Разработка методов и средств неразрушающего контроля показателей качества биметаллов и изделий из них

Интенсивное развитие современной техники постоянно требует создания и широкого использования конструкционных материалов со специальными свойствами. В связи с этим большие перспективы по применению в различных отраслях промышленности получили биметаллические материалы. Биметаллы являются не только заменителями дефицитных металлов, но и представляют самостоятельную группу промышленных материалов, позволяющих расширить возможности создания новых машин, приборов и различных изделий. Значительная технико-экономическая эффективность использования биметаллов обусловлена тем, что во-первых, за счет определенного сочетания различных металлов или сплавов в биметалле удается объединить нужные эксплуатационные свойства его компонентов, а в ряде случаев получить специфические свойства, которыми не обладают отдельно взятые металлы. Во-вторых, применение биметаллов в народном хозяйстве дает значительную экономию дорогостоящих и дефицитных металлов и сплавов при одновременном увеличении прочности или снижении массы изделий и конструкций. С применением биметаллов появляется возможность создания различных агрегатов с оптимальными эксплуатационными характеристиками.

В связи с возрастающим объемом производства биметаллов и изделий из них, повышением требований к их эксплуатационным характеристикам становятся актуальными задачи интенсификации производства и повышения качества готовых изделий и снижения затрат на их изготовление. Решение этих задач связано как с совершенствованием средств контроля качества, так и технологического оборудования для производства биметалла в целом, отдельных агрегатов и узлов.

Самым распространенным способом изготовления различных биметаллов, в том числе сталь-цветные металлы, является способ совместной пластической деформации компонентов биметалла в процессе его прокатки. Биметаллический прокат сталь-цветные металлы выпускается металлургическими заводами преимущественно в виде полос, листов и ленты, значительно мень-ше-в виде прутков,.фасонных профилей и труб. Наибольшее распространение и перспективу широкого применения имеет полосовой и листовой биметаллический прокат сталь-медь, алюминий и их сплавы.

Области применения биметаллов: биметалл для вкладышей подшипников скольжения, конструкционный биметалл для сварных изделий, биметалл сталь-медь и сталь-медные сплавы, плакированная алюминием тонколистовая сталь и жесть для глубокой вытяжки. Применение биметаллов для вкладышей подшипников скольжения неразрывного связанного с проблемой экономики цветных металлов и заменой дефицитных антифрикционных сплавов типа баббита и бронзы. Биметаллы в сочетании сталь-антифрикциональные алюминиевые сплавы нашли наиболее широкое применение в автомобильной и тракторной промышленности.

В качестве плакирующего материала наибольшее распространение по" лучили сплавы на алюминиевой основе с добавлением 1,5−25% олова и других легирующих элементов. Химический состав, например, антифрикционных сплавов А06−1, АО 10−1, АО 12−1, А020−1 и сортамент выпускаемых биметаллических полос приведены в таблице 1 и 2 [3,78].

Таблица 1. Химический состав антифрикционных сплавов.

Сплав Основные компонент!, I, % Примеси не более, %.

Sn Си Ni А1 Fe Si Мп Другие.

А06−1 5.5−7.0 0,7−1.3 0,7−1,3 Остальное 0,5 0,5 0,5 0,5.

АО 12−1 10−14 0,8−1,2 — Остальное 0,4 0,3 0,3 0,5.

А020−1 17,5−22,5 0,7−1,2 — Остальное 0,7 0,7 0,7 0,5.

АО 10−1 9−12 0,5−1,2 — Остальное 0,5 0,7 0,3 0,5.

Таблица 2. Сортамент биметаллических полос малоуглеродистая сталь-алюминиевооловянные атифрикционные сплавы.

Назначение биметалОбщая Тол щи и а, мм Ширина Длина пола толщина Стального Слоя сплаполосы, лосы, мм полосы, слоя ва мм мм.

Для быстроходных 1,85−3,2 1,3−2,5 0,55−0,70 80−130 2600 автомобильных дви- 3,4−4,20 2,5−3.1 0,9−1,10 115−150 2600−2630 гателей.

Для тяжелонагружен- 6,1 5,0 1,1 100−150 1050−1200 ных дизельных двига- 6,6 5,5 1,1 120−150 1000−1200 телей 10,0 9.0 1,0 120 1000.

Для повышения надежности и долговечности работы машин и аппаратов, изготавливаемых из биметаллов, необходимо проводить непрерывный контроль их качества и применять для этих целей методы испытаний биметаллического проката без его разрушения.

