автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Методы и устройства неразрушающего магнитного контроля качества термической обработки стальных изделий в разомкнутой магнитной цепи

- 'У Я 3

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ■ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ

На правах рукописи

ЗАГАЙНОВ Анатолий Викторович

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ В РАЗОМКНУТОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

05.02.11 - Методы контроля и диагностики в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степей" кандидата технических наук

Екатеринбург 1992

Работа выполнена в лаборатории нераэруиапцего контроля спеченных материалов виэико-технического института УрО РАН.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Э.С.Горпунов; кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник А.И.Ульянов.

Официальные опоненты: доктор технических наук В.в.Мужицкий, доктор технических наук Г.С.Корзунин.

Ведущая органиеация - Тюменский индустриальный институт.

Запрета диссертации состоится_180 г. в часов на

.васадании специализированного совета К 008.08.01 при Институте фивикн металлов УрО РАН. Адрес: 620219, г. Екатеринбург, ГОТ 170, ул. С. Ковалевской, 16.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов РАН.

Автореферат разослан "_"_190 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат фиа,-мат. наук

В.Р.Галахов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА- РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди неразрушащих физических методов ст-, руктуроскопии стальных изделий значительное место занимают магнитные, основой которых служит однозначная взаимосвязь магнитных характеристик со структурным состоянием и, соответственно, с прочностными параметрами испытуемых сталей.

При неразрушщем определении изменений, происходящих в структуре ферромагнитных материалов используются такие магнитные характеристики, как остаточная индукция, коэрцитивная сила, максимальная магнитная проницаемость.

Прямой перенос использования, разработанных для литых сталей, магнитных методов контроля на спеченные материалы не всегда возможен, поскольку для изделий порошковой металлургии отмечается повышенные, по сравнению с литыми аналогичного химического состава, различия физико-механических характеристик из-за особенностей их структурного, состояния и наличия остаточной пористости. Наблюдается неоднородность химического состава по углероду даже в одной партии спекаемых изделий. Прочностные свойства могут иметь отличия в пределах одного образца, ' возможны изменения геометрических размеров детали после прессования и спекания. Колебания геометрических размеров приводят к ошибкам результата измерений магнитных характеристик. В связи с этим важно знание механизмов намагничивания и перемагничивания для оптимального решения вопроса неразрушающего определения качества термической обработки спеченных материалов, необходим поиск новых информативных параметров для целей магнитной структуроскопии, разработка методов отстройки от ■ влияния колебаний геометрических размеров деталей на результат магнитных измерений.

Измерения магнитных характеристик можно осуществить как в замкну той так и в разомкнутой магнитных целях. Приборы, позволяющие реализовать измерения магнитных характеристик в замкнутой магнитной цепи с помощью приставного электромагнита, имеют такие недостатки, как зависимость показаний от размеров и массы испытуемого изделия, от наличия присущего этому типу датчихов неконтролируемого зазора между датчиком и деталью. Существуют трудности при контроле изделий разных типоразмеров, поскольку фактически для кшдого типоразмера изделий необходимо конструирование специальных датчиков или полюсных наконечников электромагнита. В случае испытаний малогабаритных изделий, имеющих к

тоиу ке сложную форму, предпочтительно применение разомкнутой магнитной цели, поскольку возможно осуществление абсолютных измерений магнитных параметров, нддример коэрцитивной силы, если контролируемое изделие намагничено до состояния технического насыщения. Методы измерения магнитных характеристик легко поддаются автоматизации, что существенно при организации 100 ?£-ньи испытаний деталей прошедших термическую обработку, которые необходимы для изделий порошковой металлургии.

При разработке приборов агнитной структуроскопии в разомкнутой магнитной цепи большое значение имеет выбор алгоритма^намагничивания, поскольку для получения стабильного остаточно намагниченного состояния деталь следует намагнитить до состояния технического насьпцек.ш. Необходимо обеспечить быстродействие цикла намагничивают. Использование импульсного намагничивания хотя и повышает быстродействие, но не всегда эффективно из-за явления саморазмагничивания, что приводит к нестабильности получаемого магнитного состояния, особенно для изделий с большим размагничивающим фактором.

Актуальна проблема неразрушающего определения качества слоев биметаллических ферромагнитных материалов как на изделиях порошковой металлургии, так и на изделиях из литых сталей (поверхностноупрочнен-ные стальные изделия), поскольку используемые методы контроля направлены лишь на контроль поверхностного слоя компактных ферромагнетиков, тогда как в некоторых случаях возникает проблема неразрушающего определения прочностных свойств и сердцевины детали.

Цель работы заключается в разработке методов и средств магнитной структуроскопии малогабаритных изделий сложной формы и непостоянных размеров из поропковых и литых конструкционных сталей в разомкнутой магнитной цепи.

В связи с этим поставлены следующие задачи:

- исследование взаимосвязи магнитных характеристик со структурным состоянием и остаточной пористостью порошковых сталей, нахождение информативных параметров для целей магнитной структуроскопии;

- разработка магнитных методов контроля качества спекания порошковых сталей и физико-механических свойств слоев биметаллических материалов ;

- исследование процессов намагничивание, ферромагнитных тел с различными физико-механическими характеристиками в импульсных магнитных полях и при воздействии супепозиции импульсного и постоянного

агнитных полей;

- разработка импульсного источника тока для эффективного намагничивания малогабаритных изделий сложной формы в разомкнутой магнитной цепи с целыэ использования в приборах магнитной структуроскопии;

- разработка приборов нвразрушщего контроля качества термической обработки изделий из порошковых и литых сталей в условиях нестабильности их геометрических размеров;

- разработка высокопроизводительного метода и устройства для магнитной структуроскопии термообработанных стальных изделий в процессе их движения.

