Магнитные методы
УДК 620.179.14
О ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЯХ МАГНИТНОГО СТРУКТУРОСКОПА СМ-401
А. П. Ничипурук, Г. В. Вида, А. М. Шанаурин, А. Н. Сташков
На примерах сталей ШХ15 и ЭИ928 показаны возможности неразрушающего контроля качества закалки деталей с помощью магнитного структуроскопа СМ-401 с Н-образным приставным электромагнитом. Продемонстрированы возможности прибора при контроле качества отпуска деталей из сталей 40ХН2МА и колесно-бандаж-ной стали.
В магнитной структуроскопии широко применяются коэрцитиметры типа КФ-1, КИФМ-1, у которых намагничивание и перемагничивание испытуемого изделия осуществляется приставным электромагнитом (ПЭМ) с вмонтированным в его магнитную цепь индикатором магнитного потока (ИМП) — рамкой с током, феррозондом, преобразователем Холла и др. [1]. Наибольшее распространение они получили при контроле прочностных, пластических и вязких свойств стального проката (толстый и тонкий лист, крупно- и мелкосортовой прокат, углеродистые трубы общего назначения, холоднодеформированные трубы и т. п.), при оценке глубины и твердости поверхностно-упрочненных слоев на стальных и чугунных деталях (закалка с нагрева ТВЧ и ТПЧ, цементация, ни-троцементация), при контроле качества отжига, закалки и низкотемпературного отпуска, одноосных механических напряжений и при решении ряда других задач неразрушающего контроля [2].
Другими приборами, использующими ПЭМ, являются магнитные структуроскопы МС-1 и МС-2 [3, 4], приборы типа РК и РКИФМ [5], с помощью которых преимущественно контролируют качество среднего и высокотемпературного отпуска деталей из конструкционных углеродистых и низколегированных сталей с содержанием углерода свыше 0,3 % [6, 7].
Вариантом прибора с ПЭМ является дифференциальный магнитный структуроскоп ДМС-1, предназначенный для неразрушающего контроля качества закалки деталей подшипников качения, структуры и пористости деталей из спеченных сталей [8—10], магнитного фазового анализа и др. Его намагничивающее устройство представляет собой Н-образный ПЭМ с ИМП в перемычке между сердечниками ярма (рис. 1); ИМП измеряет разность магнитных потоков в нормальной и испытуемой деталях при включенном намагничивающем токе и токе обратной полярности, соответствующем коэрцитивной силе нормальной детали.
Институтом физики металлов УрО РАН совместно с ООО "Микроакустика" разработан микропроцессорный магнитный структуроскоп СМ-401, который позволяет решать все задачи неразрушающего контроля, решаемые с помощью перечисленных выше приборов [11].
Прибор измеряет относительную величину коэрцитивной силы и поэтому может выполнять все функции коэрцитиметров с ПЭМ. Функциональные возможности коэрцитиметра подробно рассмотрены в [2], поэтому здесь мы этого вопроса касаться не будем. Вместе с тем после соответствующего программирования магнитный структуроскоп может решать и другие задачи неразрушающего контроля. Рассмотрим некоторые из них.
В первую очередь это неразрушающий контроль качества закалки деталей подшипников из сталей ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20, ШХ20СГ (ГОСТ
801—78), 95X18 (ТУ 14-1-595-73), сталей специального назначения ЭИ992 (ХВ), ЭИ628 (1Х17Н2) (ГОСТ 5969—61), ЭИ928 и др.
На рис. 2 приведены зависимости коэрцитивной силы Нс, релаксационных намагниченности Мн и магнитной восприимчивости хг, намагниченности насыщения Ms, удельного электросопротивления р и твердости HRC стали ШХ15 от температуры Тзак нагрева при закалке. Пунктирными линиями отмечены верхняя и нижняя границы технологического интервала Тзак. Видно, что по коэрцитивной силе можно выявлять лишь недогрев при закалке, перегрев можно определить путем измерений намагниченности насыщения, которая монотонно убывает при Гзак > 750 °С.
:
5
Рис. 1. Схематическое изображение дифференциального приставного электромагнита с нормальным и испытуемым изделием:
1 — перемычка ярма; 2 — преобразователь Холла; 3 — нормальное изделие; 4 — сердечники ярма; 5 — катушки электромагнита; б — испытуемое изделие.
Неразрушающий контроль качества закалки деталей подшипников обычно осуществляют дифференциальным методом с помощью Н-об-разного ПЭМ [8—10] по двум характеристикам: как уже упоминалось — по Нс выявляют недогрев, по Ms — перегрев. Для этих же целей можно использовать прибор СМ-401 с Н-образным ПЭМ.
Характерные зависимости указанных разностных сигналов ДЕ для образцов из стали, ШХ15, закаленных с различных температур Тзак, от величины перемагничивающего тока в катушках ПЭМ представлены на рис. 3. Из него видно, что при намагничивающих токах свыше I = = +0,5 А (пунктир) имеет место однозначная зависимость сигнала ДЕ от температуры закалки: номера линий 1—5 отражают возрастание Гзак от 780 до 950 °С. Такую же зависимость можно получить и для токов / < -1,5 А. На рисунке проведена также вертикальная пунктирная линия, соответствующая коэрцитивной силе нормально закаленного образца (Гзак = 850 °С); его нулевой сигнал АЕ максимален, что соответствует максимальной величине Нс на рис. 3: при увеличении и уменьшении Гзак сигнал АЕ убывает.
