книги из ГПНТБ / Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие

Всвязи с тем, что во время изготовления деталей не исклю­ чена возможность случайного изготовления их из другой мар­ ки стали или сплава, то обеспечение контроля химического со­ става материала деталей во время их изготовления является актуальной проблемой.

Внастоящее время все большее применение в машино- и приборостроении находят сверхчистые металлы, .качество кото­

рых (отсутствие примесей, например, кислорода, фосфора и др.) в конечном счете определяет эксплуатационную надеж­ ность изделий. Так, для электровакуумных приборов, в кото­ рых используется бескислородная медь, важен контроль уров­ ня содержания кислорода в меди.

Химический метод анализа требует разрушения детали. Не­ разрушающие методы контроля позволяют устанавливать хи­ мический состав металлов и сплавов с повреждением неболь­ шого участка поверхности или же определять марку сплава вообще без повреждения изделия. К таким методам относятся спектральный, количественный и полуколичественный методы,, термоэлектрический, электромагнитный, метод электросопро­ тивления, трибоэлектрический метод и др.

Существуют также и другие методы; например, для сорти­ ровки ферромагнитных материалов используются магнитные методы; весовой метод сортировки применяется для сплавов,, резко различающихся по удельному весу.

Однако следует отметить, что магнитные методы разделения ферромагнитных материалов по маркам обладают высокой чувствительностью к структурным и фазовым изменениям в сплавах. В связи с этим магнитный метод можно применять к материалам, находящимся в равновесном (нормализованном, отожженном) состоянии.

Феррозондовый метод, широко применяющийся для обна­ ружения дефектов типа нарушений сплошности, может быть, использован и для разделения по маркам сталей,, находящихся в закаленном состоянии, т. е. различающихся по твердости. Процесс контроля с помощью феррозондовых приборов может быть автоматизирован. Так, феррозондовый автомат УФСТ-61 позволяет отделять детали из углеродистых сталей от легиро­ ванных и сортировать стали марок 18ХНВА, 40ХНМА и др.

Многообразие применяющихся в машиностроении метал­ лов, а также различные размеры и форма подлежащих контро­ лю изделий не позволяют иметь какой-то один универсальный метод их разделения по маркам. В каждом конкретном случае выбор метода основывается на знании его физической сущно­ сти и технических возможностей с учетом экономической це­ лесообразности его введения.

§63. Спектральный метод

Кметодам сортировки металлов по маркам с частичным нарушением поверхности относятся: определение сорта стали по искре и спектральный метод с применением стилоскопа. Оп­

ределение сорта стали по искре (м е т о д и с к р ы или искро­ вая проба) является самым старым и наиболее простым спосо­ бом сортировки сталей. Испытуемые образец или изделие под­ водят к вращающемуся наждачному диску, и по форме и цвету отделяющихся искр судят о марке стали. Наличие эталонов применяемых на производстве марок сталей облегчает кон­ троль. Сравнивая форму и цвет искры от эталона и испытуе­ мого изделия, устанавливают их идентичность.

Метод искры является весьма приближенным и субъектив­ ным методом испытания и в настоящее время не находит ши­ рокого применения.

С п е к т р а л ь н ы й п о л у к о л и ч е с т в е н н ы й м е т о д с п о м о щ ь ю с т и л о с к о п а (стилоскопический) широко используется для сортировки по маркам легированных сталей

ицветных сплавов. Он основан на изучении спектров металлов

исплавов.

Для получения спектра вещества необходимо возбудить его атомы, так как возбужденные атомы излучают световую энер­ гию. С этой целью некоторое количество вещества с помощью электрической дуги или высоковольтной искры переводят в па­ рообразное состояние. Пары исследуемого вещества излучают свет, который в специальных приборах (спектрографах, спек­ троскопах, стилоскопах) разлагается в спектр.

Любое вещество, если его можно превратить в раскаленный газ, дает спектр лучей, свойственный только этому веществу. Следовательно, каждому элементу характерен вполне опреде­ ленный, присущий только ему, спектр испускания.

Спектры сложных веществ, в частности сплавов, состоят из спектров элементов, входящих в их состав.