Научная новизна работы работы заключается в следующем:

- исследованы магнитные гистерезисные свойства порошковых сталей на предельных и частных циклах петель магнитного гистерезиса. Обнаружено, что коэрцитивная сила, измеренная на частных циклах петель магнитного гистерезиса в релезвской области, практически не зависит-от пористости и определяется только структурным состоянием ферромагнетика. Показана возможность определения качества спекания и закалки порошковых сталей по величине коэрцитивной силы, измеренной на предельном цикле петли магнитного гистерезиса при условии постоянной пористости;

- исследован закон приближения к магнитному насыщению применительно к пористым ферромагнитным сталям. Обнаружено, что коэффициенты А и В закона приближения к магнитному насыщению коррелируют с пористостью в спеченных сталях и могут быть использованы в качестве параметров неразрушающего определения остаточной пористости спеченных изделий;

- изучена возможность оценки магнитного состояния ферромагнитное тел, движущихся через узкую измерительную катушку. Обнаружено, по форма Э.Д.С., наведенной в измерительной катушке изделием, находящимся в остаточно-размагниченном состоянии, имеет сложный вид, >бусловленный появлением в изделии участков неоднородной намагничен-юсти. Предложены способы повышения достоверности определения иагнит-гого состояния движущихся ферромагнитных тел независимо от их геомэт-мческих параметров;

. - исследованы условия эффективного намагничивания ферромагнитных ел с различными электрическими и магнитными характеристиками и гео-етрическими размерами в разомкнутой магнитной цепи. Показано, что ффективное намагничивание тел с большим коэффициентом разшгничхва-

ния может выть осуществлено суперпозицией постоянного и импульсного магнитных полей или импульсным магнитным полем с плавным его спадом. Определены оптимальные режимы импульсного намагничивания для целей магнитной структуроскопии.

Практическая значимость работы. Разработан источник импульсного намагничивающего тока, ' обеспечивающий эффективное намагничивание изделий, в том числе изделий с большим коэффициентом размагничивания, в разомкнутой магнитной цепи для использования в приборах магнитной структуроскопии. Разработаны методика определения,качества спекания и закалки изделий из спеченных порошковых сталей, приборы АИКС-1 и АИКС-2 для измерения коэрцитивной силы ферромагнитных изделий, в разомкнутой магнитной цепи, приборы серии КТС для контроля качества спекания изделий из вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов, высокопроизводительный прибор П0Т0К-2 и методика контроля ферромагнитных деталей в процессе их движения, по величине остаточного магнитного потока и остаточного магнитного потока после мастичного размагничивания. Предложен кагкитный метод контроля качества физико-механических свойств слоев биметаллических стальных изделий. Разработанные приборы внедрены на ряде промышленных предприятий.

Основные результаты, выносимые на защиту:

- закономерности изменения магнитных характеристик, измеренных на предельных и частных циклах петель магнитного гистерезиса, при вариациях пористости в спеченных порошковых сталях;

- установленные связи между коэффициентами уравнения закона приближения к магнитному насыщению и параметрами структурно-фазового состояния, связанными с изменениями углерода и пористости в спеченных порошковых сталях;

- способ и устройство эффективного намагничивания ферромагнитных тел с помощью суперпозиции постоянного и импульсного магнитных полей;

- магнитные методы высокопроизводительного контроля физико-механических свойств ферромагнитных деталей в процессе их движения, метод контроля слоев биметаллических стальных изделий по дифференциальной магнитной проницаемости;

- разработки приборов типа КТС, предназначенные для контроля изделий из твердых сплавов, приборов АИКС - для контроля качества тер- ' мообработки изделий из литых и спеченных порошковых сталей по величине коэрцитивной силы, прибора ПОТОК, предназначенного для автоматизированного контроля прочностных свойств стальных изделий в процессе их движения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на II, XII Всесоюзных конференциях "Неразрушающие методы и средства контроля" (Минск, 1661, Свердловск, 1990); на региональных конференциях 'Неразрушающие физические методы и средства контроля материалов и изделий" (Ижевск,1981), "Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение" (Свердловск, 1962, Ижевск, 1966), "Физические методы и приборы неразрушающего контроля" (Ижевск, 1969); на II конференции молодых ученых (Ижевск, 1890); на научно-технических конференциях "Пути повышения качества и надежности деталей из порошковых материалов" (Барнаул, 1691), "Современные методы и средства .черазрушающего магнитного контроля" (Москва, 1991); на семинарах ."Нерр-зрушающив методы контроля в народном хозяйстве" (Рига, 1985), "Проблема проектирования конструкций" (Миасс, 1990).

Публикации. По результатам работы опубликовано 6 статей в научно-технических журналах, получено б авторских свидетельств СССР на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы из 150 наименований, приложения. Содержит 54 рисунка, 5 таблиц, изложена на 168 страницах машинописного текста.

СОДЕРВАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель-и задачи, показаны научная новизна, практическая значимость, приведены основные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор и анализ работ, материалы которых были использованы при обсуждении полученных результатов.

В первом параграфе обзора рассмотрены особенности структурно-ного состояния некоторых конструкционных и инструментальных порошковых сталей и твердых сплавов. Спеченные конструкционные стали, полученные путем прессования и спекания смеси порошков исходных компонентов имеют остаточную пористость и довольно значительные колебания содержания связанного углерода. Рассмотрены возможности контроля пористости и содержания углерода магнитными методами, а также связь магнитных характеристик со структурой твердых сплавов.

Во втором параграфе описываются ' коэрцитиметрические методы и приборы контроля качества термической обработки в разомкнутой магнитной цепи. Показаны преимущества этих методов контроля по сравнению с

методами контроля в замкнутой иш'нитной цепи и юс перспективность для аадач структуроскопии, в тем числе порошковых стачей.

В третьем параграфе рассматриваются высокопроизводительные, автоматизированные устройства магнитного контроля качества термической обработки стальных изделий, их преимущества и недостатки, делается вывод о перспективности устройств, осуществляющих измерения непосредственно в процессе движения контролируемых деталей..