Была исследована возможность применения магнитного структуро-скопа СМ-401 с дифференциальным ПЭМ для контроля качества закалки стали ЭИ928. На рис. 4 показана зависимость Нс, М5, МНг, хг и от
Рис. 2. Зависимости коэрцитивной силы Нс, намагниченности насыщения М5, релаксационных намагниченности МНг и магнитной восприимчивости зс„ удельного электросопротивления р и твердости НЯС стали ШХ15 от температуры нагрева перед закалкой.
температуры закалки. Технологическая Гзак = 1000 °С. Измерения выполнены на образцах типа ударных, которые были закалены в масле после различных температур нагрева. Видно, что лишь две магнитные характеристики — Ms и Мн монотонно убывают в области этой температуры.
При использовании прибора СМ-401 измерения АЕ здесь проводились при токе / = 1,6 А. В качестве нормального выбран образец, закаленный от температуры Тзак = 1000 °С. Результаты испытания представлены на рис. 5. Из рисунка следует, что показания магнитного структуроскопа с дифференциальным ПЭМ практически линейно убывают при увеличении температур закалки Гзак в интервале от 850 до 1100 °С.
Из рис. 4 видно, что коэрцитивная сила монотонно возрастает до Т'зак ~ 975 °С, а релаксационная намагниченность убывает при Тзак > > 950 °С. По двум этим характеристикам можно проконтролировать качество деталей из этой стали, закаленных в интервале температур от 850 до 1100 °С. Оптимальное уравнение связи Гзак с Нс и МНг имеет вид
при коэффициенте множественной корреляции Я = 0,87 и стандартной ошибке расчета 50 = 15,4 °С.
Прибор был испытан при неразрушающем контроле качества среднего и высокотемпературного отпуска закаленных деталей из сталей с
750 800 850 900 950
Тзак = 939 + 45,29ЯС - 0,31 \2М„г - 1,155 Нс2
(1)
содержанием углерода свыше 0,3 %. Такие испытания проводились на образцах из сталей 40ХН2МА (ГОСТ 4543—71) и бандажной (ГОСТ 398— 81 "Бандажи из углеродистой стали для подвижного состава железных дорог широкой колеи и метрополитенов"). На рис. 6а приведены оптимальные зависимости Е(Тотп) для лабораторных образцов из стали 40ХН2МА, а на рис. 66 — зависимости показаний Е прибора в режиме измерения частной остаточной намагниченности после перемагничивания
Рис. 3. Изменение показаний магнитного структуроскопа СМ-401 в режиме измерения магнитной индукции (напряжение на выходе преобразователя Холла) при изменении тока в катушках ПЭМ от +2 А до -2 А в режиме перемагничивания образцов из стали П1Х15, закаленных от различных
температур нагрева: I — 750; 2 — 800; 3 — 850; 4 — 900; 5 — 950 °С. Разностные нисходящие "ветви петлей гистерезиса образцов" представлены по отношению к аналогичной ветви образца (3), закаленного от = 850 °С. Пунктирными линиями отмечены возможные токи настройки прибора.
таких же образцов из бандажной стали до величин магнитной индукции, соответствующих токам /рп = 200 (кривая 1), 260 (2), 280 (5) и 300 мА (4). Видно, что кривая 4 монотонно возрастает до Готп ~ 550 °С; при более высоких Тогп монотонно возрастает кривая 1. По двум этим характеристикам можно проконтролировать качество отпуска этой стали в широком интервале температур.
Для решения задачи цехового контроля образцы для исследований были вырезаны непосредственно от бандажей, термообработанных на Нижнетагильском металлургическом комбинате (НТМК). Пять групп бандажей (45 шт.) закалены на НТМК от температур 820, 850, 880 и 920 °С. Далее бандажи каждой группы отпущены в интервале Тотп от 400 до 650 °С. В исходном состоянии структура металла — сорбит закалки.
На рис. 1а—г показано изменение структуры нормально закаленных бандажей (7зак = 850 °С) после отпусков при Готп = 400, 450, 500 и 600 °С: она представляет собой пластинчатый перлит при некотором количестве феррита, полностью, или частично окаймляющего перлитные блоки.
Лишь у образца, отпущенного при 400 °С при общей структуре пластинчатого перлита сохранены признаки сорбитообразного перлита. При этом в рассматриваемом интервале Тот„ твердость убывает от 37,5 до 30ЯЯС.
На образцах были измерены: коэрцитивная сила Нс, релаксационные намагниченность МНг и магнитная восприимчивость %г и другие магнитные свойства. Предварительно рассчитали уравнения связи нормированных значений магнитных свойств и твердости бандажей с аналогичными значениями температур закалки и отпуска
V V п'т
к
7=1
А
-2Ж
(2)
1=1, ;=1
где У, X, У ,Х — текущее и среднее значения :'-й анализируемой характеристики; ау, ах — их средние квадратические отклонения; у — показатель степени. Такое преобразование (2) позволяет представить все исследуе-
- 65
и а; 5:
1400
1200 3
- 1000
850 900 950 1000 1050 1100 Т °г
зак> v-
Рис. 4. Зависимости Нс, Ms, МНг, хг и HRC стали ЭИ928 от
Т
1 зак-
мые свойства независимо от их абсолютных величин в равновесных пропорциях. При анализе использовали первые, вторые и третьи степени (т = 1, 2, 3) нормированных температур закалки и отпуска. Оптимальные результаты расчета представлены в таблице. Все коэффициенты уравнений значимы.
Из таблицы следует, что знаки при коэффициентах регрессии отра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.