Перспективы развития локального магнитного контроля структуры крупногабаритных чугунных отливок Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

дггг^ г: ïïmnrwrvfi Im

-3 (62), 2011 / IUI

The results of modern investigations and developments by magnetic control of articles structures by means of "pointpole " are given.

С. Г. САндомирСкий, объединенный институт машиностроения нАнБеларуси

УДК 620.179.14

перспективы развития

локального магнитного контроля

структуры крупногабаритных чугунных отливок

Введение. На металлургических и машиностроительных предприятиях выпускаются массовые партии чугунных отливок. Отклонения в химическом составе отливок, режимах их охлаждения и термообработки приводят к недопустимым изменениям структуры отливок, требуют контроля всей продукции. Прямые методы определения структуры являются разрушающими и не могут быть использованы для контроля изделий, предназначенных для эксплуатации. Основой магнитного структурного анализа чугунов служит различие магнитных характеристик (намагниченности насыщения, остаточной намагниченности Ык, коэрцитивной силы нс и максимальной магнитной проницаемости |т) их структурных составляющих (см. таблицу) [1, 2]. Параметром, наиболее чувствительным к структуре чугунов, является Нс (см. таблицу).

Анализ [3, 4] показал, что разделение чугунных отливок с различной структурой друг от друга по результату измерения Нс или определяемой ею остаточной намагниченностью Ы(1 отливок может быть рекомендовано для:

• выделения белого чугуна от чугунов всех других типов, в том числе для контроля качества отжига белого на ковкий чугун, контроля наличия отбела на поверхности отливок из серого чугуна;

• разбраковки друг от друга перлитного и фер-ритного чугунов всех типов;

• контроля формы графитовых включений в чугуне при постоянной структуре металлической матрицы.

Одним из современных коэрцитиметрических методов магнитного структурного анализа, рекомендованных для контроля структуры локальных участков крупногабаритных отливок, является метод «точечного полюса» и реализующие его приборы «Сортировщик магнитный МС» (рис. 1) [5-7]. Но они обладают и недостатком - зависимостью результатов контроля от влияния на его результаты

м

Рис.1 Кривая намагничивания и часть нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса ферромагнитного материала и тела (пунктир)

Магнитные свойства чугунов с различной структурой

Тип чугуна Тип металлической основы Нс, кА/м М$ кА/м Mr, кА/м

Белый чугун 1,04-1,28 180-200 1035 400-440

Серый чугун Ферритная 0,2-0,4 600-1500 1433 240-440

Перлитная 0,56-1,06 200-450 1393 320-560

Высокопрочный чугун Ферритная 0,12-0,2 1600-2400 1513 240-480

Перлитная 0,4-0,88 300-600 1473 400-640

Ковкий чугун Ферритная 0,12-0,2 1500-2300 1433 440-560

Перлитная 0,4-0,88 300-800 1393 480-600

158

г: гсшг^ггт rrr

3 (62), 2011-

непостоянства зазора между преобразователем и изделием.

Цель работы - анализ исследований и разработок по магнитному контролю структуры изделий методом «точечного полюса», снижающих влияние зазора между изделием и преобразователем на результаты контроля.

Причина «коэрцитивности» остаточной намагниченности изделий

Изделие с большим размагничивающим фактором N после намагничивания до насыщения сохраняет остаточную намагниченность Ы^, которая меньше Ык материала изделия (рис. 2). Во многих случаях можно считать [8]

и,

с

N

(1)

нии от намагниченной поверхности [10, 11]. Установлено, что вблизи полюсно намагниченной поверхности чувствительность нормальной составляющей градиента поля остаточной намагниченности к Нс материала изделий выше, чем чувствительность к Нс нормальной составляющей Н± поля остаточной намагниченности. С увеличением расстояния до поверхности и размеров преобразователей чувствительности этих параметров к Нс материала изделий резко уменьшаются. Показано [10], что зависимость сигналов преобразователей от расстояния г до поверхности можно интерполировать функцией

И (z) = И 0(1 + kzn)

nч-1

(2)

При постоянных размерах изделия (N = const) Md определяется Hc и является структурно чувствительным параметром.