Обзср существующих магнитных методов и средств неразрушающего контроля качества термической обработки стальных изделий в разомкнутой магнитной цепи показал, что имеется возможность оперативно и с большой достоверностью решать задачи контроля физико-механических свойств стальных изделий на всех стадиях их термической обработки, возможно реализовать абсолютные измерения магнитных характеристик исследуемых материалов, методы легко поддаются автоматизации. Вместе с тем, недостаточно проработаны вопросы осуществления аффективного намагничивания деталей, фактически отсутствуют разработки высокопроизводительны коэрцитиметров с проходными датчиками, предназначенных для использования в заводских условиях, а имеющиеся, например для контроля твердых сплавов, существуют в единичных экземплярах, несмотря на вкачительную потребность в них промышленных щ эдприятий.

Дальнейшее развитие магнитных методов контроля в разомкнутой магнитной цепи видится в создании высоконадежных автоматизированных систем с применением средств вычислительной техники, встроенных непосредственно в технологическую цепочку изготовления деталей, осущес-твлящих неразрушающие испытания и разбраковку изделий при минимальном •участии человека.

Анализ литературных данных позволил сделать обобщающие выводы, сформулировать цель и задачи диссертации.

Вторая глава посвящена магнитным методам и средствам юнтроля спеченных порошковых сталей.

Посколь?су спеченные порошковые материалы характеризуются наличием остаточной пористости, для разработки неразрушающих магнитных методов контроля спеченных сталей важно исследовать процессы намагничивания и пэрвиагничивония пористых ферромагнетиков в сильных и слабых магнитных полях с целью оценки влияния немагнитных включений (пор) на магнитные свойства материала и нахождения корреляционной связи между структурными изменениями и магнитными характеристиками.

Известно, что для компактных материалов значительное влияние на

-а-

промессы намагничивания ферромагнетиков оказывают немагнит,:ые или слабомагнитные вклгчения, формирующиеся при распаде твердых растворов безуглеродистых сплавов или мартонсита закалки углеродистых сталей. В спеченных сталях размер немагнитных включений на порядок выше, чем в компактных, и составляет десятки микрон. Поэтому можно было предположить, что процессы намагничивания пористых ферромагнетиков обусловлены другими механизмами, нежели компактных. Исследовался закон приближения к магнитному насыщению для спеченных сталей с целью расширения представлений о процессах намагничивания пористых ферромагнетиков в сильных магнитных полях и возможности его использования для косвенного определения пористости.

Закон при^тижения к магнитному насыщению в области сильных магнитных полей можно представить в виде х-Н -АН + В.гдеАиВ-численные коэффициенты, х - дифференциальная восприимчивость, Н -величина магнитного поля. Ес"и из эксперимента известно изменение восприимчивости в зависимости от поля Н, то по тангенсу угла наклона прямых х-Н ГСН) определяется коэффициент А, а по отрезку, отсекаемому прямыми по оси ординат, - коэффициент В. По изменению этих коэффициентов можно оценить влияние структурного состояния на закон приближения к магнитному насыщению.

Измерялась дифференциальная магнитная восприимчивость образцов спеченной стали ЭОНМ при вариациях масссвого содержания углерода от 0,15 до 0,4, а пористости от 6 до 14 По мере увеличения пористости наклон прямых зависимости х Н - Г(Н) возрастает, что свидетельствует о затруднении процессов намагничивания, которые в области высоких магнитных полей протекают, в основном, в результате вращения векторов намагниченности в направлении приложенного поля. Причиной такого затруднения является, по-видимому, отклонение векторов намагниченности от направления намагничивания под действием локальных полей рассеивания вблизи слабомагнитных включений, пор. Поскольку размер пор значительно превышает толщину доменных стенок, то вблизи пор энергетически выгодным становится образование замыкающих доменов. Величина магнитных полей рассеивания около пор при этом значительно снижается, зато появляются домены, составляющая намагниченности в которых отлична от направлению приложенного поля. В сильных магнитных полях намагниченность замыкающих доменов поворачивается в направлении приложенного поля, работая против магнитостатиччской энергии. Следовательно, возникновение замыкающих доменов эквивалентно появлению наведенной маг-

нитной анизотропии, препятствующей магнитному насыщению.

Коэффициент А, характеризующий магнитную жесткость, растет по мере увеличения пористости стали. Сравнение величины коэффициента Ас' ценными, полученными для компактных сталей близкого химического состава по содержанию углерода, роль-слабомагнитных включений в которых играют выделения карбидов, показывает, что магнитная жесткость пористых спеченных сталей на порядок выше, чем компактных, что связано с особенностями распределения намагниченности вблизи пор. Коэффициент В имеет отрицательные значения и по мере роста пористости увеличивается по абсолютной, величине.

Рассматриваемые порошковые стали после спекания имеют феррито-пер-литную структуру, количес-эо перлитной фазы определялось содержанием углерода, Цемени-т в составе перлита представляет собой слабомагниткые включения, относительный объем которых растет с увеличением содержания углерода. Изменение перлитной фазы слабо влияет на коэффициенты А и В по сравнению с вариациями пористости. Таким образом, чувствительность коэффициентов А и В к пористости примерно на порядок выше, чем к содержанию угдерода и по изменениям этих коэффициентов можно косвенным образом осуществлять контроль остаточной пористости спеченных сталей.

С целью оценки возможности использования традиционных магнитных характеристик, таких как коэрцитивная сила, индукция насыщения , для контроля структурного состояния спеченных сталей исследовались магнитные свойства порошковой конструкционной стали ВГр1Д2,5КО,4. Измерения проводились на предельном цикле петли магнитного гистерезиса на образца* в форме колец. Были приготовлены,три группы образцов с раз- , личной микроструктурой: феррит + (10-20)^ перлита; феррит + (40-50)Х перлита; феррит + (80-85)^ перлита. В каждой группе имелись образцы с различной удельной степенью пористости в пределах (20-32)%. Из эксперимента следует, что коэрцитивная сила, как и для литых сталей, определяется структурным состоянием, в частости содержанием перлита в микроструктуре образцов. Измерение величины магнитной индукции в зависимости от пористости показало, что при изменении пористости на величина индукции изменяется на 20 X. тогда как изменение структурного состава стали в широких пределах (от 10 до 80 ^ перста) вызывает изменение индукции всего на 10 ?£. Следовательно возможен однозначный контроль пористости.и содержания углерода по двум параметрам петли магнитного гистерезиса: коэрцитиной силе и индукции насыщения.

