CC BY
292
- 2 (46). 2006
/33
Л ИТЕИ1^Г1^
ПРОИЗВОДСТВО
Analysis of modern state of theoretical and experimental investigations and instrument realization of magnetic control of structure of the articles of ferromagnetic steels and cast irons is carried out. It is shown that many control problems can be solved directly in workshops and laboratories.
С. Г. САНДОМИРСКИЙ, О ИМ HAH Беларуси
МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ СТРУКТУРЫ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ИЗДЕЛИЙ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ (обзор)
УДК 620.179.14
Введение
На металлургических и машиностроительных предприятиях выпускаются массовые партии изделий из сталей и чугунов, заданная структура и механические свойства которых достигаются определенными режимами термообработки. Возможные отклонения в химическом составе материала изделий, режимов их охлаждения и термообработки от заданных приводят к недопустимым отклонениям свойств изделий, требуют контроля всей продукции. Прямые методы определения механических свойств и структуры [1, 2] являются разрушающими и не могут быть использованы для определения качества изделий, предназначенных для эксплуатации. Современный уровень развития науки позволяет прогнозировать возможность использования магнитного метода для неразрушающего контроля режимов термообработки, химического, структурного и фазового состава изделий из ферромагнитных материалов, а современный уровень приборной реализации метода — осуществлять такой контроль в автоматическом режиме непосредственно в цехах и заводских лабораториях. Однако информация о современных возможностях магнитного структурного анализа рассредоточена по различным, иногда трудно доступным источникам. Это сдерживает более широкое применение метода в промышленности.
Целью настоящей работы является систематизация и обобщение основных принципов магнитного контроля структуры изделий из ферромагнитных сталей и чугунов и ознакомление с ними технологов и работников заводских лабораторий промышленных предприятий.
Ферромагнитные свойства конструкционных сталей и чугунов
Большинство железоуглеродистых сплавов, к которым относятся сталь и чугун, обладают ферромагнитными свойствами. При изменении магнитного поля Н их намагниченность М изменяется нелинейным и неоднозначным образом — по петле гистерезиса [3] (рис. 1). Не существует точной аналитической формы записи функции М(Н) с учетом процессов формирования, роста, переориентации элементарных объемов намагничивания — магнитных доменов. Но в технических расчетах магнитного состояния ферромагнитных материалов возможно использование различных аппроксимирующих зависимостей [4—7]. Эксперименты [8] показали, что наиболее точно намагничивание конструкционных материалов описывают формулы [7], имеющие следующую компактную запись.
Формула для основной кривой намагничивания:
Рис. 1. Кривая намагничивания и часть нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса ферромагнитного материала и тела (пунктир)
Мт=ХН
HCSHm Hm+HCS
Мс
Hi
п H2m+kH2cs
V1/ 1ЧЛ HcsH-D'H. У (- 1)" arctg C5 K
л=0 M0
(1)
34
IГШ*?, КШуГЛГШ
I 2 (46). 2008 -
Формула для нисходящей ветви петли гистерезиса:
"сз+Н )пНп
Н2СЗН М5 Н2т М =1и- -^— -
Н2+Н23 к Н2т+кН2С5
Пге + П V 1
ЗагсЛ» -----
Яо п=0 Ио
(2)
где Л/ — намагниченность материала в поле Н на нисходящей ветви петли гистерезиса после намагничивания в поле Я до намагниченности АГ ;
Н 0=-
ЯС5 , М $ агс!ё(2ЯС5/Я0)
:—г-^т: £ =----------1; (3)
л
2М7
71
Л/у, соответственно коэрцитивная сила, намагниченность насыщения и остаточная намагни-
ченность материала при намагничивании по предельной петле гистерезиса; %н — начальная магнитная восприимчивость; Мс — намагниченность по основной кривой намагничивания при Нт=НС8.
Непосредственное применение формул (1)—(3) в технических расчетах затруднено использованием в них параметров %н и Мс, отсутствующих в большинстве справочников по магнитным характеристикам сталей и чугунов. Попытка [9] уточнения предложенных в [7] формул не привела к достоверно обоснованным результатам и возможности использования в расчетах лишь основных магнитных параметров материала. Между тем, в [10] установлены приближенные эмпирические формулы, связывающие между собой магнитные характеристики конструкционных сталей. В [11] с использованием известных из литературы данных о магнитных характеристиках 200 разновидностей сталей, выпускаемых современной российской промышленностью, проверена применимость к ним эмпирических формул, выведенных в начале XX в. и связывающих эти характеристики друг с другом. Показано, что эти формулы справедливы и по отношению к современным материалам. Для максимальной магнитной проницаемости материалов при Нс<6 кА/м обоснованы следующие соотношения, связывающие ее с параметрами предельной петли гистерезиса:
цт »(0,476 + 0,00568ЯСХ (Э)) (4)
ЯЦи|»(1,2-1,4)ЛС5> (5)
Вц = 1,3(0,476 + 0,00568ЯС5 (Э))ВК (6)
Н-/Я 5 V /
где ВК — остаточная индукция материала при перемагничивании по предельной петле гистерезиса. Величину НС8 во внутренних скобках в (4), (6) по [10] следует подставлять в эрстедах, учитывая, что 1Э~79,8 А/м.