На использовании этого явления основан и метод «точечного полюса» [5], заключающийся в кратковременном контакте полюса 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. По экспериментальным оценкам [9], он достигает 0,3. Анализ теоретических и экспериментальных исследований по применению метода «точечного полюса» в магнитном структурном анализе и приборной реализации метода проведен в [5].

Последние достижения метода основаны на анализе изменения индукции от изделия при намагничивании, анализе влияния размеров датчиков на их чувствительность к Нс материала изделия и анализе изменения чувствительности метода при измерении различных параметров поля на расстоя-

где Н0 - параметр (Н±(0) илиУН±(0)) поля остаточной намагниченности изделия после его намагничивания без зазора; к и п - постоянные коэффициенты.

В практически важном интервале изменения г изменения сигналов преобразователей можно интерполировать функцией (2) достаточно точно.

При анализе влияния зазора при намагничивании рассмотрен [11] полюс магнита диаметром В, расположенный на расстоянии Z от полупространства из материала с магнитной проницаемостью ц. Для нормальной составляющей индукции В± под полюсом получено:

B±= Ba

Y = 1 -

1 + -—y

2 z

TT

+ 4 z2

(3)

где Бх - индукция В± при бесконечном удалении полюса от полупространства; г = 22/В.

Зависимость (3) получена в [11] с учетом влияния отражения только одного полюса без учета подмагничивающего влияния поверхности на намагниченность постоянного магнита. Сделанные допущения упрощают понимание физического смысла разрабатываемого метода и не существенны для достижения цели работы.

Магнитная проницаемость ц чугунов является структурно чувствительным параметром. Но для этих материалов ц >> 1. С учетом этого из (3) получим:

B±*B„ (1 + Y) .

(4)

Рис. 2 Внешний вид магнитного сортировщика МС

Относительная разность в результата вычисления индукции В± под полюсом магнита по формулам (4) и (3) равна:

Р=1 --

1 ^-1

1 + -—у р, + 1

1 + у

(5)

/; ггттгп г: п^штптп /щ

-3 (62), 2011/ IV в

статочной точностью может быть интерполирована функцией вида

( 1 в >

Б{2) = (Бт - Бю)

Результаты расчета по (5) влияния г на Р для различных ц материала полупространства показали, что даже на поверхности полупространства (г = 0) при ц = 100 влияние изменения ц на индукцию В± поля под магнитом не превышает 1%. С увеличением г и ц это влияние становится еще слабее. В то же время величина В± с увеличением г уменьшается существенно. Это является предпосылкой использования результата измерения В± для определения расстояния, на которое сближаются магнит (электромагнит, соленоид с током) и поверхность изделия при намагничивании методом «точечного полюса».

Результаты проведенного анализа использованы для разработки способа отстройки от влияния зазора на результаты магнитного структурного анализа при полюсном намагничивании изделия [12], сущность которого в следующем.

Параметр Н поля остаточной намагниченности отливки после намагничивания «точечным полюсом» пропорционален Ис материала локального участка отливки и, следовательно, его структуре. В качестве Н могут быть использованы результаты измерения напряженности различных составляющих поля остаточной намагниченности с применением магниторезисторов, датчиков Холла, феррозондов, индукционных катушек, результаты измерения градиентов составляющих поля или другие параметры. В зависимости от расстояния (5 или X), на которое сближаются преобразователь и отливка при контроле, параметр Н монотонно изменяется от максимального значения Н0 (при 5 или Z = 0) до нуля (при 3 или Z ^ да). Характер этой зависимости индивидуален для каждого изделия и зависит от параметров изделия, магнита и измерительного датчика. Но для каждого изделия зависимость Н(г) или Н(5) с достаточной для практики точностью можно интерполировать формулой (2).

Максимальная индукция В под магнитом (электромагнитом, соленоидом с током) при намагничивании контролируемого участка в зависимости от расстояния (5 или XX), на которое сближаются преобразователь и изделие при намагничивании, монотонно изменяется от значения Вт (при 5 или X = 0) до значения Вда, близкого Вт/2 (при 5 или Z ^ да). Эта зависимость имеет общий характер для изделий из материалов с высокой ц и зависит практически только от параметров магнита. Для каждого магнита зависимость В(Т) или В(5) с до-

. 1 + 12т Б - Б ,

V т со у

(6)

где I и т - постоянные коэффициенты.