Проведенные исследования зависимости коэрцитивной силы и индукции

насыщения от плотности и содержания углерода для спеченных сталей ШГрДЗ и ШГрД2,5К0,5 при вариациях плотности от 5,7 до 9,8 г/см и содержания углерода от 0,1 до 1,1 % показали, что значение индукции насыщения определяется плотностью сталей, в то время как коэрцитивная сила зависит, в основном, от содержания углерода. Неразрушающий контроль изделий из спеченных сталей после их закалки и низкотемпературного отпуска при возможных изменениях химического состава по углероду можно обеспечить в несколько этапов: неразрушащий контроль и разбраковка изделий после спекания по содержанию углерода методом измерения коэрцитивной силы (при необходимости можно обеспечить контроль плотности изделий после спекания по намагниченности насыщения); нераэру-шающий контроль и разбраковка изделий по твердости с помощью измерения их коэрцитивной силы. В некоторых случаях возможно прогнозирование твердости после закалки и низкотемпературного отпуска по результатам измерения Н закаленных изделий.

Проводились магнитные измерения образцов вышеназванных сталей на частном цикле петли магнитного гистерезиса в релеевской области, где процессы перемагничивания могут быть обусловлены другими механизмами. В результате коэрцитивная сила, измеренная по частному циклу оказывается ниже для высокоуглеродистых образцов по сравнению с малоуглеродистыми. К тому же Н частного цикла практически не зависит от пористости.. По аналогии с компактными сталями, взаимосвязь между коэрцитивной силой на частном цикле петли магнитного гистерезиса и структурой может оказаться полезной при разработке методов контроля структурного состояния спеченных сталей с содержанием углерода свыше 0,Э?£.

При разработке приборов магнитной структуроскопии с проходными датчиками для неразрушающего магнитного контроля качества термообработки ферромагнитных изделий определенную сложность представляет выбор алгоритма намагничивания, поскольку требуется обеспечить эффективное намагничивание деталей, т.е. получить магнитное поле максимальной напряженностью несколько кА/см, способное намагнитить изделие до состояния технического насыщения. Источник намагничивающего тока должен'иметь минимальные габариты и массу. В третьих, необходимо быстродействие процесса намагничивания, что наиболее важно при массовом контроле в потоке производства. Значительное быстродействие имеют импульсные источники тока. Однако при импульсном намагничивании в разомкнутой магнитной цепи проявляется ряд недостатков, которые следует учитывать при создании намагничивающих устройств. К ним можно отнести

эффект саморазмагничивания изделия, проявляющийся в результате совместного действия поля вихревых токов и внутреннего размагничивающего поля, что приводит к нестабильности получаемого магнитного состояния, возможности аномального намагничивания изделий с небольшой проницаемостью формы, ■ когда в поверхностном слое формируется остаточная намагниченность с направлением, противоположным основной остаточной намагниченности, что вносит погрешность в результаты магнитного контроля. В этой связи проведена оценка эффективности намагничивания в разомкнутой магнитной цепи изделий с разными коэффициентами размагничивания из различных сталей' при использовании суперпозиции импульсного и постоянного магнитных полей.

Измерения проводили на цилиндрических образцах из армко-железа, стали 40Х в состоянии поставки и после закалки, стали 20X13, имеющих различные магнитные и электрические свойства. Диаметр образцов менялся от 4 до 10 мы, отношение длины к диаметру от 1 до 8. Намагничивание осуществляли в двух соосно расположенных соленоидах, в одном создавалось импульсное магнитное поле напряженностью 1,4 кА/см, возбуждаемое сетевыми импульсами, во втором постоянное подмагничиващее поле напряженностью от 0 до 800 А/см. Скорость снижения постоянной составляющей наманого меньше скорости. спада юиульсной составл талей магнитного поля. Определяли коэрцитивную силу образцов методом сброса измерительной катушки с образца после намагничивания постоянным магнитным полем, импульсным магнитным полем, а также после воздействия суперпозиции импульсного и постоянного магнитных полей. Коэрцитивная сила образцов, измеренная после импульсного намагничивания оказывается значительно ниже Н , измеренной после намагничивания постоянным полем из-за эффекта салюра^магничиания. Рассмотрены физические основы проявления эффекта саморазмагничивания при импульсном намагничивании как результат действия магнитного поля вихревых токов и вггтреннего размагничивающего поля. Опыт показал что эффект саморазмагничивания в процессе сетевого импульсного намагничивания, при прочих равных условиях, возрастает по мере увеличения диаметра и коэффициента размагничивания образца. Импульсное намагничивание оказывается «алоэффективным для сталей с относительно высоким значением магнитной проницаемости.и низким удельным электросопротивлением, например для стали 40Х в состоянии поставки и армко-железа. Для сталей с относительно низким значением магнитной проницаемости (40Х после закалки), а также относительно высоким электросопротивлением (20X13), эффективность намагни-

чивания приближается к эффективности намагничивания постоянным полем. Она может быть существенно повышена, если намагничивание изделий осуществлять магнитным полем, содержащий импульсную и постоянную составляющие, причем величина напряженности постоянного подыагничивагщего поля намного меньше напряженности импульсного намагничивающего поля (Н - 1,4 кА/см; Н » 200 А/см), что не вызывает технических трудностей при создании и управлении такими полями.

Идея использования для намагничивания постоянной и импульсной составляющих нашла свое развитие э разработанном источнике намагничивающего тока, принцип действия которого заключается в определенной последовательности работы управляемых вентилей, коммутирующих одно питающее напряжение, для получения в намагничивающей катушке импульса то-

•Рис. 1. Блок-схема прибора АИКС-1.

ка с параметрами, необходимыми для эффективного намагничивания контролируемого изделия. Преимущество данного источника по сравнению с существующими заключается в его универсальности, т.е. возможности формирования необходимых параметров намагничивающего импульса (амплитуда, длительность, время спада) в зависимости от поставленной задачи.