В [12, 13] на основании результатов экспериментальных исследований [7, 8] обосновано соотношение между хн и анализируемых материалов:
(7)
На основании (4)—(7) для вычисления хн и Мс в [12, 13] использованы выражения:
Мс ~ 0,67 (0,476 + 0,0712ЯС5 (КА/М))Мл , (8)
хн - 0,33(0,476 + 0,0712ЯС5. (кА/м))Мл / НС8 -1. (9)
Во внутренних скобках в (8), (9) величину НС5 следует подставлять в кА/м.
По формулам (1)—(3), (8), (9) кривая намагничивания, предельная и частная петли магнитного гистерезиса конструкционных ферромагнитных материалов могут быть рассчитаны с достаточной для практики точностью по НС5, М8 и МК
Измерение магнитных свойств конструкционных материалов
В соответствии с [14] измерения магнитных характеристик проводятся на кольцевых или прямолинейных образцах на аппаратуре (установках У5045, БУ-3, их аналогах [15—19]), удовлетворяющих требованиям [14]. Современная аппаратура (например, автоматизированные компьютеризированные комплексы «ЯЕМАСКАРН С-500» и «ЯЕМАОЛАРН С-300» [20]) обеспечивают построение полного статического гистерезисного цикла магнитомягких и магнитотвердых материалов за 70 с. Измерения проводятся на образцах прямолинейной формы в замкнутой магнитной цепи пермеаметра. Однако существующая аппаратура не применима в производственных условиях для контроля промышленных изделий из-за высокой стоимости, низкой производительности и необходимости
_/об
-- 2 MB). 2008/ Ulf
разрушения контролируемых изделий для изготовления образцов. Проведение таких измерений может быть рекомендовано при исследовании магнитных свойств новых ферромагнитных материалов. Для большинства сталей и чугунов такие исследования проведены, а их результаты обобщены.
Физическая основа магнитного структурного анализа
Физической основой магнитного структурного анализа является то [21], что как механические, так и магнитные свойства сталей и чугунов чувствительны к структурным превращениям, происходящим в них при различных термических обработках. К настоящему времени исследованы зависимости магнитных и механических свойств от структурного состояния, температуры нагрева при закалке и отпуске для большинства сталей и чугунов разных классов [22—29]. Установлено, что изменения структурного состояния сталей и чугунов приводят, как правило, к закономерному изменению их магнитных характеристик и механических свойств. Характерные зависимости изменения основных магнитных параметров углеродистых сталей от температуры отпуска приведены на рис. 2, а возможные диапазоны изменения основных магнитных параметров чугунов с различной структурой — в таблице. Наиболее структурочувстви-тельным магнитным параметром конструкционных материалов является Hcs, которая определяется средней величиной сил, задерживающих необратимое смещение границ между доменами при перемагничивании. Факторами, задерживающими такое смещение, могут быть [3] неферромагнитные включения различной формы и дисперсности, напряжения, обусловленные дислокациями и другими причинами, градиенты напряжений, границы фаз, зерен и другие неоднородности и дефекты кристаллического строения. Закономерный характер установленных зависимостей позволил [27, 30, 31] обобщить их и получить аналитические взаимосвязи Hcs с температурой закалки и отпуска различных сталей с учетом содержания в них легирующих элементов. Полученные выражения позволяют, например, при известном химическом составе и температуре закалки аппроксимировать зависимости Hcs различных марок сталей от температуры отпуска.
Магнитные свойства чугунов с различной структурой по [25]
Тип чугуна Тип металлической основы HCs, А/см Ms, А/см MR, А/см
Белый чугун 10,4-12,8 180-200 10350 400-440
Серый Ферритная 2,0-4,0 600-1500 14330 240-440
Перлитная 5,6-10,4 200-450 13930 320-560
Высокопрочный Ферритная 1,2-2,0 1600-2400 15130 240-480
Перлитная 4,0-8,8 300-600 14730 400-640
Ковкий Ферритная 1,2-2,0 1500-2300 14330 440-560
Перлитная 4,0-8,8 300-800 13930 480-600
Коэрцитиметрические методы магнитного структурного анализа
Магнитный контроль качества термообработки и структуры стальных и чугунных изделий во многих случаях может быть основан на различии их НС5. В промышленности для контроля качества изделий наибольшее распространение получили методы, основанные на косвенном определении НС8.
Методы магнитного контроля структурного состояния изделий из конструкционных ферромагнитных материалов по току размагничивания приставных магнитных устройств широко распространены
т °с
' огп» ^
Рис. 2. Зависимости (по [28]) основных магнитных параметров #С5, Ms, MR и хн сталей 30 (/) и 45 (2), закаленных от температуры 850 °С, от температуры отпуска Готп
ос / /;г:гггГ: г г^пттгглтггт1
и о / 2 (46), 2008 -
тя
и хорошо освещены в литературе [21, 22, 25, 32, 33]. Их недостатком, кроме сильной зависимости результатов измерения от качества магнитного контакта преобразователя с контролируемой поверхностью, является низкая производительность.