Таким образом, по наличию в спектре сложных веществ, линий спектра, характерных для того или иного элемента, можно судить о качественном составе вещества. Такой анализ называется качественным спектральным анализом.

Интенсивность (яркость) спектральных линий элементов за ­ висит от их содержания в веществе — чем больше содержится в веществе данного элемента, тем ярче (интенсивнее) прису­ щие ему спектральные линии. Следовательно, интенсивность спектральных линий может характеризовать количественное содержание элементов в веществе.

Сравнение интенсивностей спектральных линий элементов, входящих в состав сплава, с интенсивностью спектральных ли­

372

ний основы сплава позволяет определить количество входящих

всостав сплава элементов, т. е. его процентный состав и назы­ вается количественным спектральным анализом.

•Оценка яркости спектральных линий производится с по­ мощью специальных приборов —■ микрофотометров.

При визуальной оценке яркости спектральных линий точ­ ность анализа снижается, такой спектральный анализ назы­ вается полуколичественным.

Полуколичественный спектральный анализ широко приме­ няется для сортировки металлов по маркам и проводится с по­ мощью стилоскопов. Опытный оператор с помощью стилоскопа

втечение нескольких десятков секунд устанавливает не только марку, но и приблизительное содержание основных легирую­ щих элементов, входящих в состав сплава (за исключением углерода).

При спектральном анализе поверхность изделия повреж­ дается незначительно. Необходимо иметь в виду, что при мас­ совых анализах с помощью стилоскопа оператору необходимо

давать отдых через каждые 900— 1000 анализов.

§ 64. Термоэлектрический метод

Термоэлектрический метод сортировки металлических из­ делий по маркам основан на явлении термоэлектричества. Термоэлектричеством называется группа явлений, обусловлен­ ных связью между тепловыми и электрическими процессами. Известно три эффекта, обусловенных явлением термоэлектри­ чества: эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эффекты Пельтье и Томсона пока не применяются для решения произ­ водственных задач и далее не будут рассматриваться.

Эффект Зеебека состоит в возникновении э. д. с., а следова­ тельно, и тока в цепи, состоящей из разнородных металлов, места соединений которых имеют разную температуру. Полу­ свободные электроны в металлах (электроны проводимости) обладают энергией, величина которой различна у разных ме­ таллов. При соединении разнородных металлов часть электро­ нов из металла, в котором их энергия больше, перемещается в металл с меньшей энергией электронов. Нагрев места кон­ такта разнородных металлов увеличивает эффект перемещения электронов и позволяет получить ток достаточно большой ве­ личины.

Если составить замкнутую цепь из двух различных метал­ лов и поддерживать температуру одного спая выше (горячий спай) температуры другого спая (холодный спай), то в цепи появится электрический ток.

373

Величина термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) зависит от природы материалов проводников и разности температур го­ рячего и холодного спаев. Термоэлектрический метод дефекто­ скопии основан на измерении величины ТЭД(Д Термоэлектри­ ческий метод применяется для сортировки металлов по мар­ кам, определения толщины гальванических покрытий, цементи­ рованного слоя, глубины обезуглероживания, а также для оп­ ределения содержания некоторых элементов в сплавах. Кроме

того, термоэлектрический эффект широко применяется для измерения температур. Принципиальная схема приборов для термоэлектрических методов в дефектоскопии состоит из горячего и холодного электродов- (щупов) и включенного между ними гальванометра (рис. 119).

Заданная температура горячегоэлектрода поддерживается с по­ мощью специального электронагре­ вателя. При прикосновении холод­ ным и горячим электродами к испы­ туемому изделию в цепи возникает

ток, сила которого определяется ТЭДС, зависящей от хими­ ческого состава материала испытуемого изделия.

До того, как применять термоэлектрический метод сорти­ ровки сталей или сплавов по маркам, проводят исследование ТЭДС большого числа изделий из различных плавок подлежа­ щего разбраковке металла. Это необходимо для установления границ возможных значений ТЭДС для различных марок при различных допустимых по стандартам или техническим усло­ виям отклонениях химического состава. Возможна сортировка только тех сплавов, области рассеяния значений ТЭДС кото­ рых не перекрываются между собой.