Такой метод намагничивания реализован в разработанном приборе АЬКС~1, предназначенном для измерения абсолютных значений коэрцитивной силы образцов из литых и спеченных конструкционных сталей длина которых не превышают 80 мм, а диаметр 12 мм. Прибор состоит (рис. 1) из магнитного и электронного блоков. Магнитный блок представляет из себя соленоид с обмотками намагничивания 1, размагничивания 2. Внутри

соленоида расположены полуэлементы феррозондового преобразователя 3, включенные градиентоыетрически. В целях устранения влияния внешних магнитных полей на феррозондовый преобразователь и, следовательно, уменьшения, ошибки измерений, соленоид помещен в пермаллоевый экран 4. К основным узлам электронной части прибора относятся: феррозондовый магнитометр 5, устройство управления 6, источник тока намагничивания 7, источник размагничивающего тока 6, схема выборки-хранения 9, масштабный усилитель 10. Измерения, проведенные на образцах разных размеров из различных марок сталей показали, что размеры, фор«ю образцов практически не влияют на показания прибора. Для оперативной обработки полученной при измерениях информации, с целью нахождения корреляционной связи кевду Н и контролируемым технологическим параметром создан измерительный комплекс в составе: коэрцитиметр АИКС-1, микро-ЭВМ ДВК-3, крейт КАНАК с набором модулей, двухкоординатный самописец Н-307. На базе прибора АИКС-1 разработан коэрцитиметр АИКС-2, предназначенный для организации неразрушающего контроля структурного состояния изделий из конструкционных сталей в заводских условиях. Возможно проведение измерений Н изделий максимальными размерами 30x30x100 мм. Диапазон Измерений 1-80 А/см. Прибор АИКС-2 нашел применение в промышленности для неразрушающего контроля структурного состояния и прочностных характеристик малогабаритных изделий широкой номенклатуры, кото- ' рые трудно контролировать коэрцг-иметрами с приставными датчиками, в частности изделия порошковой металлургии. Коэрцитиметр АИКС-2 метрологически аттестован в Научно-инженерном центре метрологии РИЦ Уральского отделения РАН.

Третья глава посвящена неразрушающему магнитному контролю качества спэкания изделий из твердых сплавов. Рассмотрена взаимосвязь магнитных свойств со структурой вольфрамо-кобальтогых твердых сплавов. Спеченные вольфрамо-кобальтовые твердые сплавы представляют собой конгломераты зерен карбида вольфрама, связанные между собой через тонкую прослойку кобальта. Прочность и износостойкость т^рдых сплавов во многом определяется составом, структурным состоянием кобальтовой прослойки, размером карбидных зерен, что, в свою очередь определяет гистерезисные свойства изделий из твердых сплавов, а величина коэрцитивной силы зависит от содержания кобальта и углерода в сплаве, размера карбидных зерен. Задача неразрушающего контроля твердых сплавов облегчается тем, что все твердые сплавы подразделены на ряд марок. Каждой марке соответствуют сплавы с определенным содержанием кобальта

-И-

и средним раемером карбидных зерен. Для данной марки сплава техническими условиями ТУ-48-19-127-68 определены интервалы значений, в пределах которых должна находится Н сплавов, прочностные характеристики которых соответствуют ГОСТу.

Разработаны приборы серии КТС, предназначенные для неразрушаицего контроля качества спекания тьердосплавных изделий по величине коэрцитивной силы в разомкнутой магнитной цепи. Структурная схема приборов аналогична схеме приборов АИКС. Некритичность показаний приборов к форме и местоположению изделий относительно феррозондового датчика дает основание к их использованию для контроля качества твердых сплавов по величине коэрцитивной силы, тем более, что детали из твердых сплавов имеют, как правило, самую разнообразную форму и размеры. При-Йор КТС-1 внедрен на производственном объединении "Иямаш". Опыт эксплуатации прибора показал, что с его помощью удается успешно контролировать перегрев при спекании, который ведет к росту карбидных зерен к, соответственно, к снижению Н . Измерение коэрцитивной силы осуществляется оперативно, что по золяет, в случае необходимости, произво-цить коррекцию температурного режима печей спекания. Партия изделий, эеличина коэрцитивной силы которых находится в интервале годности, выпускается на дальнейшую обработку. Если нет, то их направляют на металлографический анализ, по результатам хоторого принимают окончательное решение. Как правило металлографический анализ подтверждает Зрак по перегреву, обнаруженный с помощью козрцитиметра. Использование козрцитиметра КТС-1 позволило существенно снизить количество трудоемких металлографических операций для определения качества спеченных изделий и эффективно организовать контроль твердосплавного инструмента в процессе его производства. Однако пределы измерений призера ие позволяют проводить контроль твердых сплавов, хоэрцитивная зила которых превышает 240 А/см, например сплав ВК8-0Н. Отличие прибора КТС-2 от прибора КТС-1 заключается в наличии более мощного !ого источника размагничивающего тока, позвол ющего создавать размаг-шчивающее поле до 320 А/см. В приборь КТС-3 повышена точность и ста-5ильность показаний за счет использования автокомпенсационного ферро-50ндового магнитометра, основная погрешность которого составляет I 0.005 А/см, а уход нуля при изменении температуры окружающрй среда т 10 С не превышает 1/2 основной погрешности. Модификации магнитного Злока прибора КТС-3, позволяют проводить измерения Н изделий малых зазмеров' (толщиной 2 мм, диаметром 4 мм) до относительно крупногаба-

ритных (диаметром 12 мы, длиной 120 мм). Приборы внедрены на ряде предприятий машиностроительной промышленности. Прибор КТС-Э метрологически аттестован в Научно-инженерном центре метрологии РИЦ Уральского отделения РАН.

В четвертой главе рассмотрены способы и устройства неразруша-ющаго магнитного контроля качества термической обработки ферромагнитный' изделий в процессе их движения.

