Введение к работе
Актуальность темы: Задача повышения качества выпускаемой про дукции в настоящее время приооретает особое значение в обвей проблеме ускорения научно-технического прогресса. Ревению этой садачи в немалой степени способствуют неразрушаюаие физические методы и средства контроля качества.
Среди неразруаащих физических методов контроля важное место занимают магнитные и электромагнитные методы контроля механических свойств изделий из ферромагнитных материалов. позволяющее заменить малопроизводительные метода выборочных пряшх испытаний на твердость, предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, характеристик микроструктуры высокопроизводительными неразрушаюиими методами, осуиэствить 100% контроль этих характеристик.
Сувность магнитных или электромагнитных методов заключается в том, что на испытуемое изделие воздействуют магнитным" (электромагнитным) полем к по одному (или нескольким) магнитным (электромагнитным) параметрам, являюкимся результатом этого воздействия, и за ранее установленным корреляционным связям между измеренными магнитными (электромагнитным) параметрами и контролируемыми механическими свойствами устаназливают соответствие последних предъявляемым требованиям.
Однако сукествухдие метода магнитного (электромагнитного) контроля не удовлетворяют предъявляемым промыЕленкостыо треЗованиям по точности измерений при контроле изделий с изменяювимся зазором между преобразователем н испытуемым изделием и при контроле изделий, движущихся с различной скоростью. Это обусловлено тем, что в настоящее время хорошо развит способ намагничивания в квазнстати-ческих магнитных полях (метод коэршггиметрии с приставным электромагнитом) и способ намагничивания в переменных магнитных полях различной частоты (метод высших нечетных или четных гармоник, амплитудно-фазовый метод, дву/частотный метод и т.п.). Способ намагничивания в сильных импульсных полях не изучен. Закономерности намагничивания и перемагничивания изделий в неоднородных магнитных полях не установлены, поэтому средства контроля механических свойств изделий из ферромагнитных материалов, основанные на импульсном намагничивании испытуемого изделия сильными неоднородными магнитными полями, измерении магнитных характеристик в процессе или после такого намагничивания и оценке механических свойств по изме-
ренным магнитным параметрам отсутствовали.
Разработка магнитных методов контроля механических свойств стальных изделий с использованием импульсных магнитных полей представлялась перспективной и актуальной, так как это позволяет осуществлять бесконтактное воздействие на испытуемый объект, а, значит, уменьшить погрешности, обусловленные влияниэм величиьы зазора между контролируемым изделием и преобразователем, увеличить производительность труда при контроле и обеспечить возможность контроля изделий, движущихся в процессе производства с различными скоростями.
Работа выполнялась по заданиям ПС СМ СССР по науке и технике, утвержденным постановлениями К 334 ст 25.07.1969 е., * 259 от 20 мая 1974 г., заданием комиссии CM СССР « 255 от 4.10.1978 г. по теме Традиент-30", а также постановлениями СМ ^ССР X 375 от 31.1С.1980 г., постановлениями Президиума АН БССР * 247 от 30.12.1976 Г.. * 193 ОТ 23.12.1982Г. и * 139 ОТ 24.12.1987 Г.
Целью работы является разработка физических основ импульсного магнитного контроля механических свойств и структуры изделий из ферромагнитных материалов, разработка новых способов контроля, принципов построения средств контроля, способных работать в автоматизированных технологических процессах производства, разработка методов их метрологической поверки для широкого использования в промышленности.