В качестве материала горячего электрода может быть ис­ пользован один из подлежащих сортировке материалов, имею­ щий среднее значение ТЭДС в сравнении с остальными мате­ риалами. В аппаратуре для термоэлектрической сортировки ме­ таллов используются различные способы индикации ТЭДС: способ «отклонения стрелки», способ «знака ТЭДС» и «нуле­ вой» способ.

Приборы с «нулевым» способом индикации наиболее удоб­ ны при сортировке больших количеств различных марок ста­ лей и сплавов. В приборах ТЭДС, работающих по способу «от­ клонения стрелки», используют зависимость угла отклонения стрелки гальванометра от значения ТЭДС в месте контакта

374

«изделие — горячий наконечник». Прибор ТЭДС-7 предназна­ чен для контроля в цеховых условиях больших партий мелких деталей и позволяет легко разделять легированные стали от углеродистых.

Приборы ТЭДС-2 и ТЭДС-6 предназначены для работы в условиях склада. Прибор ТЭДС-2, имеющий горячий наконеч­ ник из стали 20, рассчитан для разделения углеродистых и ле­ гированных сталей, прибор ТЭДС-6, имеющий горячий нако­ нечник из сплава меди и серебра, позволяет разделять мате­ риалы из цветных сплавов.

Большое разнообразие марок сталей и сплавов, используе­ мых в машиностроении, требует применения более универсаль­ ных термоэлектрических приборов по сравнению с названными. Такие приборы построены на использовании принципа слож­ ной дифференциальной термопары. На этом принципе рабо­ тают приборы типа ФЛТ-1 и ФЛТ-4. Эти приборы, при нали­ чии сменных наконечников, обеспечивают разделение по мар­ кам углеродистых и легированных сталей, а также цветных сплавов. Преимущество термоэлектрического метода разделе­ ния изделий по маркам в сравнении с другими неразрушающи­ ми методами заключается в практически полней нечувстви­

вов по маркам является частным случаем применения электро-

.индуктивной дефектоскопии. Электроиндуктивный метод рас­ пространяется на контроль электропроводящих изделий и исщользует зависимость их электропроводности от состава. Разде­ ление по маркам немагнитных электропроводных материалов (сталей аустенитного класса, бронз, латуней, сплавов на осно­ ве алюминия, титана и других) производят с помощью прибо­ ров типа ИЭ (измеритель электропроводности). Для сортиров­ ки алюминиевых сплавов, латуней и бронз применяются при- 'боры ИЭ-1 и ИЭ-1М, нержавеющих сталей и сталей, легиро­ ванных титаном и ниобием, — прибор ИЭ-11. Датчиком у этих приборов служит малогабаритная катушка, которая наклады­ вается на испытуемое изделие. Недостатком электроиндуктивного метода разделения сплавов по маркам является разброс значений их электропроводности в зависимости от колебаний химического состава сплавов разных плавок в пределах, уста­ новленных стандартом или техническими условиями.

Применение электроиндуктивного метода для разделения по маркам ферромагнитных материалов вызывает ряд серьез­

375

ных трудностей, так как на показания прибора влияют не толь­ ко электропроводность, но и величина зерна, однородность структуры и другие факторы.

Для сортировки изделий из конструкционных сталей на­ иболее подходят приборы типа ЭМИД 1 с проходными датчи­ ками. Однако надо иметь в виду, что для решения производст­ венной задачи требуется проведение специального исследова­ ния и приспособления прибора для контроля конкретного из­ делия.

тенциалов — не зависит от величины зерна, массы, конфигура­ ции изделия и определяется химическим составом трущихся тел.

Физической основой трибоэлектрического метода дефекто­ скопии является эффект возникновения контактной разности потенциалов. При контакте двух металлов происходит переход электронов от одного металла к другому. На границе раздела двух металлов возникает скачок потенциала, а между их сво­ бодными поверхностями — контактная разность потенциалов, по величине равная разности работ выхода электронов из этих металлов. Значение контактной разности потенциалов в зави­ симости от природы металла колеблется от нуля до нескольких вольт.