Реализация 100 % - го неразрушающего контроля качества термообработки массовых изделий в производс -венных условиях с помощью традиционных приборов, где оператор вручную устанавливает деталь на измерительную позицию, осуществляет цикл измерения, анализ результатов и разбраковку, становится трудоемкой. Более перспективно использование устройств, реали:усщих процесс измерения магнитных свойств и сортировку деталей на годные и бракованные в процессе их движения без непосредственного участия оператора. При неразрушающем магнитном контроле движущихся ферромагнитных изделий по остаточному магнитному потоку, Ф в суммарную погрешность измерений этой магнитной характеристики Судет входить ошибка, обусловленная нестабильностью геометрических размераэ детали в пределах допуска.

Показано, что когда намагниченная деталь при своем поступательном движении подвергается частичпому размаг:шчиванию в однородном магнитном поле, величина напряженности которого Еыбрана из условия Н < Н < Н . где Н - коэрцитивная сила, Н - релаксационная коэрци-тиьшЛ сила, то можно найти такую величину Н , при которой значение магнитного потока не зависит от колебаний размеров контролируемого изделия. Поэтому размагничивание детали полем Н позволяет исключить вшшние геометрических размеров изделия на величину выходного сигнал который несет информацию о структурном состоянии материала.

йиаическую сущность этого явления поясняет рис. 2, н° котором представлена нисходящая ветвь петли магнитного гистерезиса в координатах индукция В - внутреннее поле Н.. Пусть из одного материала изготовлены два стержневых образца одинакового сечения, но разной длим один из которых (более длинный) характеризуется размагничивающим фактором пропорциональным tg а , а второй tg а . Размагничивание образц во внешнем поле Н с Н приводит образцы в состояние, характеризующееся значениями В^ и ё . Аналогичная картина наблюдается и при раз-

ыагкичизании в поле Н > Н . Если внешнее поле Н > Н > Н ,то всегд

Йг г р с

------«..«-.вние Н - Н*. при котором В, - В, - В* , т.е.

р р di d2 а

-Ш-

значение В^ при данном размагничивающем поле становится независимым от длины образца. Опыт показывает, что поле Н , в котором В^ перестает зависеть от длины, для образцов стали с различной твердостью оказывается неодинаковым. Это вносит определенные ограничения в использовании способа контроля при изменении геометрических размеров деталей, однако способ может быть эффективно в случае, когда размеры однотипных изде-

Рис. 2. Способ магнитного контроля изделий с различными коэффициентами размагничивания.

При массовом испытании деталей, когда на контроль поступают изделия различных типоразмеров и формы, целесообразнее использовать в качестве параметра контроля не величину остаточной индукции, а коэрцитивную силу (как характеристику не зависящую от формы и размеров изделий). Коэрцитивную силу движущихся, предварительно намагниченных деталей можно определить путем измерения магнитного потока в двух последовательно расположенных размагничивающих полях различной напряженности Н - (Н Ф - Н Ф )/(Ф - Ф ), где Н , Н - напряженности маг-

С 2112 21 1 /,, 2 ч ж _

китного поля в размагничивающих соленоидах (Н >н ), 4 , Ф - магнитные потоки, наведенные изделием в измерительных катушках, расположенных в размагничивающих соленоидах. Показано, что во избежании погрешности при определении коэрцитивной силы, необходимо выбирать длину

размагничивающего соленоида такой, чтобы зона однородного магнитного поля была больше длины контролируемой детали и время движения издеди* в однородном поле равнялось или было бы большим времени установления намагниченности образца в этом поле в равновесное состояние.

•На основании предложенных способов разработан действующий макет устройства для контроля качества термической обработки стальных изделий в процессе движения. Устройство позволяет осуществлять контроль изделий по коэрцитивной силе, остаточной индукции, остаточной индукции после частичного размагничивания. Принцип действия заключается в намагничивании движущейся под действием собственной силы тяжести детали импульсным магнитным полем с плавным спадом,-размагничиванию в однородном магнитном поле последовательно расположенных размагничивающих соленоидов, сьеме и обработке Э.Д.С., наводимой в измерительных катушках, расположенных в размагничивающих соленоидах. Для управления работой устройства и обработки результатов использована микроэвм, что позволило оперативно переналаживать систему, документировать, пюводить статистический анализ результатов эксперимента, по результатам измерений определять отклонэния технологического процесса от нормы и выдавать информацию о необходимости коррекции технологического процесса. Измерительная часть, установки выполнена в стандарте КАМАК. Установка была испытана на тбрмичесююбработанных деталях массового производства из стали 40 и 50, имеющих различные типоразмеры 14-ти наименований. Ошибка в определенми твердости в режиме контроля по остаточному магнитному потоку после частичного размагничивания не превышала двух едениц ГОС. Ошибка в воспроизводимости результатов .магнитных измерений составила 1%.

При проведении неразручающего контроля среднеуглеродастых сталей по остаточному магнитному потоку после частичного размагничивания Фс1 величина напряженности размагничивающего поля лежит в области релаксационной коэрцитивной силы. Наблюдаемая форма сигнала, наведенного в измерительной катушке намагниченным образцом после частичного размагничивания имеет вид, показанный на рис. 3. Появление нескольких магнитных полюсов объясняется тем, что внутреннее попе в центре сЗразца оказывается меньше, чем на его краях и процесс перемагничива-ния середины идет быстрее. Из-за.наличия локальных внутренних размагничивающих факторов происходит перераспределение магнитных зарядов в образце, что приводит к появлению дополнительных магнитных полюсов. При дольнейдом увеличении размагничивающего поля образец перемагничи-

Е, В

Рис. 3. Форма Э.Д.С Ф, уел.вд 100

вается по всему объему. Очевидно, что для получения более полной информации о магнитном состоянии образца необходим анализ всего наведенного сигнала путем его вынрямления и интегрирования, что и реализовано в приборе ПОТОК-2, предназначенном для нераз-ушающего определения и автоматической сортировки термообработанных деталей на годные и бракованные по остаточному магнитному потоку или по остаточному магнитному потоку после частичного размагничивания. Цифро-знаковые индикаторы прибора отображают значения верхнего и нижнего пределов разбраковки, величину тока размагничивания, количество

в измерительной катушке.

350 410 470 530 590 650 Рис. 4. Зависимость показаний прибора ПОТОК-2 от температуры отпуска деталей из стали 35ХМ.