Задачи исследований:
исследовать процессы намагничивания ферромагнитных изделий импульсным полем соленоида; ось которого перпендикулярна поверхности или совпадает с осью испытуемого изделия, найти магнитные параметры результата такого намагничивания, доступные для измерения с минимальной погрешностью, исследовать влияние физических (магнитные характеристики материала), геометрических (форма и размеры) параметров изделий на измеряемые магнитные параметры:
исследовать влияние режимов намагничивания (амплитуда и длительность импульсов, число импульсов), законов изменения амплитуды импульсов при намагничивании серией импульсов на измеряемую информативную величину;
найти оптимальные способы намагничивания изделий и информативные величины, позволяющие решать задачи контроля механических свойств листового проката, проволоки, труб и изделий машиностроения из низкоуглеродистых, соеднауглеродистых и слаболегированных ста-
лей, находящихся в неподвижном состоянии в процессе выполнения кон трольной операции, а также движущихся в технологическом потоке производства;
разработать принципы построения средств контроля, обеспечивающие возможность импульсного намагничивания изделий по заданной программе и измерение информативных величин с достаточной точностью, производительностью и воспроизводимостью результатов измерения;
разработать методику и специальные устройства метрологической поверки разработанных средств измерений;
осуществить внедрение импульсных магнитных методов и средств для решения важных народнохозяйственных задач контроля механических свойств.
Научная новизна работы заключается в том, что развито новое научное направление з магнитном структурном анализе, получившее название "Импульсный Магнитный Анализ" (ЙИА-метод),позволяющий решить задачу контроля движущихся изделий в автоматическом режиме,сущность которого заключается в намагничивании изделий импульсным магнитным полрм, имевшим ось пространственной симметрии, перпендикулярную к поверхности контролируемого изделия или совпадающую с его осью, измерении параметров полей рассеяния в процессе или после такого намагничивания и определении качества изделий по измеренным параметрам.
При разработке указанного направления впервые получены следующие научные результаты:
1. На основе предложенных автором аналитических выражений для опгсания гистерезисинх свойств ферромагнетика получены формулы для расчета остаточной намагниченности по частным петлям гистерезиса и по кривой возврата, основной кривой намагничивания и магнитной проницаемости (кривая Столетова), с использованием которых рассчитаны пространственное распределение поля остаточной намагниченности и его градиента для плоских изделий, намагниченных неоднородным импульсным полем накладного соленоида, ось которого перпендикулярна поверхности изделия при различных амплитудах намагничивавшего ноля и расстояниях между соленоидом и.поверхностью. Показано, что изменение зазора между преобразователем и изделием вносит погрешность в результат измерения градиента нормальной составляющей поля остаточной намагниченности вдоль оси симметрии не более, чем 2% от
измеряемой величины.
2. Экспериментальные исследования влияния температуры термообработки испытуемых изделий, амплитуды, длительности п количества импульсов намагничивающего поля, размеров намагничивающего соленой да и контролируемого изделия, анизотропии-структури и {ормы издели: на топографию поля остаточной намагниченности и градиента его нормальной и тангенциальной составляющих позволило:
выявить аномальный гистерезис нормальной составляющей поля . остаточной намагниченности и его градиента при намагничивании плоских изделий сначала увеличивающимися, а затем уменьшающимися по амплитуде импульсами магнитного поля;
предложить новый способ магнитн го контроля механических свойств изделий, заключающийся в намагничивании испытуемого изделия импульсом сильного магнитного поля, создаваемого соленоидом, ось которого перпендикулярна поверхности испытуемого изделия, измерении градиента поля остаточной намагниченности по нормали к испытуемой поверхности с помощью феррозонда-градиентометра, устанавливаемого на оси соленоида, и определении механических свойств изделия по заранее установленным корреляционным связям между измеренной величиной градиента поля остаточной намагниченности и определяемыми механическими свойствами;
предложить новые способы магнитного контрой ферромагнитных изделий, заключающиеся в том, что намагничивание осуществляют:
а) серией импульсов постоянной амплитуды, причем число импуль
сов в серии выбирается от 1 до 10 в зависимости от толщины конт
ролируемого изделия, что повысило стабильность результатов измере
ния градиента поля остаточной намагниченности на толщинах изделий
до 4 мм, а если при этом измерять кроме градиента норі^альной соста
вляющей еще и градиенты его тангенциальных составляющих, то можно
контролировать анизотропию структуры или цилиндрические изделия
ограниченной длины;
б) серией импульсов с возрастающей амплитудой, а затем серией
импульсов с убывающей амплитудой, причем наибогьшая амплитуда вы
бирается из условия получения неизменного значения градиента оста
точной намагниченности, что позволяет исключить влияние магнитной
предыстории;
в) серией из двух импульсов противоположной полярности, причем
величина"второго импульса меньше первого и выбирается из условия
получения однозначной зависимости между твердостью и температурой
6 .
