляции при самых высоких увеличениях, отобража­ется в окне навигатора красной рамкой.

ВЫДЕЛЕНИЕ ОБЪЕКТОВ ПО ЦВЕТУ

Идентификация любого количества объектов по уровню серого или по цвету, в том числе разновеликих, с помощью двух диапазонов дискриминации позволяет исключить передетектирование крупных объектов при выделении мелких. Выделение объектов по цвету осу­ществляется в интуитивно понятном пространстве HSL (цветовой тон, насыщенность, яркость). Для облегчения работы с линейками порогов дискриминации при детектировании границ объектов структуры ис­пользуется фликер-метод.

КАТЕГОРИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ПО СВОЙСТВАМ

Используется для решения задачи разделения объектов на не­сколько категорий, каждая из которых обладает уникальным сочетани­ем метрических параметров. Записанные действия представляют собой собственные методики распознавания, которые можно использовать при следующем сеансе работы.

РАБОТА СО СТАНДАРТНЫМИ ШКАЛАМИ

На фоне реального изображения структуры можно расположить по­лупрозрачные стандартные шкалы. Имеется набор стандартных шкал для наиболее часто используемых стандартов, предусмотрена возмож­ность их неограниченного расширения пользователем.

ВЫДЕЛЕНИЕ ОБЪЕКТОВ ПО ЦВЕТУ

Идентификация любого количества объектов по уровню серого или по цвету, в том числе разновеликих, с помощью двух диапазонов дискриминации позволяет исключить передетектирование крупных объектов при выделении мелких. Выделение объектов по цвету осу­ществляется в интуитивно понятном пространстве HSL (цветовой тон, насыщенность, яркость). Для облегчения работы с линейками порогов дискриминации при детектировании границ объектов структуры ис­пользуется фликер-метод.

ВЫДЕЛЕНИЕ ОБЪЕКТОВ ПО СВОЙСТВАМ

Более 20 различных метрических параметров рассчитываются в ви­де гистограмм распределения по числу или объемной доле. Цвет объ­ектов на изображении синхронизируется с цветом соответствующего столбца на гистограмме по метрическим параметрам. Объекты, выде­ленные по цвету, можно продолжить распознавать по одному или сово­купности нескольких метрических параметров. Задавая границы одного столбца и убирая лишние столбцы активной гистограммы, можно выде­лить нужные объекты в одну категорию. Записанные действия пред­ставляют собой собственные методики распознавания, которые можно использовать при следующем сеансе работы.

ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ

Большой набор функций обработки изображений позволяет улуч­шать их качество для последующего правильного распознавания слож­ных структур.

РУЧНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Линейный размер, площадь, угол, радиус кривизны, расстояние между произвольными кривыми, кривая изменения яркости и ее произ­водная вдоль прямой для точного определения расстояние между упо­рядоченными объектами (например, доменные структуры). Микро- и макротвердость по Виккерсу, Кнупу и Бриннелю. Расчет статистических параметров результатов измерений.

ЭКСПОРТ В ПРОДУКТЫ MS OFFICE

Всего изображения или его фрагментов в оригинальном или распо­знанном виде, калиброванных изображений с маркером или микронной линейкой, результатов измерений метрических параметров объектов изображения, результатов ручных измерений.

ИСТОЧНИКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Цифровая USB или FireWire-камера, поддерживающая интерфейс DirectShow. Аналоговая камера с картой ввода изображения в компью­тер Matrox Meteor II.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПАНОРАМНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

- Производится по шаблону, который задает пользователь.

- Для шлифов с неровной поверхностью с заданной периодично­стью можно использовать основанную на интеллектуальном алго­ритме автоматическую подстройку фокуса.

- Если шлиф имеет ровную поверхность, но расположен неперпен­дикулярно к падающему свету, то подстройка фокуса выполняется автоматически при изготовлении панорамы «на лету». Для этого пе­ред изготовлением панорамы пользователь задает положение ост­рого фокуса в трех максимально удаленных друг от друга точках об­разца или в трех точках нескольких образцов при пакетном иссле­довании образцов, расположенных в специальном держателе.

- В особо сложных случаях исследуемой поверхности можно ис­пользовать ручную фокусировку. При этом столик будет останавли­ваться с заданной периодичностью для ручной подстройки фокуса.

- Изготовление панорамы производится по координатам с точно­стью, которую обеспечивает позиционирование шаговых двига­телей моторизованного стола или прецизионно «пиксель в пик­сель» с использованием интеллектуального алгоритма «склейки» SmartPano.