Методы контроля изделий из конструкционных ферромагнитных материалов по полю от остаточной намагниченности после намагничивания изделий по методу «точечного полюса» [34] и остаточному магнитному потоку в изделии [35] используют особенности формирования остаточной намагниченности изделий при намагничивании в разомкнутой магнитной цепи.
Физическая причина «коэрцитивности» остаточной намагниченности
В.К. Аркадьевым [36], Р.И. Янусом [37] и впоследствии Ф. Ферстером [38] показано, что малогабаритное изделие, намагниченное до насыщения, после снятия внешнего поля сохраняет остаточную намагниченность тела М^ которая меньше остаточной намагниченности материала изделия Мк . Во многих случаях можно считать
(Ю)
МА
1 С5
N
где N — размагничивающий фактор тела.
Таким образом, при постоянных размерах изделия (Л^сошО Мё определяется НСБ (см. рис. 1) и является структурочувствительным параметром. Это лежит в основе контроля свойств изделий по остаточной намагниченности.
На использовании этого явления основан один из распространенных методов контроля свойств изделий по результатам косвенного определения НС5 — метод «точечного полюса» [34]. Метод заключается в кратковременном контакте одного из полюсов постоянного магнита (электромагнита, соленоида с током) с контролируемой поверхностью и последующем измерении составляющих поля остаточной намагниченности (или его градиентов) над намагниченным участком. Коэрцитиметрический эффект метода обусловлен большим N намагниченного участка. Анализ теоретических и экспериментальных исследований по применению метода «точечного полюса» в магнитном структурном анализе и приборной реализации метода проведен в [34]. К последним достижениям метода отнесем результаты контроля твердости чугунных отливок магнитным методом после полюсного намагни- в т чивания [39], проведенный [40] анализ влияния размеров датчиков на их чувствительность к НС8 материала изделия и анализ изменения чувствительности метода при измерении различных параметров поля на расстоянии от намагниченной поверхности. По результатам этого анализа предложен [41] способ снижения (более чем на порядок) влияния непостоянства зазора между датчиком и изделием на результаты контроля свойств изделия при одностороннем доступе к поверхности (рис. 3). Полученные результаты делают перспективным совершенствование базового прибора МС-1 [42] для
г Рис. 3. Результаты применения традиционного [34] (1, 2) и
структурного анализа крупногабаритных отли- „„„„„„^„'^ Ы11 а* '
пзг г* *г предложенного [41] (У , 2) способов «точечного полюса» для
ВОК при наличии окалины на поверхности не- контроля свойств стальных листов из стали 65Г (/, Г) и посредственно в цехах промышленных предприятий.
1,5
1,0
_____2'.-. ----
** *
5
X. мм
стали 3 (2, 2') при изменении зазора X между изделием и преобразователем
Формулы для расчета размагничивающего фактора изделий
Физической моделью многих промышленных изделий может быть сплошной или полый цилиндр. Анализ [43] исследований, проведенных многими авторами, позволил рекомендовать для расчета центральных коэффициентов размагничивания тел такой формы из материала с (х>> 1 при намагничивании параллельно (IV) и ортогонально (Л^) образующей формулы:
N = К2-К)Э(Х)к(Х) для 0,2<^<оо, 0</г<1 (11)
и
для 0<?1<оо, 0<й<1,
(12)
шгг^ Г Ш&^ШП 107
- 2 (46). 2008/ и#
Ь 28
где X = —; ~ р - /. - длина; Л — наружный диаметр; 8 - толщина стенки полого цилиндра (при /г=1 получим формулы для сплошного цилиндра);
1 + 2,351п(1 + 0Д37?1)
к(к)-.
Э(Х) ■
1-Х2
1 + 2,281п(1 + 0,284^)' X
1 - , — агссоБ X
для о < ^ < 1;
Э(Х) =
Х2-1
4\2
г1п
-1
ДЛЯ ^>1.
(13)
(14)
(15)
Центральный коэффициент N размагничивания изделий сложной формы сечения рассчитывается как N сплошного цилиндра той же длины и площади сечения.
Особенности намагничивания ферромагнитного тела
Р.И. Янус [37] для аппроксимации изменения намагниченности на нисходящей ветви предельной петли гистерезиса ферромагнитного материала воспользовался формулой Фрелиха:
М*М5(Я + ЯС5)
(Н>-Нсз).
м = -
м5нС5+мКн
(16)
Решая (16) совместно с уравнением из [36], связывающим напряженности внутреннего Я. и внешнего Я поля в намагничивающемся изделии
Яг =Яе-М/,
он, полагая в (17) Я=Я , получил при Н= 0 следующее выражение для М^.
М5{НС5+ММК)
2ЫМ г
1-Л—
_4М|УШС5
М5(НС5+ММК)
(17)
(18)
Из (18) при ММК»НС5 следует (10). Формула (18) была экспериментально обоснована и проанализирована в [44]. В работе [45] дано ее развитие для всей предельной петли гистерезиса однородно намагничивающихся тел.