Трибоэлектрический метод контроля можно использовать для разделения углеродистых сталей от легированных. Суще­ ствует зависимость трибоэлектрического эффекта от содержа­ ния углерода в стали. Практически трибоэлектрический метод контроля осуществляется путем возвратно-поступательного перемещения испытуемого образца по поверхности эталона. При этом измеряется возникающая разность потенциалов. В СССР трибоэлектрический метод сортировки сплавов пока не нашел широкого применения и промышленные образцы приборов, основанных на этом эффекте, отсутствуют.

М е т о д э л е к т р о с о п р о т и в л е н и я , или падения по­ тенциала, является неразрушающим методом контроля, осно­ ванным на определении электрического сопротивления или па­ дения потенциала между двумя точками, лежащими на по­ верхности испытуемого изделия. Электрическое сопротивление зависит от удельного сопротивления материала и геометриче­ ских параметров изделия: толщины стенок, длины испытуемо­ го участка и т. д.

1«Дефектоскопия», 1968, № 3, с. 40—45.

376

Метод электросопротивления наиболее эффективен для из­ мерения толщины стенок пустотелых изделий с электропро­ водностью ниже 3,5 м/Ом-мм2, а также для контроля наруше­ ний сплошности лакокрасочных покрытий, нанесенных на ме­ таллическую основу.

В отдельных случаях, для некоторых сплавов с невысокой электропроводностью, метод может быть использован для от­ деления одних сплавов от других.

§66. Рентгенорадиометрический и нейтронноактивизационный методы

Всвязи с отсутствием достаточно полной информации, бо­ лее подробно рассмотрим новые ядерно-физические методы анализа материалов, внедрение которых в машиностроении только начинается. Наиболее перспективными для машино­ строения являются рентгенорадиометрический (рентгенофлююресцентный), нейтронно-активизационный методы анализа со­

с к о г о метода заключается в возбуждении атомов анализи­ руемых элементов с помощью рентгеновских лучей или излу­ чений от радиоизотопных источников и в последующем анали­ зе характеристического излучения возбужденных атомов с по­ мощью специальной радиометрической аппаратуры.

Как известно, характеристическое излучение возникает за счет фотоэффекта — фотон поглощается атомом, выбивая при этом электрон из /(-оболочки, а с L -оболочки переходит на нее

Наиболее интенсивными линиями характеристического излуче­ ния являются линии К-серии. Эти линии могут быть использо­ ваны для определения химического состава: по их энергии су­ дят об атомном номере элемента, а по интенсивности — о ко­ личественном содержании этого элемента в контролируемом материале.

Для возбуждения линий /(-серии исследуемого материала необходимо, чтобы энергия первичного излучения Дперв была больше энергии К-края поглощения Е к элемента.

В качестве источника возбуждения характеристического из-

.лучения исследуемого материала могут быть применены рент­ геновские трубки, а также радиоактивные изотопы. Использо­ вание мягкого рентгеновского излучения имеет ряд пре­

377

имуществ, в числе которых: отсутствие большого фона, удобст­ во эксплуатации и обслуживания.

Рассмотрим пример рассортировки некоторых деформируе­ мых алюминиевых сплавов до и после штамповки, когда источ­ ником излучения является рентгеновская трубка [54].

Как известно, алюминиевые сплавы в большинстве случаев содержат в качестве дополнительных элементов такие, как Си, Zп, Mg и др., определяющие в конечном счете их механические

Как видно из таблицы, сплав АК2 отличается от остальных наличием никеля (1,8—2,3%). А для того чтобы отделить по­ ковки или заготовки из дюралюминия Д16 от заготовок из сплавов АМГ и АМЦ, достаточно «увидеть» наличие меди в первом сплаве.

Рис. 120. Блок-схема устройства для сортировки заготовок по химическому составу:

/ — р е н т г е н о в с к а я т р у б к а ; 2 — п р о п о р ц и о н а л ь н ы й с ч е т ч и к ; 5 — у с и л и т е л ь ; 4 — а м п л и т у д н ы й а н а л и з а т о р ; 5 — э л е к т р о н н о - р е л е й н ы й б л о к ; 6 — и с т о ч ­ н и к п и т а н и я ; 7 — з а г о т о в к а

На рис. 120 представлена блок-схема устройства для рас­ сортировки заготовок по химическому составу. Вся схема в ви­ де экспериментального устройства была собрана из типовых элементов. В качестве источника первичного рентгеновского

378

излучения применялась типовая рентгеновская трубка БХВ7

■с зеркалом анода из рения. На трубку подавалось напряжение 18—20 кВ, ток трубки не превышал 100 мкА.

