Спосіб визначення вмісту вуглецю в чавунах і сталях

Винахід належить до галузі дослідження фізичних та хімічних властивостей матеріалів за допомогою електричних і магнітних вимірювань і може бути використаний в металургії та ливарному виробництві. Відомі фізичні експрес-методи визначення вмісту вуглецю в сталях, з яких найбільш розповсюдженим став термоелектричний метод [П.Я.Яковлев, Е.Ф.Яковлева, А.И.Оржеховская. Определение углерода в металлах. М., Металлургия, 1972, 288 с; П. Д.Корж, А.П.Шандурова, И.Н.Гиниятуллин. Применение термоэлектрического метода определения содержания углерода в стали по ходу плавки // Заводская лаборатория, 1968, № 12, с. 1477-1479]. Суттєвим загальним недоліком термоелектричних методів є принципова фізична обмеженість їх використання лише для сплавів, в яких контрольований елемент перебуває в твердому розчині металічної основи, а при утворенні цим елементом самостійної фази або хімічних сполук чутливість термоелектричних методів різко зменшується. Практично це означає, що термоелектричний метод можна ефективно використовува ти тільки для контролю вмісту вуглецю в нелегованих конструкційних сталях в загартованому стані при вмісті вуглецю до 1,0 %. Найбільш близьким до запропонованого винаходу є магніто-електричний спосіб визначення вмісту вуглецю в сталях [А.А.Дымов. Технический анализ, М., Металлургия, 1964, C. 28-30], заснований на залежності магнітної індукції сталевого зразка від вмісту в ньому вуглецю, а точніше - від структурного стану і фазового складу зразка, суттєво залежних від вмісту вуглецю. Недоліки магніто-електричного методу полягають в низькій чутливості контрольованого параметру (електрорушійної сили індукції) до змін кількості вуглецю, якщо його вміст в сплаві перевищує 1,5% (а це робить даний метод непридатним для дослідження чавунних зразків) і, крім того, результати вимірювання суттєво залежать від якості підготовки зразка (необхідно ретельно додержувати процес відливки, забезпечувати його термічну підготовку, звертати особливу увагу на стан поверхні зразка). Причина зазначених недоліків обумовлена тим, що дві різні індукції в тілі зразка створюють зміною лише інтенсивності зовнішнього магнітного поля. Тому складові його структури не втрачають феромагнітних властивостей, І для визначення їх залежності від вмісту вуглецю необхідна високочутлива вимірювальна система, внаслідок чого на її показання значною мірою впливає якість зразка. Крім того, при збільшенні кількості вуглецю в сплаві понад 1,5% суттєво зменшується його магнітна проникність, внаслідок чого зміни зовнішнього магнітного поля спричинюють значно менші зміни індукції в тілі зразка. Тому якщо вміст вуглецю перевищує зазначену позначку, цей метод не застосовують [П.Я.Яковлев, Е.Ф.Яковлева, А.И.Оржеховская. Определение углерода в металлах. М., Ме таллургия, 1972, C. 112-114]. В основу винаходу покладено задачу розробити спосіб визначення вмісту вуглецю в залізовуглецевистих сплавах, в якому магніто-електричний метод поширюється на дослідження чавунних зразків, а також зменшується залежність результатів вимірювання від технології підготовки зразка. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення вмісту вуглецю в чавуна х і сталях, що включає відбір проби рідкого сплаву в кварцову тр убку, намагнічування в змінному магнітному полі однакових за розмірами зразків з а-заліза (еталону) і контрольованого сплаву та вимірювання їх намагніченості, згідно з винаходом, при кожній полярності магнітного поля еталон намагнічують до насичення в процесі його нагрівання до температури, яка перевищує точку Кюрі цементиту, вимірюють і фіксують залежність намагніченості еталону від температури в діапазоні 500...800 К, а при намагнічуванні зразків контрольованого сплаву їх нагрівають до температури, що визначена даним діапазоном, вимірюють температуру нагріву зразка та його намагніченість насичення при цій температурі, визначають намагніченість еталону, зафіксовану для температури нагріву зразка і обчислюють вміст вуглецю за формулою: 1- А C = 6,67 , 1 + 0,025А де: I А= o; Iф Io - намагніченість зразка з контрольованого сплаву при температурі Tг ; Iф - намагніченість еталонного зразка з а-заліза при температурі Tг ; Tг - температура нагріву зразка, яка перевищує температуру Tк точки Кюрі цементиту і має бути в межах 500...800К. Як відомо, в чавунах і сталях вуглець може перебувати в трьох основних станах: в складі твердого розчину вуглецю в залізі, в складі карбідів заліза та у вигляді графіту як самостійної фази. Відповідно до метастабільної діаграми стану "залізо-вуглець" при певній швидкості охолодження в малолегованих сталях і чавунах можна виключити появу вуглецю у вигляді графіту як самостійної фази та утворення мартенситу. Тому в кінцевому підсумку зразок матиме дві структурні складові: ферит, який містить до 0,02 % (мас) вуглецю та цементит, в якому вміст цього елементу дорівнює 6,67 % (мас). Для більшої частини малолегованих сталей та чавунів цій умові відповідає проба рідкого металу, яка твердіє на повітрі в кварцовій трубці внутрішнім діаметром 3-5 мм і товщиною стінки 1-2 мм. Задача контролю вмісту вуглецю в пробі зводиться до визначення співвідношення фериту і цементиту та розрахунку загального вмісту вуглецю в відповідності з його питомим вмістом в кожній структурній складовій. Для визначення співвідношення фериту і цементиту в зразку можна скористатися залежністю намагніченості фериту та цементиту від температури і законом адитивності намагніченості гетерогенної системи, який дозволяє підсумовувати питомі значення намагніченостей структурних складових. В зв'язку з тим, що температура Tк переходу з феромагнітного стану в парамагнітний (точка Кюрі) дорівнює для цементиту 488 К, а для фериту 1040 К, при нагріванні зразка до температури, вищої від 488 К, його намагніченість різко зменшується пропорційно вмісту цементиту, а подальша зміна намагніченості буде визначатися лише температурною залежністю намагніченості фериту. Маючи експериментальні дані про температурну залежність намагніченості фериту в діапазоні температур (500...800)К і вимірюючи намагніченість контрольованого зразка в цьому ж діапазоні температур, можна розрахува ти відносний об'ємний вміст фериту (Vф) та цементиту (Vк) в зразку. Зважаючи на закон адитивності, необхідно розв'язати наступну систему рівнянь: Vф +Vк =1 (1) Т Т Т VФ × І Ф1 + VК × ІК 1 = І0 1 (закон адитивності) при Т1