Однако реально достижимые в средствах магнитного неразрушающего контроля намагничивающие поля, как правило, недостаточны для намагничивания изделий в разомкнутой магнитной цепи до насыщения [46]. Для расчета М(1 изделия, намагничиваемого в разомкнутой магнитной цепи не до технического насыщения по НС5, М3 и МК материала, размагничивающему фактору N изделия и напряженности Не внешнего намагничивающего поля разработана [12] следующая методика. Величину Нт максимальной напряженности внутреннего поля в изделии при намагничивании полем Не определяют совместным решением уравнений (1) и (17) с учетом (8), (9). При этом в (17) полагают Н~Нт. По найденному значению Нт из совместного решения (2) и (17) при Н= 0 определяют величину Мй . При этом в (17) полагают Н=Н.
Проведенный расчет позволил проанализировать основные закономерности изменения Мт и Ма изделий различных размеров из разных конструкционных материалов и физические ограничения магнитного метода контроля, обусловленные недостаточным промагничиванием изделий в разомкнутой магнитной цепи реально достижимым стационарным и импульсным магнитным полем [12, 13]. Установлено, в частности, что для изделий из материалов (см. рис. 2), НС8 которых с изменением контролируемого параметра (например, температуры отпуска) монотонно уменьшается, а МК — возрастает, при намагничивании в разомкнутой магнитной цепи до состояния, далекого от магнитного насыщения, наблюдается повышение чувствительности Мл к контролируемым свойствам по сравнению с намагничиванием до насыщения. Наиболее эффективным такой режим контроля может оказаться дяя «коротких» (с большим АО изделий из материалов с Нс<\ кА/м. Использование намагничивания «коротких» изделий в открытой магнитной цепи требует высокой стабильности намагничивающего поля, так как чувствительность Ма к изменениям Я в достижимых полях высокая.
Показано также, что чувствительность М6 к изменению размеров «коротких» изделий при намагничивании в открытой магнитной цепи возрастает с уменьшением Не. Разработанный [47] метод контроля движущихся изделий по коэрцитивной силе наиболее эффективен для контроля достаточно «длинных»
2
9о / /; гда г ктмтгШ} _____
и II / 2 (46). 2008 ---—-
изделий, когда их намагничивание в разомкнутой магнитной цепи происходит до состояния, близкого к магнитному насыщению.
Влияние предварительной намагниченности изделий на их остаточную намагниченность после намагничивания в открытой магнитной цепи также проанализировано [48] с использованием методики [12] расчета Мё изделия. Проведен анализ возможной погрешности а измерения Ма изделия после намагничивания в открытой магнитной цепи в поле Не. Установлены границы применения магнитного контроля свойств изделий при намагничивании в открытой магнитной цепи без предварительного размагничивания. Показано, что контроль с о~0 для изделий материалов с Нс< 1 кА/м при намагничивании в поле Н=40 кА/м возможен при ^8, а при #=60 кА/м — при >^>5, а=5% при контроле в этих полях достигается при 7^6 и 4. Для более коротких изделий применение магнитного метода рекомендовано для контроля ненамагниченных (сразу после литья или термообработки) либо размагниченных изделий.
Современные средства контроля изделий массового производства
Разработанные принципы магнитного неразрушающего контроля структуры и механических свойств изделий из конструкционных материалов заключаются [49] в использовании последовательно-поступательного свободного падения контролируемых изделий с заданной высоты сквозь область с намагничивающим полем заданной напряженности, формировании на пути движения изделий локальной области с размагничивающим полем заданной напряженности и областей, где действие намагничивающего и размагничивающего полей на контролируемые изделия скомпенсировано, измерении магнитного состояния изделия при его движении в этих областях и обработке результатов измерения по разработанным алгоритмам. В [50] показано, что, несмотря на действие на изделие при выходе из намагничивающей катушки тормозящей силы, многократно превосходящей силу тяжести, может быть выбрана высота падения изделий, при которой будет обеспечен их пролет сквозь намагничивающее поле без зависания.
Различные методики магнитного контроля изделий реализованы [35] созданием на пути движения изделий компактных областей с магнитным полем заданной напряженности. Разработанные принципы создания за областью с намагничивающим полем Н0 на пути движения изделия протяженной области с однородным магнитным полем заключаются [51] в использовании эффектов одинаковой скорости уменьшения магнитного поля на оси катушек, имеющих разные внутренний и внешний диаметры, на разных расстояниях от их торцов, создания однородных поля и градиента поля катушками Гельмгольца и резкого уменьшения поля за пределами «безмоментных» намагничивающих катушек.
Разработанные принципы обеспечили намагничивание изделий полем #=40—50 кА/м и создание заданных распределений (рис. 4) поля вдоль оси X движения изделий. Они реализованы в комплексе «Магнитных анализаторов качества стальных изделий МАКСИ», автоматически сортирующих изделия на годные и брак с производительностью до 2 изд./с.