отп

годных деталей, результат измерений. На рис. 4 приведена зависимое! показаний прибора от температуры отпуска деталей из стали 35ХМ при различных режимах размагнивающего тока. Наблюдается неоднозначная е висимость показазаний прибора от температуры отпуска в области БЭС 600 С при измерении (1-0). Для данных детслей по серийной те» нологии температура отпуска составляет 520-540 С. По мере увеличен/ размагничивающего тока зависимость становиться монотонной и при I 0,6 А можно осуществлять контроль режима термообработки. Прибор вВе рен на ПО "Звезда" г.С.-Петербург в качества средства контроля терм ческой обработки деталей из низкоуглеродистых сталей и конструкцион с содержанием углерода >0,3%.

В пятой главе описан способ и устройство для неразрушающего магнитного контроля биметаллических стальных изделий.

Решение задачи неразрушающего магнитного контроля качества поверхностного упрочнения обусловлено не только большим объемом изделий как из литых, так и порошковых сталей, подвергающихся поверхноС' тной эакалсе, цементации, азотированию и другими видами поверхностного упрочнения, но и большой длительностью и трудоемкостью стандар тных разрушающих методов определения структуры и глубины упрочнении слоев изделий. При неразрушающем магнитном методе контроля упрочненных изделий считается, что свойства сердцевины не меняются и не подлежат контролю, а прочностные свойства упрочненного слоя определяются путем локализации электромагнитного потока на определенной глубю от поверхности детали. Методом порошковой металлургии возможно получение многослойных материалов, слои которых совместно прессуются из равных по структурному состоянию компонентов с последующим спекание! с целью получения определенных прочностных свойств по толщине издел> Проблему одновременного определения свойств как поверхностного слоя, так и сердцевины изделия можно решить путем использования особенностей перемагничивания двуслойного ферромагнетика. Перегибы петли гистерезиса двуслойного ферромагнетика свидетельствуют о наличии второго, отличного от основной массы материала слоя, и не характеризуют количественно ни его величину, ни его свойства. Предложено в качеств информативного параметра, в этом случае, использовать зависимость дифференциальной магнитной проницаемости от величины перемагни-чиваицего поля Н. Перегибы петли гистерезиса проявляются в виде двух максимумов на зависимости nd(H). Наиболее простым способом получения зависимостей и определения полей, в которых эти максимумы про-

являются является измерение Э.Д.С. катушки, охватывающей образец при перемагничивании его линейно изменяющимся током. При этом о - - w (cffi/dt) - - w CdH/dt) (d$ /dH + d$ /dH) -- w CdH/dt) (aiMdl+ з2ца* ), 2 где Ф, $ - магнитные потоки в двуслойном образце и в каадом из его слоев соответственно, а , з - сечения слоев. Поскольку dH/dt -const, е - к 2^вх правило проницаемость магнито-

жесткого слоя мала в поле, при котором проницаемость магнитомягкого слоя достигает своего максимума и наоборот. Поле максимальной магнитной проницаемости образца практически совпадает со значением его коэрцитивной силы. Таким образом, определяя поля, в ко.орых проявляются максимумы, можно получить информациг о величине коэрцитивной силы олоев и по известным закономерностям определять качество этих слоев. Эксперименты, проведенные на составных двуслойных образцах, выполненных в виде двух колец, изготовленных из стали 40Х, одно из которых было в исходном состоянии, а другое закаленное в масле и отпущенное подтвердили допущенные предположения. Содержание каждого слоя, т.е. высота колец менялась от 0 до 8 мм через 1 мы при сохранении посто-' янной общей высоты образца. На тороиды наносили намагничивающую н измерительную обмотки. Однородные образцы, изготовленные из названных материалов, арестовывали по величине их магнитных характеристик. Перемагничивание осуществляли полем амплитудой 150 А/см и частотой 0.1 Пд от источника тока треугольной формы. Дифференциальную проницаемость определяли путем измерения Э.Д.С. измерительной обмотки и записи зависимостей е(Н) на графопостроителе. Максимумы проницаемос-тей наблюдаются примерно в одном и тон же поле для образцов с различным соотношением слоев м с одинаковыми от образца к образцу свойствами этих слоев. Поля максимальной дифференциальной магнитной проницаемости однородных материалов соответствуют аналогичным полям двуслойных образцов, изготовленных из этих материалов. На практике упрочненное изделие всегда имеет между упрочненным слоем и сердцевиной переходную зону с плавно меняющимися от поверхности к глубине свойствами. Для проверки влияния переходной зоны на характер зависимостей тила исследовались образцы, вырезанные из поверхностно зака-

ленной ТВЧ полуоси автомобиля М-412 из стали 40Х. Получегс, что несмотря на. наличие переходной зоны, характер изменения М^СН) тот же, что и для модельных составных двуслойных образцов.

Ограничением к использованию описанного метода является то, что

изделие должно перемагничиваться вдоль линии раздела слоев. Реальные намагничивающие устройства (пермеаметры, соленоиды, катушки и накладные электромагниты) не обеспечивают строгого выполнения этого услов» поскольку при перемагничивании и изделии присутствует нормальная к поверхности раздела слг w составляющая магнигного потока. Однако, несмотря на это способ может быть использован для некоторых типов деталей с небольшим размагничивающим фактором, например в'виде удлиненны} стержней. В этом случае поля, в которых проявляются максимумы дифференциальной магнитной проницаемости не соо ветствуют в точности значениям Нс, однако для деталей одинаковой формы и размеров возможен относительный контроль.

Разработано устройство, позволяющее определять в абсолютных е а-чениях величины полей, соответствующих максимумам значений дифференциальной магнитной проницаемости, с выводом результатов на стрелочный или цифровой индикаторы. Принцип работы устройства 8аклг-*лется в создании в намагничивающем устройстве гсоленоиде, электромагните) тока треугольной формы для перемагничивания образца по предельной петле магнитного гистерезиса; съеме с измерительной обмотки индицируемой Э.Д.С., поступающей на электронный дифференциатор на выходе которого сигнал пропорционален дифференциальной магнитной проницаемости dp/dH нулевые значения которого соответствуют эктремальным значениям дифференциальной магнитной проницаемости; измерении в момент перехода через нуль значений перемагничивающего тока. Предложенное устройство реализовано в приборе, предназначенном для контроля изделий, упрочненных с помощью токов высокой частоты.