Приемником характеристического излучения служит про­ порциональный счетчик типа СИ-6Р. У этого типа счетчиков амплитуды выдаваемых импульсов пропорциональны энергиям регистрируемых квантов. Импульсы от счетчика сначала уси­ ливаются, а затем поступают на амплитудный анализатор ААДО-1, который пропускает только импульсы, соответствую­ щие выбранному элементу.

Таким образом, в счетно-импульсную схему электроннорелейного блока поступают импульсы с частотой, пропорцио­ нальной количеству элемента, находящегося в заготовке. Принцип действия электронно-релейного блока основан на вы­ даче управляющего релейного сигнала при поступлении в счет­ но-импульсную схему хотя бы одного импульса сверх заданно­ го порогового числа за калибранный интервал времени. В экспериментах использовались образцы алюминиевых спла­ вов Д16 и технически чистый алюминий. Интенсивность харак­ теристического излучения, возбужденного в меди сплава Д16, была в несколько раз больше, чем у технически чистого алю­ миния, у которого медь находится только в виде незначитель­ ного количества примеси.

Сортировка заготовок, как показали эксперименты, может вестись с темпом до нескольких штук в минуту.

Рентгенорадиометрический метод анализа, когда в качестве источника, возбуждающего характеристическое излучение, используется радиоактивный изотоп, рассмотрим на примере промышленного образца рентгенорадиометрического анализа­ тора концентраций элементов группы железа АЖР-1 («Фер­ рит»), АЖР-1 предназначен для экспресных и высокоточных определений содержания железа в рудах и продуктах их пере­ работки.

Характеристическое излучение железа (Aa = 6,4 кэВ) воз­ буждается по способу двухступенчатого возбуждения с исполь­ зованием источника излучения Ти170 и промежуточной мишени из кадмия (Ка = 23 КэВ). Регистрация характеристического из­ лучения железа производится с помощью пропорционального счетчика и одноканального амплитудного анализатора с пересчетным устройством.

Содержание железа определяют относительным методом, сравнивая интенсивности Излучения исследуемой и эталонной проб с известным содержанием железа. Истинное содержание железа С определяется с помощью специальной методики, за ­ ключающейся в следующем.

379

Результат анализа (концентрация Ср) соответствует истин­ ному содержанию железа в пробе, если наполнители исследуе­ мой и эталонной проб имеют одинаковый элементный состав. При различном элементном составе содержание железа в об­ разце может отличаться от истинного.

Учет влияния различий элементного состава проб на ре­ зультаты анализа осуществляют по интенсивности обратно рассеянного бетта-излучения при облучении пробы источником Sr90. При этом интенсивность рассеянного бетта-излучения об­ ратно пропорциональна эффективному атомному номеру про­ бы и при постоянном составе наполнителя пробы — содержа­ нию железа. Поэтому при одинаковых эффективных атомных номерах наполнителя исследуемой (Znp) и эталонной проб (Z0T) содержание железа в них, определенное прибором с по­ мощью характеристического излучения Ср и по интенсивности

истинное содержание близко к среднеарифметическому:

С = — (Ср -j- Ср).

Расхождение между Ср и Ср больше чем 5% Fe указывает на сильное различие составов наполнителей исследуемой и эта­ лонной проб. В этом случае для точного определения содержа­ ния железа требуются другие способы учета элементного со­ става.

Определение содержания железа описанным способом мо­ жет проводиться в том случае, если исследуемые пробы не со­ держат в значительных количествах элементов с близкими железу атомными номерами. При наличии в пробах таких эле­ ментов (хром, марганец, никель, медь, цинк) для выделения характеристического излучения железа должны использовать­ ся селективные или дифференциальные фильтры.

Блок-схема рентгенорадиометрического анализатора АЖР-1 показана на рис. 121. Характеристическое излучение железа регистрируется пропорциональным счетчиком СИ-6Р. Импульсы со счетчика поступают на усилительный тракт У, а затем на дифференциальный дискриминатор, где происходит

380