В приборе «МАКСИ (АНБ-692)» индукционные преобразователи измеряют максимальный магнитный поток Фм в изделии при намагничивании и Фё в области, где намагничивающее поле скомпенсировано (зависимость У\ на рис. 4). В приборе МАКСИ-2 изделия перед измерением Фа частично размагничивают (зависимость У1). Приборы «МАКСИ-У (универсальный)» (рис. 5, а, зависимость 13
на рис. 4) и «МАКСИ-Д (дизельный) (рис. 5, б, рис 4. Распределение магнитного поля вдоль оси движения зависимость У4 на рис.4) обеспечивают создание изделий в зоне контроля приборов: У1 - МАКСИ (АНБ-на пути движения изделий заданных распределе- ~ МАКСИ-2; УЗ - МАКСИ-У; У4 - МАКСИ-Д
ний магнитного поля и измерение магнитных параметров изделия при движении в нем. В них снижено влияние изменений размеров изделий на результаты контроля [47] и повышена чувствительность к поверхностным свойствам изделий.
Технические характеристики приборов МАКСИ, надежность контроля и сортировки, удобство включения в действующие циклы производства подтверждены результатами метрологической аттестации, внедрением на заводах России и Беларуси. Прибор МАКСИ-У, предназначенный для коэрци-тиметрического контроля физико-механических свойств и автоматизированной сортировки деталей машиностроения, при производительности контроля до 2 изд./с в диапазоне изменения продольных
/ж
ГГ* ГГ /яо
- 2 (46). 2006/ и€1
размеров изделий 10—160 мм, поперечных — 3—40 мм аттестован ГОССТАНДАРТ в диапазоне измерения 0,0199,9 мкВб с основной приведенной погрешностью не более 1,5%. При тех же размерах контролируемых изделий прибор МАКСИ-Д, предназначенный для неразруша-ющего магнитного контроля физико-механических свойств деталей дизельных двигателей, аттестован в диапазонах измерения 0—9,99 и 0-99,9 мкВб с относительной погрешностью 1,5%, а намагничивающий ток задан с погрешностью ±0,5%. Это удовлетворяет и требованиям [14] к магнитоизмерительной аппаратуре.
■■1■
**** пш '
Рис. 5. Базовые модели приборов магнитного неразрушающего контроля изделий массового производства: МАКСИ-У (а) и МАКСИ-Д (б)
Особенности контроля качества изделий из легированных сталей
Коэрцитивная сила НС8 среднеуглеродистых легированных сталей и остаточный магнитный поток Фё в изделиях из них не однозначно связаны с температурой отпуска Тогп изделий после закалки и
и с
Фа, мкВб
4.5
с их механическими свойствами. Частичное размагничивание изделий из таких материалов последующее измерение Фё в них позволяет, как правило, устранить неоднозначность связи Фа механическими свойствами и температурой отпуска таких изделий. Но чувствительность зависимости Ф, от механических свойств не достаточна для достоверного контроля. Для контроля качества термообработки изделий из легированных сталей предложено [49] намагничивать изделие в процессе движения, измерить Ф^(Ф,) после выхода изделия из области с намагничивающим полем, создать на пути движения изделия локальную область с постоянным размагничивающим полем, измерить второе значение остаточного магнитного потока Фа (Ф2) в изделии после его выхода из области с размагничивающим полем и о свойствах изделия судить по отношению РЗ результата этого измерения к разности результатов первого и второго измерений. Проведенные исследования показали, что наилучшую достоверность контроля обеспечивает размагничивающее поле 2 кА/м. Информационный параметр контроля ГЗ обеспечивает высокую чувствительность контроля к механическим свойствам изделий из среднеуглеродистых легированных сталей и независимость результатов контроля механических свойств изделий от изменений их размеров в пределах технологических допусков (рис. 6). Методика реализована прибором МАКСИ-У с модернизированным преобразователем прибора МАКСИ-Д. Применение разработанной методики (рис. 7) обеспечило высокий коэффициент корреляции Е= 0,85 в линейном уравнении регрессии между пределом прочности ов болтов крепления противовеса из стали 40ХН и показаниями прибора, гарантировало заданные механические свойства болтов, позволило вернуть в производство тысячи дорогостоящих ответственных болтов дизельных двигателей [49].
Контроль чугунных отливок массового производства по остаточному магнитному потоку в отливке после намагничивания в разомкнутой магнитной цепи реализован на ОАО «Минский завод отопительного оборудования» и ряде металлургических заводов России на базе наиболее совершенного
Ф1 Ф2
КЗ
К5
ч
\ ч \ N
\Ч \
\ — — __
----
\
-->4
250
300
350 400 450 500
^Готп
Рис. 6. Изменения информационных параметров приборов от температуры отпуска Тотп болтов крепления противовеса N9240-1005018 из стали 40ХН: Ф1 (пунктирная линия) - МАКСИ (АНБ-692) и МАКСИ-У; Ф2 (точки) - МАКСИ-2 и МАКСИ-Д; (сплошная линия) -МАКСИ-У с модернизированным преобразователем прибора МАКСИ-Д
б
а
40/
2 (46). 2008 -
1,6
1.5
1.4
1,3
1,1
♦ ♦
/
* ♦
прибора контроля изделий в движении — «Магнитного анализатора качества структуры изделий МАК-СИ-П (портативного)» [52]. Принцип действия прибора заключается [35, 52] в бесконтактном намагничивании изделия в открытой магнитной цепи при его свободном падении сквозь область с намагничивающим полем постоянной напряженности Не и измерении величины Ф6 остаточного магнитного потока в изделии при его движении сквозь область, где намагничивающее поле экранировано. Намагничивание осуществляется в стационарном поле двухполюсной магнитной системы напряженностью 46— 60 кА/м. Намагничивающее поле ортогонально направлению движения изделия. При своем движении намагниченное изделие индуцирует в измерительном преобразователе специальной конструкции сигнал, вольт-секундная площадь полуволны которого измеряется (в мкВб) и индицируется на двухразрядном цифровом табло прибора. Результат измерения сравнивается с предварительно установленными пределами годности изделия по измеряемому параметру. По результату сравнения исполнительный механизм осуществляет сортировку изделий на годные и брак с производительностью до 2 изд./с.