При производстве биметалла и изделий из них основными параметрами качества являются допуски на линейные размеры, формы и расположения поверхностей, которые составляют единицы микрометров, сплошность соединения (расслоений) слоев, теплофизические свойства биметаллов.

Для производства биметаллов исходные материалы выбирают с учетом обеспечения заданных свойств и технологичности изготовления биметаллического проката. Совокупность требований, которым должны удовлетворять исходные материалы, можно условно подразделить на три группы: требования к качеству поверхноститребования к геометрическим размерамтребования к механическим, эксплуатационным и теплофизическим свойствам.

Требования, предъявляемые к геометрической форме подката, идущего на изготовление биметалла, предусматривают максимальную точность ширины и толщины по всей длине. Различие между ширинами базового и плакирующего слоев нарушает устойчивость полос в валах при совместной их прокатке, вызывает образование неплакированных участков, рванин и увеличивает потери при последующей обрезке биметалла.

Значительная разнотолщинность исходных заготовок затрудняет получение биметаллических полос с постоянным соотношением слоев. Поэтому горячекатаный подкат, идущей на изготовление полосового биметалла, предназначенного для штамповки изделий, подвергают обычно калибровке для максимального сокращения допусков на толщину.

Размеры и допуски исходного подката компонентов некоторых биметаллов и допуски самих биметаллов, заданные соответствующими техническими условиями или ГОСТ, приведены в табл.3.

Измерение толщины слоев в биметаллическом прокате может производиться различными способами в зависимости от вида биметалла, его размеров, условий изготовления, методов контроля (выборочный или стопроцентный) и т. п. Необходимость тщательного контроля толщин слоев биметаллических материалов обусловлена тем, что от соотношения толщин слоев компонентов биметалла в значительной мере зависят его физико-механические свойства (предел прочности, текучести, относительное удлинение, антифрикционные и антикоррозионные свойства, электрои теплопроводность и т. п.) и эксплуатационные характеристики.

Выборочный контроль толщин слоев биметаллов сталь-цветные металлы при малой толщине слоев осуществляют на шлифах под микроскопом или замером общей толщины биметалла и стального основания после стравливания плакирующего слоя. Можно измерять толщины слоев биметалла обычными микрометрами после искусственного расслоения.

Для массового контроля толщин слоев биметаллов сталь-цветные металлы широко применяются различные контактные толщиномеры. Поскольку один компонент этих биметаллов является немагнитными, а другой компо.

Значения характеристик для.

Наименование характеристик биметаллических полос сплав АСМ — сталь тонких бимеллических полос сплав AS1 1-сталь тонких биметаллических полос сплав А020−1-сталь толстых биметаллических полос сплав А09−1 (А020−1) — сталь.

Толщина полосы, мм 2.2−6.2 1.40−5.05 1.40−5,05 4.10−8.65.

Допускаемое отклонение по толщине полос, мм +0,2 для полос тоньше 3 мм- +0,20+0,4 для полос толще 3 мм +0,05 для полос тоньше 3 мм-, 0.075 для полос толще 3 мм .'0,05 для полос тоньше 3 мм- 00,075 для полос толще 3 мм +0,20+0,4.

Толщина стального основания, мм 1.5−4.7 0,9−3,8 0,9−3.8 2,90−7,15.

Допускаемое отклонение по толщине стального основания, мм +0,2 для полос до 3,2 мм- +0,25 — для полос -0,10 /толще 3.2 мм ч'0,05 для полос тоньше Змм- .'0,075 для полос отЗ до 4 мм-^0,1 1 5 для полос от 4 до 5,05 мм «.'0,05 для полос тоньше 3 мм- /0.075 для полос отЗ до 4 ммЧ'0.115 для полос от 4 до 5,05 мм +0,25 — для полос -0.10 Jo 6,6 мм- +0,35 -» для полос 0,15 дЬ 8,65 мм.

Ширина полос, мм 170−240 76−190 76−190 130−240.

Допускаемое отклонение по ширине, мм +6 +1,5 + 1,5 +6.

Длина полос, мм 1100−1250 1300−2640 1300−2640 1100−1250.

Допускаемое отклонение по длине, мм + 10 +3 +3 + 10.

Твердость антифрикционного сплава НВ, кГ/мм" 22−26 33−40 30−35 30−35.

Твердость стали: ив 200−240 1 70−200 1 70−200 200−230.

HRC 90−100 85−90 85−90 90−100.

Чистота поверхности стали не менее V7 V7 V7 V7.

Прочность сцепления слоев при испытании на сдвиг тсд, кГ/мм" >6 >6 >6 >6 нент (стальная основа) — ферромагнитным, то преимущественно применяют индуктивные и магнитные толщиномеры.