отпуска. Это позволяет решить задачу контроля твердости среднеуг-леродистых и слаболегированных мерок сталей, отпущенных после закалки в интервалах температур 100-550С, недоступную для методов коэрцитиметрии;
г) серией из.импульсов одной полярности одинаковой амплитуды, причем амплитуда импульсов выбирается из условия:
V и, = и,
*» **
что позволяет решать задачи контроля механических свойств изделий, имеющих слой неферромагнитного защитного покрытия, независимо от толщины этого слоя в пределах 0-2 мм.
3. На основе расчетов полей остаточной намагниченности и их градиентов для тонкого листа, намагниченного импульсным магнитным полем двух соленоидов, оси которых совпадают, расположенных по оде стороны листа так, что их ось нормальна к поверхности листа, а направления полей вдоль оси противоположны, и экспериментальных исследований зависимости градиентов полей остаточной намагниченности от смещения листа между намагничивающими соленоидами или измерителями градиентов полей остаточной намагниченности при разных расстояниях между преобразователями предложен новый способ контроля ,механических свойств листового проката сталей, движущегося в производственном потоке, заключающийся в его намагничивании периодически повторяющимися импульсами магнитного поля больяой аіллитудн, синхронно формируемыми двумя соленоидами, расположенными с противоположных сторон движущегося ласта так, что их оси совпадают, а направления магнитных полей, формируемых этими соленоидами вдоль обшей оси,противоположны по знаку. При этом измерение градиентов квпряжеккостеи полей остаточной намагниченности осуществляэтся с помощью феррозондов-градиентометров, расположенных по ходу движения с двух сторон контролируемого ляста, а о величине механических свойств судят по сумме измеренных градиентов напряженности полей остаточнсй намагниченности или чх среднему геометрическому/ Это позволяет осуществить контроль механических свойств непрерывно движущегося листового проката при амплитудах вибраиин движущегося листа т20 мм.
4. На основе расчета полей остаточной намагниченности длинных цилиндрических изделий, намагниченных импульсным полем двух ветреч-
но включенных соленоидов, оси которых совпадают между собой и і осью намагничиваемого изделия, и экспериментального исследования этих полей предложен способ контроля механических свойств непрериї но движущихся протяженных изделий, заключающийся в намагничивании периодически повторяющимися иклульсами магнитного поля, формируемого двумя соленоидами, оси которых совпадают между собой и с осью контролируемого непрерывно движущегося объекта протяженной формы, а направления напряженностей магнитных полей, создаваемы; соленоидами вдоль оси движения, противополотаы по знаку. При этом после каждого импульса измеряется величина остаточного магнитного потока изделия. Это позволяет решать задачи контроля механических свойств непрерывно движущихся в производственном потоке изделий ТІ па проволока, пруток, труба и т.п.
-
На основе расчетов ЭДС катушки при движении через нее намагниченного короткого цилиндра и ее реакции на изменение остаточного магнитного потока цилиьдра и его смещению относительно оси и экспериментальных исследований зависимости механических и магнитных свойств изделий от температуры термообработки предложен спрсос магнитного контроля движущихся малогабаритных изделий, заключающийся в их последовательном перемещении через область магнитного поля, формируемого-намагничивающим соленоидом, и измерении магнитного потока в поле максимального намагничивания и остаточного магнитного потока и определении качества изделия по двум параметрам, что позволяет решить задачу контроля качества закалки движущихся изделий из высокоуглеродистых сталей, недоступную для однопарамет-ровых методов.