Исследование влияния микроструктур отливок «ниппель 1 %" » стандартного размера на показания
прибора МАКСИ-П и определение на этой основе порогов показаний прибора для разбраковки необточенных отливок ниппелей на группы по обрабатываемости проведено в [53]. Анализ относительного изменения остаточного магнитного потока в отливке при изменении ее размеров [52], проведенный на основе описанной выше методики с использованием аналитических выражений (1)-(3), (8), (9), (11), (17), позволил получить формулу для расчета нового порога Ф2 разбраковки ниппелей
90 100 110 120
<Гя,МПа
Рис. 7. Зависимость параметра ¥Ъ от предела прочности <зв промышленной партии болтов крепления противовеса №240-1005018 из стали 40ХН
по значению
Ф1 старого порога разбраковки с учетом изменения длины ниппелей:
ф. = ф,
м22( 1-М,)'
(19)
где и Ы2 — соответственно центральные коэффициенты размагничивания ниппеля старого размера и укороченного, вычисленные по формуле (11). По результатам расчета остаточного магнитного потока Фа в отливке, выполненного с учетом изменения N отливки при сохранении площади ее сечения, дана количественная рекомендация о снижении порога отбраковки отливок. Эксплуатация автоматизированной линии контроля и автоматической разбраковки по обрабатываемости необточенных отливок ниппелей из ковкого чугуна КЧ30-6 на базе приборов МАКСИ-П [52] подтвердила правильность сделанной рекомендации. Фактический экономический эффект от эксплуатации линии на ОАО «МЗОО» в 2007 г. превысил 864 млн. руб.
Выводы
1. Физической основой магнитного структурного анализа является чувствительность механических и магнитных свойств сталей и чугунов к структурным превращениям металла. К настоящему времени исследованы и систематизированы зависимости магнитных и механических свойств от структурного состояния, температуры нагрева при закалке и отпуске для большинства сталей и чугунов. Наиболее структурочувствительным магнитным параметром конструкционных материалов является коэрцитивная сила НС8.
2. Разработанные аппроксимации изменения намагниченности материалов в магнитном поле и методики расчета позволяют с достаточной для практики точностью по НС8, М5,, Мк материала изделий, их размерам и напряженности Я намагничивающего поля рассчитать предельные и частные петли гистерезиса конструкционных сталей и чугунов и изделий из них, остаточную намагниченность Мл изделий, выбрать оптимальные режимы контроля.
3. Наибольшее распространение для решения различных задач магнитной структуроскопии промышленных изделий из конструкционных ферромагнитных материалов получили коэрцитивно чувствительные методы и приборы, основанные на контроле структурного состояния изделий по току размагничивания приставных магнитных устройств, по полю от остаточной намагниченности после намагничивания изделий по методу «точечного полюса» и остаточному магнитному потоку в изделии после намагничивания в разомкнутой магнитной цепи. Последние наиболее эффективны при контроле изделий массового производства.
Шïï:f:ff (ГШЛЖШ I Д1
--2 и». im I 41
Литература
1. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. М.: Машиностроение, 1974. Т. 1,2.
2. ГОСТ 3443-87. Методы определения структуры. М.: Изд-во стандартов, 1990.
3. Вонсовский C.B. Магнетизм. М.: Наука, 1971.
4. Городецкий П.Г. Обзор аналитических выражений кривых намагничивания и гистерезисных петель. Клев: Ки-евск. высш. инженер, радиотехн. училище войск ПВО страны, 1956.
5. Зацепин H.H. Аналитическая функция, описывающая ход симметричной петли магнитного гистерезиса // Весщ АН БССР. Сер. ф1з.-тэхн. навук. 1973. № 4. С. 29-31.
6. Пономарев Ю.Ф. Гармонический анализ намагниченности ферромагнетиков, перемагничиваемых переменным полем с учетом магнитного гистерезиса. 1. Способ описания петель магнитного гистерезиса //Дефектоскопия. 1985. № 8. С. 61—67.
7. Мельгуй М.А. Формулы для описания нелинейных и гистерезисных свойств ферромагнетиков // Дефектоскопия. 1987. № U.C. 3-10.
8. Мельгуй М.А., Шидловская Э.А. Экспериментальная проверка аналитических выражений для нелинейных свойств ферромагнитных материалов //Дефектоскопия. 1987. № 11. С. 10-18.
9. M атю к В.Ф., Осипов A.A. Математическая модель петли магнитного гистерезиса // Докл. HAH Беларуси. 2004. Т.48. N° 2. С. 52—55; Математическая модель намагничивания ферромагнетиков // Докл. HAH Беларуси. 2004. Т.48. № 5. С. 43—45.