Для получения биметалла с минимальной продольной разнотолщинно-стью необходимо непрерывно контролировать толщину слоев во время прокатки.

Изделия из антифрикционных биметаллов (вкладыши подшипников скольжения, втулки, упорные полукольца) для быстроходных автомобильных и тяжелонагруженных дизельных двигателей ЯМЗ, А-01, A-4J, Д-40, СМД-14, СМД-60, Д-160, Д-260 работают при высоких температурах. Для обеспечения хорошего качества теплоотвода от трущихся поверхностей изделия из биметалла должны обладать хорошими теплопроводностью и температуропроводностью, которые также необходимо контролировать в процессе производства биметалла. Кроме того, сведения о теплофизических свойствах биметалла существенны для выбора вида и температурно-временного режима термообработки после плакировочной прокатки для каждого конкретного вида биметаллов с учетом их специфических свойств, технологии изготовления и Др.

Существующие методы качественной и количественной оценки прочности сцепления слоев применяют для выборочного контроля биметаллического проката. Это не исключает выпуск отдельной биметаллической продукции с непрочным сцеплением слоев и местными участками расслоения по границе раздела. Вследствие этого наблюдаются значительные потери металла при изготовлении различных изделий из биметаллического проката, а в ряде случаев возможны аварии агрегатов при эксплуатации, в которых был применен биметалл с внутренними дефектами (расслоение).

Таким образом, стопроцентный контроль толщины слоев при совместной пластической деформации компонентов биметалла с минимальной продольной разнотолщинностью, контроль толщины исходных материалов для производства биметалла, контроль геометрических размеров изделий из биметалла, контроль теплофизических свойств биметалла, контроль сплошности соединения слоев биметаллов требуют разработки более эффективных методов и средств непрерывного неразрушающего контроля.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и внедрении новых эффективных методов и информационно-измерительных систем (ИИС) для непрерывного неразрушающего контроля соотношения толщин слоев биметаллов в процессе его прокатки и снижении продольной разно-толщинности биметалла, контроля теплофизических свойств слоев биметалла для выявления зон несварки слоев различных биметаллов, контроля геометрических размеров изделий из биметалла.

Для достижения постановленной цели необходимо:

— провести обзор и сравнительный анализ методов и измерительных средств определения толщины слоев биметаллов с позиции обеспечения достаточной точности, удобства и оперативности неразрушающего контроля толщины слоев;

— на основе электромагнитной теории цепей разработать и исследовать но>. вые методы неразрушающего контроля соотношения толщин слоев биметаллов;

— провести анализ теплофизических процессов в биметаллах при бесконтактном контроле качественных характеристик;

— создать более эффективные методы и устройства неразрушающего контроля теплофизических свойств слоев биметалла;

— разработать математическое и программное обеспечение ИИС, реализующей предложенные методы;

— провести анализ возможных источников погрешностей косвенных измерений толщин слоев биметаллов и оценить их величину;

— осуществить экспериментальную проверку результатов работы и внедрить в промышленное производство, научные исследования.

Методы исследования базируются на использовании аппарата математической физики, аналитической теории теплопроводности, математическом моделировании, компьютерных технологиях и метрологии.

Для проверки теоретических положений использованы экспериментальные методы: физические моделирование и макетирование.

Ожидаемые научные результаты диссертационной работы включают:

— оригинальные бесконтактные электромагнитные и теплометрические методы неразрушающего контроля толщины слоев биметаллов, их теплофи-зических свойств, позволяющие производить непрерывный контроль толщины во время прокатки, обеспечить требуемую точность и значительно снизить продольную разнотолщинность;

— математическое и алгоритмическое обеспечение ИИС, позволяющее автоматизировать процесс контроля толщины слоев биметаллов, повысить точность при обработке первичной измерительной информации.

Практическая ценность полученных результатов состоит в разработке и внедрении информационно-измерительной системы, реализующая предложенные методы неразрушающего контроля качества биметаллов в процессе его прокатки.

Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, литературы и приложений.

Первая глава посвящена исследованию современного состояния техники измерения толщины биметалла методами неразрушающего контроля. В главе формируются требования, предъявляемые к современным средствам измерения толщины слоев биметаллов, производится обзор и сравнительный анализ существующих методов и средств указанного назначения, определяется задача исследования.

Вторая глава посвящена созданию новых бесконтактных методов неразрушающего контроля толщины слоев биметаллов во время прокатки и т. е.

13 плофизических свойств компонентов биметалла, экспериментальной проверке разработанных методов, анализу теплофизических процессов в биметаллах с целью определения параметров тепловых режимов нагрева.