Функция (6) интерполирует зависимость (3) практически точно.

В соответствии с [12] для определения коэффициентов в зависимостях (2) и (6) сигналов датчиков от расстояния до поверхности предложено использовать априорные результаты измерения сигналов датчиков при намагничивании «образцового» (любого годного из контролируемых) изделия. Перед проведением контроля на «образцовом» изделии определяют:

• Н0, Н1 и Н2 - значения параметра поля остаточной намагниченности при нулевом зазоре и с зазорами 51 и соответственно (51 < 52);

• В00, В1, В2 и Вда - значения максимальной индукции при намагничивании изделия при нулевом зазоре, с зазорами 51 и 52 и на удалении от изделия.

После этого на контролируемом изделии при произвольном зазоре 5 измеряют индукцию В под полюсом постоянного магнита при намагничивании и параметр Н поля от остаточной намагниченности. Результирующий параметр Нрез поля остаточной намагниченности определяют по выражению:

нра - н

1 +

\Н1

в"

где е = (Бо- Б)<Б.- Б-); „ = ,„ -1

(Б0 - Б,)(Б - Бм) (Б0 -Б2)(Б1 -Бм)

Но/Н -1

(7)

; т =

(Бо - Б,)(Б2 - Бм)

Расстояние при измерении В2, Н на образцовом изделии целесообразно выбрать близким к максимально возможному зазору между преобразователем и изделием при контроле, а расстояние 51 при измерении Вь Н1 на образцовом изделии - примерно равным 52/2. Такой выбор расстояний 51, 52 обеспечит при одинаковой погрешности измерения параметров В и Н при проведении контроля минимальную погрешность вычисления параметра Нрез. Перед проведением повторных измерений «образцовое» изделие следует размагничивать.

Причина эффективности [12] в том, что измерение параметров Вда, В0, Н0, В1, Н1, В2, Н2 на образцовом изделии позволяет определить коэффициенты к, п, I, т в (2) и (6). Тогда результаты измерения В и Н на контролируемом изделии с произ-

I 3 (62), 2011-

вольным зазором 5 между преобразователем и изделием позволяют по (7) вычислить параметр Ирез, который практически не зависит от 5 и равен Н0.

Результаты реализации известного (по прибору МС) и разработанного (по [12]) способов для контроля свойств листов из различных сталей при изменении 5 между изделием и преобразователем приведены на рис. 3. Листы намагничивались магнитом (14x14x16 мм) из феррита стронция. Для измерения индукции под магнитом при намагничивании и остаточной индукции от изделий (рис. 3, а) использован датчик Холла прибора Щ4311 с толщиной щупа 1 мм. При измерении поля остаточной намагниченности листов (рис. 3, б) использован феррозонд-градиентометр (длина 12 мм) прибора «Магнитный сортировщик МС» [6]. Результаты, приведенные на рисунке, показывают, что способ [12] по сравнению с известным обеспечивает 20-50-кратное снижение влияния непостоянства 3 между преобразователем и изделием при намагничивании и измерении на результаты контроля свойств изделия.

В„ мТ

1 1

V "

- \.1

- 2 ^ / ......

—__

УН±-102, кА/м2

1'

\ 3' ...../....

ХГ з

2 ^^ ±..........^Г

2 ------ 1 1 1

б

Рис. 3. Результаты реализации известного (1, 2, 3) и разработанного (1', 2', 3') способов для контроля свойств стальных листов из стали 65 Г, (1, 1'), стали 3 (2, 2') и стали 40Х (3, 3') при измерении поля остаточной намагниченности датчиком Холла (а) и феррозондом-градиентометром (б)