-
Разработаны принципы построения преобразователей и структурных схем прибороз для импульсного магнитного контроля механических свойств изделий:
- неподвижных в процессе контроля (приборы типа ИМА, ТИМА. ИЛК,
КИМ);
- движущихся в технологическом процессе производства (приборі:
типа ИМПОК для листового проката, IV3C1 - для проволоки и труб ма
лого диаметра, МАКСИ - для коротких изделий).
7. Разработаны принципы и специальные средства метрологичес
кой поверки средств измерений градиента поля остаточной намагничен
ности при .контроле неподвижных и движущихся 'объектов, а также
средств измерения магнитного потока при контроле движущихся мало
габаритных изделий. ,
Новизна подтверждается 35 авторскими свидетельствами 'ХСР и 43 зарубежными патентами, в том числе США, Англии, Іранции, Японии, Италии,. ФРГ и других стран.
Апробация работы. Использование импульсного намагничивания и измерения параметров полей остаточной намагниченности в качестве магнитных параметров, по которым осуществляется контроль механических свойств изделий из ферромагнитных материалов, позволяет ре-. шать задачи магнитного структурного анализа, недоступные для методов коэрцитиметрии с приставным электромагнитом: контроль механических свойств (твердость, предел текучести, предел прочности, относительное удлинение) холоднокатаных низкоуглеродистпх листовых сталей, предназначенных для холодной штамповки; контроль качества закалки малогабаритных изделий из высокоуглеродистых сталей в процессе их движения, контроль листового проката сталей, движущегося' в технологическом потоке производства при наличии вибрационных смешений контролируемого листа и т.п.
На основе импульсного магнитного метода разработано 7 типов приборов: Импульсные Магнитные Анализаторы ИМА-2А, ИМА-4', ИМА-4А -для контроля изделий толщиной не более 4 мм; ИМА-5, ИМА-5А, ИМА-ББ - для контроля изделий толщиной более 4 мм и имеющих слой защитного покрчтия независимо от этого слоя; импульсные структуроскопы ИЛК-2, ИЛК-2А - для контроля изделий из среднеуглеродистйг и сла-болегированных сталей, проведших закалку и высокотемпературный отпуск; КИЙ-1 - для контроля механических свойств сортового проката и изделий машиностроения после закалки и низкотемпературного отпуска независимо от магнитной предыстории изделия; Магнитные Анализаторы Кзчества Стальных изделий МАКСИ - для контроля качества закалки и отпуска малогабаритных изделий машиностроения,- двихупихся в производственном потоке: Импульсный Магнитный Поточный Контролер ИМПОК - для контроля механических свойств листового проката, движущегося в производственном потоке.
Импульсные Магнитные Анализаторы.ИМА-2А, ИМА-4. ИМА-4А.ИМА-5Б. импульсные структуроскопы ИЛК-2А пропли государственные испытания, зкесены в Государственный реестр мер л измерительных приборов ХСР, рекомендованы к серийному выпуску и выпускаются партиями на )пытном производстве ІПСБ с ОП АНБ. Другие разработки пронли метро-
логическую аттестацию и внедрены в нескольких экземплярах. Всего по теме диссертации на предприятиях Минчермета, Минсудпрома, Мин-авиапрома, машиностроения и др. внедрено более 350 приборов.
На импульсный магнитный метод контроля механических свойств низкоуглеродистых сталей -толщиной до 4 мм и приборы типа ИМА-4 длі его осуществления продано 6 лицензий: 3 - в ГДР, 1 - в"НРБ, і - в ЧССР, 1 - в Японию. На импульсный магнитный метод контролі механических свойств толстолистового проката и труб и приборы типі ИМА-5А для его осуществления продана лицензия в НРБ.
Основные результаты работы отражены в 121 публикациях, в том числе одной монографии, одной брошюре, 13 статьях, опубликованных в зарубежных изданиях, 30 статьях в зданиях АН СССР и БССР, 35 описаниях изобретений. Отдельные результаты работы докладывались на девяти Международных, а также на Всесоюзных, отраслевых и республиканских конференциях.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 333 наименований (из них 121 работ автора, в том числе 35 изобретений) и пяті приложений.