Третья глава посвящена созданию устройств неразрушающего контроля толщины слоев биметаллов во время прокатки, содержит описание ИИС, реализующие предложенные методы, алгоритмы контроля толщины и теплофизических свойств слоев биметалла, посвящена оценке погрешностей разработанных методов и средств контроля толщины слоев биметаллов.

В четвертой главе приводится анализ погрешностей результатов измерений толщины и теплофизических свойств биметаллов разработанными методами. Проведен анализ влияния различных компонент этих погрешностей на точность измерения.

В пятой главе дано описание модернизированной линии рулонного производства антифрикционного биметалла, опоры валка прокатного стана этой линии и системы контроля толщины вкладышей подшипников скольжения.

В приложении помещены описание технологического процесса производства антифрикционного биметалла в отрезках и рулонах, описание нового антифрикционного сплава и способ изготовления биметаллической заготовки из этого сплава.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработаны новые методы неразрушающего контроля соотношения толщин слоев различных биметаллов для создания информационно-измерительных систем неразрушающего контроля толщины слоев как в технологическом процессе прокатки, так и на готовых изделиях.

2. Проведен анализ теплофизических процессов в биметаллах при действии на них подвижного точечного источника тепла постоянной мощности и определены параметры тепловых режимов нагрева для бесконтактного метода контроля толщины и теплофизических свойств слоев биметалла.

3. Разработаны новые методы одновременного контроля толщины и теплофизических свойств слоев биметалла. Методы существенно отличаются от существующих возможностью автоматического определения как толщины, так и теплофизических свойств биметаллов, повышенным быстродействием и точностью.

4. Проведена экспериментальная проверка методов контроля качества с целью определения тепловых режимов нагрева и измерения, которая показала корректность основных теоретических выводов, положенных в основу предложенных тепловых методов.

5. Для оперативного непрерывного контроля толщины слоев биметаллов в технологическом процессе прокатки разработаны и испытаны устройства, позволяющие непрерывно контролировать соотношение толщин слоев различных биметаллов.

6. Разработана информационно-измерительная система неразрушающего контроля, реализующая предложенные новые методы контроля соотношения толщин слоев и теплофизических свойств слоев биметаллов.

7. Разработаны алгоритмы работы устройств, математическое и программное обеспечение ИИС, реализующей предложенные методы неразрушающего контроля толщин и теплофизических свойств биметаллов.

8. Разработанные устройства и информационно-измерительная система позволили значительно повысить производительность контроля, а также его достоверность и чувствительность.

9. Проализированы составляющие общей погрешности устройств не-разрушающего контроля. Показано, что для индуктивных измерительных датчиков в качестве основных являются погрешность от нелинейности характеристики и температурная погрешность. Даны аналитические зависимости для расчета температурной погрешности.

10. Доказано, что одним из источников методической погрешности бес-контакных методов контроля теплофизических свойств и толщины слоев биметаллов является погрешность, обусловленная поглощением излучения промежуточной средой.

11. Предложена модернизация линии рулонного производства биметалла, которая позволила увеличить производительность рулонного производства биметалла почти в 2 раза, значительно расширить по толщине и ширине номенклатуру биметалла, существенно снизить разнотолщинность по длине и ширине биметаллической полосы с использованием предложенных в диссертационной работе методов неразрушающего контроля соотношения толщин слоев.

12. Модернизация опоры позволила увеличить грузоподъемность опоры валка прокатного стана в 1,4 раза, срок службы подшипников более, чем в 2 раза, значительно расширить по толщине номенклатуру биметалла на основе сплавов А020−1, АО 12−1, АО 10−1 и А06−1 для производства вкладышей подшипников скольжения.

13. Разработана автоматическая система контроля толщины вкладышей подшипников скольжения, позволяющая с использованием предложенных в работе методов бесконтактного контроля толщины слоев биметалла в едином технологическом цикле производства осуществлять 100% - ный контроль толщины готовых вкладышей.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использовались в научно-исследовательских работах, выполняемых на кафедрах «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем», «Криминалистика и информатизация правовой деятельности» Тамбовского государственного технического университета, ОАО «Завод подшипников скольжения» г. Тамбов.

Основные научные результаты работы обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях:

— на Международной научной конференции «Информационные технологии при проектировании микропроцессорных систем», Тамбов, 2000 г.;

— на XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» Тамбов, 2002 г.;

— на VII научной конференции ТГТУ Тамбов, 2002 г.

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, 4 из них — патенты на изобретения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.