Устройства для реализации способа [12] приведены на рис. 4. Устройство [13] состоит из корпуса 1, верхняя часть которого выполнена из магнитомягкого, а нижняя - из немагнитного материалов, пружины 2, штока 3, выполненного с возможностью перемещения из одной части корпуса в другую, соединенного с корпусом при помощи пружины, постоянного магнита 4, закрепленного на штоке, феррозонда-градиентометра 5, закрепленного на рычаге 6 (рис. 4, б) или расположенного в нижней части корпуса (рис. 4, а). Феррозонд подключен к генератору 7 (рис. 4, в) и блоку 8 обработки сигнала. Магниточувствительный преобразователь 9 (датчик Холла, магниторези-стор, индукционная катушка с интегратором) расположен на торце нижней части корпуса. Блок 10 памяти, входы которого подключены к блоку обработки сигнала и магниточувствительного преобразователя, подключен к блоку 11 вычисления, соединенному с дисплеем 12. Концентратор 13 из магнитомягкого материала увеличивает напряженность поля у поверхности изделия 14 при намагничивании. Позициями 5' и 6' (рис. 4, б) обозначены феррозонд и рычаг в положении, которое они занимают при намагничивании изделия, на расстояние 5 до которого может приближаться при контроле торец корпуса устройства.

В процессе контроля корпус немагнитной частью устанавливают вертикально на поверхность не намагниченного изделия с произвольным зазором 3. Нажатием на шток постоянный магнит приводится в соприкосновение с внутренней поверхностью немагнитной части корпуса в ее торце и локально намагничивает изделие. При этом рычаг с закрепленным на нем феррозондом отодвигается в сторону (рис. 4, б). Максимальная индукция В от изделия при намагничивании измеряется маг-ниточувствительным преобразователем. Результат измерения В запоминается блоком памяти. После этого нагрузка со штока снимается и постоянный магнит под действием пружины возвращается в исходное положение в магнитомягкую часть корпуса, служащую магнитным экраном. Рычаг с закрепленным на нем феррозондом возвращается в исходное положение на оси корпуса. Феррозонд оказывается под действием только поля остаточной намагниченности изделия. Результат измерения УИ градиента поля остаточной намагниченности изделия запоминается блоком памяти. Блок вычисления по измеренным В и У И вычисляет параметр Ирез по (7). Результат вычисления Ирез индицируется на дисплее и используется для сортировки изделий по физико-механическим свойствам и структуре.

лгтг^ г: гиштгг гтита /цм

-3 (62), 2011 I IV!

Рис. 4. Функциональные (а, б) и электрическая (в) схемы устройств для реализации способа [12]

Представляется целесообразным использование для контроля структуры чугунных отливок и способа [14], задачей которого являлось повышение достоверности магнитного контроля температуры отпуска изделия из среднеуглеродистой стали.

Способ включает намагничивание контролируемого участка изделия до технического насыщения аксиально симметричным магнитным полем, направленным нормально к поверхности этого участка, измерение после окончания релаксационных процессов в изделии над этим участком параметра Н0 поля остаточной намагниченности, воздействие на тот же участок изделия аксиально симметричным магнитным полем противоположного направления, меньшим намагничивающего, измерение параметра Н поля остаточной намагниченности над контролируемым участком изделия

и определение отношения Е = —Н— . Напряжен-

Н о - Н

ность размагничивающего поля устанавливают такой, чтобы на изделии с максимальной Нс из числа контролируемых, подвергнутом намагничиванию и размагничиванию аналогично контролируемому

Н

изделию, выполнялось условие 0,75 <_< 0,85.

н о

Достоверность контроля структуры чугунных отливок способом [14] будет повышена благодаря

существенному (более чем на порядок) снижению влияния изменений зазора между преобразователем и поверхностью отливок на результаты контроля.

Результаты применения известных и предложенного способов в условиях непостоянства зазора X между преобразователем и поверхностью изделия приведены на рис. 5. Намагничивание, размагничивание образца и измерение напряженности Н поля остаточной намагниченности осуществля-

Я10,Яо10,кА/м;/'

X, мм

Рис. 5. Сопоставление влияния зазора Х между контролируемой поверхностью листа из стали 65Г на информационные параметры известных и предложенного способов

1в 9 / ^ г:гг^ г: глггггтгл^ггггт

■ I 3 (62), 2011-

лось через немагнитные прокладки, толщина которых была кратна 1,35 мм. Из рисунка видно, что в исследованном диапазоне изменения зазора X от 0 до 5,4 мм информационные параметры Н0 и Н известных способов изменяются более чем в 3 раза. Контроль структуры изделий в этих условиях невозможен. При этих же условиях информационный параметр Е способа [14] изменяется в пределах ± 4%. Это делает реальным контроль структуры отливок в производственных условиях с высокой достоверностью.