10. Меськин B.C. Ферромагнитные сплавы. Л.; М. ОНТИ: НКТП, 1937.
11. Реутов Ю.Я., Лоскутов В.Е. Соотношение между магнитными характеристиками сталей // Контроль. Диагностика. 2008. № 4.
12. Сандомирский С.Г. Остаточная намагниченность ферромагнитного тела, намагниченного в открытой магнитной цепи //Дефектоскопия. 1997. № 8. С. 50—59.
13. Сандомирский С.Г. Изменение чувствительности магнитного метода контроля физико-механических свойств сталей при намагничивании изделий в разомкнутой магнитной цепи (ограничения возможностей метода) // Дефектоскопия. 1998. №7. С. 72-81.
14. ГОСТ 8.377-80 Материалы магнитомягкие. Методика выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик. М.: Изд-во стандартов, 1986.
15. Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1962.
16. Чернышев Е.Т., Чечурина E.H., Чернышева Н.Г., Студенцов Н.В. Магнитные измерения. М.: Изд-во стандартов, 1969.
17. Комаров Е.В., Покровский А.Д., Сергеев В.Г., Шихин А.Я. Испытания ферромагнитных материалов / Под ред. А.Я. Шихина. М.: Энергоатомиздат, 1984.
18. Антонов В.Г., Петров Л.М., Щелкин А.П. Средства измерения магнитных параметров материалов. JL: Энергоатомиздат, 1986.
19. Горкунов Э.С., Махов В.Н., Поволоцкая A.M. и др. Магнито-измерительный комплекс для магнитострук-турных исследований // Дефектоскопия. 1999. № 3. С. 78-84.
20. Steingroever Е., Ross G. Magnetic Measuring Techhniques. Booklet // Website: www.magnet-physik.de.
21. Михеев M.H., Горкунов Э.С. Связь магнитных свойств со структурным состоянием вещества — физическая основа магнитного структурного анализа (обзор) // Дефектоскопия. 1981. № 8. С. 5—21; Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. М.: Наука, 1993.
22. Список трудов чл.-корр. АН СССР М.Н. Михеева // Дефектоскопия. 1991. №4. С. 6-23.
23. Морозова В.М., Михеев М.Н. Магнитные и электрические свойства сталей после различных термических обработок // Тр. Ин-та физики металлов УфАН СССР. Свердловск, 1965. Вып. 24. С. 3—25; Магнитные и электрические свойства закаленных и отпущенных сталей // Там же. С. 26—35.
24. Кузнецов И.А., Михеев М.Н. Магнитные и электрические свойства хромистых сталей в зависимости от структуры и механических свойств // Тр. Ин-та физики металлов УфАН СССР. Свердловск, 1959. Вып. 21. С. 228-252; Магнитные, электрические и механические свойства высокохромистых сталей после различных термических обработок // ФММ. 1959. Т.7. Вып. 4. С. 513-526.
25. Горкунов Э.С., Сомова В.М., Ничипурук А.П. Магнитные свойства и методы контроля структуры и прочностных характеристик чугунных изделий (обзор) // Дефектоскопия. 1994. №10. С. 54-82.
26. Бида Г.В., Царькова Т.Н., Ничипурук А.П. Магнитные свойства сталей посте закалки и отпуска. I. Углеродистые стали // Дефектоскопия. 2001. № 2. С. 3—25; II. Низкотемпературные стали // Там же. С. 26—42; III. Высокохромистые стали // Там же. С. 43—56.
27. Бида Г.В. Неразрушающий контроль механических свойств стального проката (обзор). I. Контроль прочностных и пластических свойств // Дефектоскопия. 2005. №5. С. 39—53; II. Контроль вязких свойств // Там же. С. 54—76.
28. Бида Г.В., Ничипурук А.П. Магнитные свойства термообработанных сталей. Екатеринбург: УрО РАН, 2005.
29. Сандомирский С.Г. Возможности и ограничения магнитного контроля структуры чугунных отливок (обзор) // Литье и металлургия. 2006. № 2(38). Ч. 1. С. 118-123.
30. Костин В.Н., Царькова Т.П., Бида Г.В. Статистическое моделирование и анализ взаимосвязи химического состава и магнитных свойств конструкционных сталей после термической обработки // Дефектоскопия. 1994. № 10. С. 88—93; О возможности оценки химического состава сталей по их магнитным и электрическим свойствам в ферритоперлитном и мартенситном состояниях // Там же. 1998. № 5. С. 24-31.
31. Бида Г.В., Горкунов Э.С., Галлиев P.M. Статистическая модель связи электромагнитных свойств и твердости углеродистых и низколегированных сталей с температурой отпуска при учете их химического состава. I. Коэрцитивная сила и твердость // Дефектоскопия. 1998. № 9. С. 50-58.
32. Горкунов Э.С., Захаров В. А. Коэрцитиметры с приставными магнитными устройствами (обзор) // Дефектоскопия. 1995. № 8. С. 69-88.