АВТОМАТИЧЕСКИЙ РАСШИРЕННЫЙ ФОКУС

В этом режиме все изображение будет получено в остром фокусе, если пользователь задаст только начальное положение, в котором поя­вились первые фрагменты изображения в остром фокусе, и направле­ние движения ручки фокуса.

РЕЖИМ НАВИГАЦИИ

Для детального изучения структуры в любой точке изготовленной панорамы предметный столик переместится в заданную точку на пано­раме. Увеличение микроскопа, при котором создана панорама, и увели­чение, при котором проводится навигация, могут различаться.

АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОТ ПОЛЯ К ПОЛЮ

- Для выполнения данного анализа в автоматическом режиме поль­зователю необходимо задать шаблон с координатами крайних то­чек площади, которую предполагается исследовать.

- Предметный столик автоматически перемещается от поля к полю, при этом выполняются все необходимые измерения в соответствии с выбранным стандартом и формируется отчет.

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

- Подготовленные для анализа образцы (6 штук, в соответствии с требованиями стандарта) помещаются в специальный держатель.

- Производится автоматическое изготовление панорамных изобра­жений образцов при заданном увеличении.

- Пользователь задает диапазоны дискриминации включений по уровню серого.

- Производится автоматический анализ включений и формируется отчет в соответствии со стандартом, при этом:

- выполняется автоматическое разделение включений на типы, предусмотренные стандартом;

- рассчитываются параметры включений, предусмотренные стандартом;

- распознаются артефакты (царапины, грязь, не похожая по форме на включения).

- С помощью навигатора, работающего в полуавтоматическом ре­жиме, пользователь просматривает все найденные в соответствии со стандартом неметаллические включения, чтобы удалить из отче­та те из них, которые оказались артефактами:

- все распознанные и подлежащие учету в соответствии со стан­дартом включения выделяются на панораме;

- пользователь, используя режим навигации, последовательно перемещает предметный столик к любому из распознанных включений для более детального исследования при более высо­ком увеличении, «играя фокусом». Эта процедура необходима, чтобы окончательно отличить включения от артефактов.

Автоматизированный микротвердомер полностью моторизован: управление столом, турелью с объективами и интенторами, автофоку­сом производится программным обеспечением Thixomet SmartDrive MHT через контроллер, встроенный в персональный компьютер. Все дейст­вия, начиная от нанесения отпечатков до формирования отчета, выпол­няются в автоматическом режиме.

Для измерений микротвердости достаточно задать желаемое поло­жение отпечатков на предварительно изготовленном панорамном изо­бражении или непосредственно на живом изображении, транслируе­мом с камеры.

Имеется специальный инструмент, ограничивающий возможное расположение отпечатков из-за требований минимального расстояния между ними.

Можно задавать положение отдельных отпечатков или правило раз­мещения серии отпечатков по различным шаблонам (например, число отпечатков и расстояние между ними в заданном направлении или по заданной траектории). Далее выполняется автоматическое нанесение отпечатков, распознавание и измерение, а при необходимости - авто­матическая фокусировка изображения при перемещении объектива от одного отпечатка к другому.

С помощью специального инструмента пользователь может вруч­ную скорректировать неверно распознанные или неточно измеренные отпечатки. По результатам измерений строится график изменения мик­ротвердости, синхронизированный с панорамным изображением мик­роструктуры. Все полученные данные доступны в графической и чис­ленной форме и содержатся в отчете.

ОЦЕНКА СРЕДНЕГО РАЗМЕРА ЗЕРНА

ГОСТ 5639-82, ГОСТ21073-75, ASTM E1382, ASTM E112, DIN 50 601: автоматическое распознавание границ зерен для оценки номера зерна по найденному числу зерен и площади, которую они за­нимают. Реконструкция плохо протравленных границ, расчет «по скеле­ту» присоединением к телу зерна пограничных выделений перлита.

ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕННОСТИ СТАЛИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

ASTM E 1245: на основе фундаментальных стереологических со­отношений расчет всех важнейших параметров неметаллических вклю­чений или второй фазы: объемная доля, размер и характер взаимного расположения.

ГОСТ 1778-70: в методах «К» и «П» подсчет включений в размер­ных группах после их автоматического распознавания. В методе «Ш» за­полняется электронная таблица на основе сравнения исследуемых включений с полупрозрачными стандартными шкалами. В автоматизи­рованных методах «Ш» после распознавания включений по цвету произ­водится разделение включений на типы в соответствии со стандартом. Балл назначается по измеренной объемной доле для каждого типа включений на основе известной градуировочной кривой «балл - объем­ная доля».