Физическое объяснение эффективности способа [14] при непостоянстве зазора Х между преобразователем и изделием заключается в следующем. При выбранной в соответствии с [14] напряженностью Нр размагничивающего поля характер зависимости Н(Х) практически не отличается от характера зависимости Н00(Х). Поэтому информационный параметр Е способа [14], равный отношению

Н(Х) к разности Н0(Х) - Н(Х), практически не изменяется с изменением зазора Х между преобразователем и изделием.

Выводы

С использованием результатов расчета пространственного распределения поля от намагничивающихся и намагниченных изделий разработаны методики, обеспечивающие повышение достоверности контроля структуры изделий по результатам их полюсного намагничивания. Методики используют результаты априорного измерения остаточной индукции Бф и индукции при намагничивании на «образцовом» изделии, а также частичное размагничивание намагниченного изделия после измерения его Бф и повторное измерение Бф. Повышение достоверности обеспечивается за счет снижения в 20-50 раз влияния непостоянства зазора между преобразователем и изделием на результаты контроля свойств изделия.

Литература

1. В о н с о в с к и й С. В., М и х е е в М. Н. Магнитный структурный анализ // Заводская лаборатория. 1957. № 10. С. 1221-1226.

2. Г о р к у н о в Э. С., С о м о в а В. М., Н и ч и п у р у к А. П. Магнитные свойства и методы контроля структуры и прочностных характеристик чугунных изделий (обзор) // Дефектоскопия. 1994. № 10. С. 54-82.

3. С а н д о м и р с к и й С. Г. Возможности и ограничения магнитного контроля структуры чугунных отливок (обзор) // Литье и металлургия. 2006. № 2(38). Ч. 1. С. 118-123.

4. С а н д о м и р с к и й С. Г. Магнитный контроль структуры стальных и чугунных изделий. Современное состояние (обзор) // Литье и металлургия. 2008. № 2. С. 33-42.

5. С а н д о м и р с к и й С. Г. Применение полюсного намагничивания в магнитном структурном анализе (обзор) // Дефектоскопия. 2006. № 9. С. 36-64.

6. С а н д о м и р с к и й С. Г., Ц у к е р м а н В. Л., Л и н н и к И. И., С а н д о м и р с к а я Е. Г. Универсальный магнитный сортировщик и его применение для решения задач неразрушающего контроля // Контроль. Диагностика. 2004. № 8. С. 27-31.

7. С а н д о м и р с к и й С. Г., Ц у к е р м а н В. Л., П и с а р е н к о Л. З. Возможности и результаты контроля твердости чугунных отливок магнитным методом после полюсного намагничивания // Литье и металлургия. 2007. № 3. С. 106-110.

8. А р к а д ь е в В. К. Электромагнитные процессы в металлах. Ч. 1. М.-Л.: ОНТИ, 1934.

9. Ф е д о р и щ е в а Э. Э., Ф р и д м а н Л. А., Т а б а ч н и к В. П., Ч е р н о в а Г. С. Нормальная составляющая остаточного магнитного поля над поверхностью массивного тела // Дефектоскопия. 1982. № 2. С. 23-29.

10. С а н д о м и р с к и й С. Г. Анализ чувствительности поле- и градиентометрических датчиков к коэрцитивной силе материала изделия с плоской поверхностью после полюсного намагничивания // Контроль. Диагностика. 2008. № 5. С. 31-41.

11. С а н д о м и р с к и й С. Г. Полюсное намагничивание в магнитном структурном анализе: отстройка от влияния зазора при одностороннем доступе к объекту контроля // В мире неразрушающего контроля. 2011. № 1. С. 38-43.

12. С а н д о м и р с к и й С. Г. Способ контроля физико-механических свойств ферромагнитного изделия, связанных с его магнитными свойствами: Пат. Республики Беларусь № 9627, 2007.

13. С а н д о м и р с к и й С. Г. Устройство для контроля структуры изделий из ферромагнитных материалов, связанной с их магнитными свойствами: Пат. Республики Беларусь № 9735, 2007.

14. С а н д о м и р с к и й С. Г. Способ магнитного контроля температуры отпуска изделия из среднеуглеродистой стали, подвергнутого предварительной закалке: Пат. Республики Беларусь № 13913, 2011.