33. Мужицкий В.Ф., Безлюдько Г.Я, Ремезов В.Б. Серия портативных приборов-структуроскопов, основанных на измерении величины коэрцитивной силы // Контроль. Диагностика. 2003. № 6. С. 6—14.
34. Сандомирский С.Г. Применение полюсного намагничивания в магнитном структурном анализе (обзор) // Дефектоскопия. 2006. № 9. С. 36-64.
35. Сандомирский С.Г. Магнитный контроль физико-механических свойств изделий массового производства в движении (обзор) // Дефектоскопия. 1996. №7. С. 24-46.
по I /;ггтт* г: [гшгшш
/ 2 (46). 2008 -
36. Аркадьев В.К. Электромагнитные процессы в металлах. М.; JL: ОНТИ. 1934. Ч. 1.
37. Янус Р.И. Магнитная дефектоскопия. М.; Л.: Гостехиздат, 1946.
38. Forster F. Theoretische und experimentelle Grundlagen der elektromagnetischen Qualitatssortierung von Stahlteilen. IV. Das Reast-feldverfahren // Zeitschrift für Metallkunde. 1954. B. 45. N 4. P. 233-238.
39. Сандомирский С.Г., Цукерман B.JL, Писаренко Л.З. Возможности и результаты контроля твердости чугунных отливок магнитным методом после полюсного намагничивания // Литье и металлургия. 2007. № 3. С. 106—110.
40. Сандомирский С.Г. Анализ чувствительности поле- и градиентометрических датчиков к коэрцитивной силе материала изделия с плоской поверхностью после полюсного намагничивания // Контроль. Диагностика. 2008. №5.
41. Сандомирский С.Г. Пат. РБ № 9627, 2007. Способ контроля физико-механических свойств ферромагнитного изделия, связанных с его магнитными свойствами.
42. Сандомирский С.Г., Цукерман В.Л., Лин ник И.И., Сандомирская Е.Г. Универсальный магнитный сортировщик и его применение для решения задач неразрушающего контроля // Контроль. Диагностика. 2004. № 8. С. 27—31.
43. Сандомирский С.Г. Анализ условий намагничивания в разомкнутой магнитной цепи промышленных изделий в форме полых цилиндров из материала с высокой магнитной проницаемостью // Материалы III Российской НТК «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (электронный ресурс). Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН, 2007. С. 24; Анализ формул для расчета центрального коэффициента размагничивания полых цилиндров из материала с высокой магнитной проницаемостью при намагничивании ортогонально образующей // Электротехника. 2008. № 3. С. 45—51.
44. Сандомирский С.Г. Чувствительность остаточной намагниченности ферромагнитных изделий к магнитным характеристикам их материалов и геометрическим параметрам // Дефектоскопия. 1990. № 12. С. 53—59.
45. Сандомирский С.Г., Горбаш В.Г., Делендик М.Н., Сандомирская Е.Г. Аналитическое описание предельной петли гистерезиса ферромагнитного тела // Дефектоскопия. 1996. №7. С. 17—24.
46. Сандомирский С.Г. Выбор величины намагничивающего поля при магнитоструктурном анализе ферромагнитных изделий // Дефектоскопия. 1991. №7. С. 42-48.
47. Сандомирский С.Г. Анализ метода контроля движущихся ферромагнитных изделий по коэрцитивной силе // Дефектоскопия. 1991. №6. С. 27-34.
48. Сандомирский С.Г., Сандомирская Е.Г. Влияние магнитной предыстории изделия на результат контроля его физико-механических свойств магнитным методом при намагничивании в разомкнутой магнитной цепи (ограничения возможностей метода). 1. Модельный эксперимент//Дефектоскопия. 2004. № 6. С. 63—71; 2. Аналитическое моделирование // Там же. С. 72-79.
49. Сандомирский С.Г., Синякович Э.Б. Использование4 последовательно-поступательного и роторно-конвей-ерного движения массовых партий ответственных изделий машиностроения для магнитного контроля их качества // Механика машин, механизмов и материалов. 2008. № 2. С. 70—75.
50. Сандомирский С.Г. Движение ферромагнитного изделия сквозь область с намагничивающим полем средств магнитного контроля изделий массового производства // Тез. докл. Республ. науч.-техн. семинара «Импульсный магнитный метод контроля механических свойств сталей». Мн., 1991. С. 41—44.
51. Сандомирский С.Г., Сандомирская Е.Г. Создание намагничивающего поля заданной пространственной конфигурации в средствах магнитного структурного анализа стальных и чугунных изделий машиностроения // Материалы 2-й Междунар. НТК «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов». Могилев, 2006. С. 195-197.
52. Сандомирский С.Г., Вершинин В.А. Корректировка браковочных пределов автоматической линии разбраковки по обрабатываемости необточенных отливок ниппелей из ковкого чугуна КЧ30-6 при изменении их размеров // Литье и металлургия. 2008. N° 1. С. 116-120.
53. Писаренко Л.З., Сандомирский С.Г., Лукашевич С.Ф. Количественный анализ взаимосвязи микроструктуры и магнитных свойств изделий типа «ниппель Wa» из ковкого чугуна КЧЗО-6 // Дефектоскопия. 2002. № 4. С. 18—24.