DIN 50 602: разделение включений на типы, расчет суммарного рейтинга загрязненности и рейтинга загрязненности по каждому типу.

ASTM Е45-05, ISO 4967: оценка неметаллических включений по шкалам JK, разделение включений на типы, поиск наиболее загрязнен­ного поля или подсчет количества полей определенного балла загряз­ненности для каждого типа включений. Панорамные исследования зна­чительно повышают производительность и достоверность поиска наи­более загрязненного поля.

ОЦЕНКА МИКРОСТРУКТУРЫ ГРАФИТА В ЧУГУНЕ

ISO 945: оценка формы и размера графитовых включений, а для пластинчатого графита определение типа распределения и соотноше­ния между различными типами пластинчатого графита.

Шаровидность графита в чугуне: методика количественной оценки шаровидности графита в чугуне, которая оценивается долей включений, имеющих фактор формы более 0,6.

ГОСТ 3443-87: оценка структуры серого чугуна с пластинчатым графитом, высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным гра­фитом и ковкого чугуна с компактным графитом. Определяются форма, размер и вид распределения графита, а также объемная доля перлита, распределение и размер фосфидной эвтектики, размер и содержание цементита.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ ПОЛОСЧАТОСТИ СТАЛИ

Методика «ВНИИСТ»: для определения структурной полосчато­сти с помощью баллов соответствующей шкалы, аналогичной ГОСТ 5640-68, но для ферритно-бейнитной структуры. Эта шкала построена по принципу возрастания количества полос второй фазы с учетом их сплошности и степени вытянутости ферритного зерна. Балл назначает­ся на основе стереологических параметров, найденных методом на­правленных секущих при панорамных исследованиях.

ASTM E 1268-01: методом направленных секущих определяется анизотропия и степень ориентации частиц второй фазы, а также ее объ­емная доля и среднее расстояние между полосами.

ОЦЕНКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Автоматизированная методика фирмы Willan Metals для оценки за­грязненности металла рейтинговым баллом, рассчитанным с учетом ко­личества и размера обнаруженных на образце оксидных плен, нитридных скоплений и шлаковых глобул. Оценка пористости в контрольном сечении отливки. По результатам измерений производится входной контроль пас­портной шихтовой заготовки для получения турбинных лопаток.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

Используется для автоматизации измерений микро- и макротвер­дости по Виккерсу, Кнупу или Бриннелю. Распознавание отпечатков ин- дентора на панораме производится автоматически с возможностью коррекции результата распознавания вручную. Отпечатки можно объе­динять в группы с построением соответствующих кривых изменения твердости вдоль группы отпечатков на фоне панорамного изображения исследуемой микроструктуры.

ОЦЕНКА МИКРОСТРУКТУРЫ ПЕРЛИТА

Определение размера перлитных колоний: для оценки раз­мера перлитных колоний, а также для определения соотношения пер­лит-феррит в структуре стали.

Определение процентного соотношения сорбитообразно­го перлита и пластинчатого, включая отделение феррита от цемен­тита в перлите для анализа перлита различной степени дисперсности.

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Позволяет отделить первичную α-фазу от дисперсной α-β-смеси, оценив метрические параметры первичной a-фазы. Тонкие настройки дисперсности α-β-смеси и степени разделения первичной α-фазы, позволяют распознать двухфазные структуры, имеющие любую морфо­логию и дисперсность.

ИЗМЕРЕНИЕ СЛОЕВ И ПОКРЫТИЙ

Определение глубины обезуглероженного слоя реализовано в на­копительном режиме «от поля к полю» или «от панорамы к панораме» в ручном или автоматическом режиме. В автоматическом режиме распо­знаются кромки образца и границы зоны обезуглероживания. Можно задавать требуемое соотношение «феррит-перлит», по которому будет найдена граница обезуглероживания. Имеется возможность измерения многослойных структур.

твердости вдоль группы отпечатков на фоне панорамного изображения исследуемой микроструктуры.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

Используется для автоматизации измерений микро- и макротвер­дости по Виккерсу, Кнупу или Бриннелю. Распознавание отпечатков индентора на панораме производится автоматически с возможностью коррекции результата распознавания вручную. Отпечатки можно объе­динять в группы с построением соответствующих кривых изменения

АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТИ ИЗЛОМОВ

Методами текстурного анализа распознаются области вязкой и хрупкой составляющих в изломах образцов, в том числе в областях сме­шанного разрушения после испытаний на ударную вязкость или падаю­щим грузом (ИПГ). Исследуются панорамные изображения, улучшен­ные с помощью алгоритма расширенного фокуса.