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально обнаружено, что коэффициенты А и.В ч уравнению! закона приближении к магнитному насыщению коррелируют с пористостью спеченных изделий и могут быть использованы в качестве параметров для неразрушающего определения остаточной пористости порошковых сталей.

2. Установлено, что коэрцитивная сила порошковых сталей, измеренная на частных циклах петель магнитного гистерезиса в релеевской области, определяется лишь их структурным состоянием и слабо зависит от остаточной пористости; коэрцитивная сила, измеренная по предельному циклу может быть использована для контроля структурного состояния порошковых сталей после спекания и закалки при условии постоянст-

ва плотности сталей. '

3. Показано, что изделия с большим коэффициентов размагничивания возможно намагнитить до состояния технического насыщения суперпозицией небольшого постоянного и значительного импульсного магнитных полей; предложено устройство импульсного намапшчивания, обеспечивающее высокую амплитуду, плавный спад намагничивающего импульса, эффективность использования которого сравнима с применением суперпозиции постоянного и импульсного полей.

4. Обнаружено, что форма Э.Д.С., наведенной в измерительной катушке движущимся ферромагнитным телом, магнитный момент которого близок к нулю, имеет сложный вид, обусловленный появлением в изделии участков неоднородной намагниченности;.с целью повышения достоверности ин-[юрмации о магнитном состоянии движущегося изделия, предложено анализировать полный сигнал наводимой Э.Д.С. путем его выпрямления и после-цпощего интегрирования.

5. Предложен способ повышения точности определения коэрцитивной ;илы движущихся ферромагнитных тел, заключающийся в измерении магнит-юго потока изделия в двух последовательно расположенных однородных . »змагничиеающих постоянных полях после завершения в них релаксации 1амагниченности испытуемого ферромагнетика.

С Выявлено, что влияние нестабильности геометрических размеров [вижущихся намагниченных изделий на величину остаточного магнитного ютока нежно существенно снизить, если производить частичное размаг-мчивание изделия в постоянном магнитном поле Н < Н < Н .

7. Предложен метод и устройство неразрушаюшаго контроля Симетал-кческих стальных изделий; по амплитудному значению максимумов поле-ой зависимости дифференциальной магнитной проницаемости двуслойного. ерромагнетика оценивается соотношение толщин слоев, а напряженности олей, в которых эти максимумы наблюдаются, характеризуют прочностные войства поверхностного слоя и сердцевины изделия.

8. Разработаны приборы типа АИКС для контроля качества спекания термической обработки малогабаритных изделий из порошковых и литых

энструкционных сталей, приборы КТС для неразрушающего определения ка-эства спекания вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов по коэрцитив-эй силе. Приборы позволяют проводить измерения абсолютных значений ээрцитивной силы и их показания нэ зайисят от размеров, формы, состо-шя поверхности контролируемых игцелий. Разработан высокопроизводи-• ыгьный прибор П0Т0К-2 для неразрушающего определения физико-меха-

кических свойств ферромагнитных изделий в процессе их движения по остаточному магнитному потоку предварительно намагниченных изделий или по остаточному магнитному потоку, полученному после воздействия постоянного размагничивающего магнитного поля. Приборы внедрены на ряде промышленных предприятия.

Основное содержание диссертации отражено в работах.

1. Загайнов A.B., Ульянов А.И. Прибор для контроля качества твердых сплавов // Дефектоскопия.- 1861.- N 8,- С. 80-65.

2. Загайнов A.B., Ульянов А.И. Прибор для контроля качества изделий из твердых сплавов // Неразрушающие методы и средства контроля: Тезисы докл. II Всесоюзной конф.- Минск, 1881.- В-1В.- С. 56-5ь.

3. Ульянов А.И., Стерхов Г.В.. Ермолаев В.Г., Загайнов A.B. Ртаяние пористости и фазового состава на магнитные свойства спеченной конструкционной стали ЕГр1Д2,5К0.4 // Дефектоскопия,- 1983.- N 2.-С.88 38.

4. A.c. 125271В СССР, МКИ G Ol.N 27/72. Способ контроля качества многослойных ферромагнитных изделий / Э.С.Горкунов. Б.М.Лапидус, A.B.Загайнов (СССР).- Опубл. 23.08.88. Еюл. N 31.- Зс.:ил.

5. Ульянов А.И., йайзуллин Р.Г., Загайнов A.B. Магнитная восприимчивость спеченной стали ЗОНМ в области сильных магнитных полей // Порошковая металлургия.- 1887.- N 6.- С. 83-88.

6. Загайнов A.B., Ульянов А.И. Прибор для измерения коэрцитивной силы изделий из твердых сплавов в разомкнутой магнитной цепи // Дефектоскопия.- 1888.- N 8.- С 80-81.

7. Горкунов Э.С., Лапидус Б.М., Загайнов A.B., Воронов С.А., Бушыеле-ва Г.Я. Использование дифференциальной магнитной проницаемости для контроля качества поверхностного упрочнения // Дефектоскопия.-1868.- N 7.- С. 7-13.

8. A.c. 1529086 СССР, МКИ G01 N 27/72. Устройство для контроля качества многослойных ферромагнитных изделий / С.А.Воронов, Б.М.Лалидус, Э.С.Горкунов, А.В.Загайнов (СССР).- Опубл. 15.12.88. Вюл. N 46.-Зс.:ил.

8. A.c. 1504638 СССР, МКИ G Ol R 33/12. Способ измерения коэрцитивной силы материала движущихся малогабаритных ферромагнитных изделий / А.И.Ульянов, Э.С.Горкунов, А.В.Загайнов (СССР).- Опубл. 30.08.88. Бол. N 38.- 2с.:ил.

10. A.c. 1516841 СССР, МКИ G Ol N 27/80. Способ электромагнитного