способ электромагнитного контроля качества термической обработки ферромагнитных изделий и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ электромагнитного контроля качества термической обработки ферромагнитных изделий, включающий воздействие переменным магнитным полем на изделия, их перемагничивание по гистерезисным циклам, определение значений необходимых параметров, по которым судят о качестве термической обработки изделий, отличающийся тем, что в качестве параметров, по которым судят о качестве термической обработки изделий, в частности стержней, выбирают установившееся пиковое значение электрического напряжения, наведенного в катушках индуктивности, и твердость стержней, воздействию переменным магнитным полем подвергают контролируемые участки стержней, охваченные катушками индуктивности, перемагничивание контролируемых участков стержней ведут в течение не менее 10-12 гистерезисных циклов, при выходе на предельную петлю гистерезиса измеряют установившееся при этом пиковое значение напряжения на выходе каждой катушки индуктивности и по заранее определенной корреляционной зависимости установившегося пикового значения напряжения и твердости находят твердость стержней, по которой судят о качестве их термической обработки.

2. Устройство электромагнитного контроля качества термической обработки ферромагнитных изделий, включающее блок намагничивания с катушкой намагничивания и средство измерения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит коммутатор, в блоке намагничивания оно дополнительно содержит магнитопровод и катушки индуктивности, магнитопровод, несущий катушку намагничивания, выполнен в виде соединенных между собой стоек, имеющих выступы и пазы, причем выступы одной стойки входят в пазы другой, на выступах магнитопровода, внутри пазов, установлены катушки индуктивности, в выступах стоек магнитопровода, соосно с отверстиями катушек индуктивности, выполнены сквозные отверстия для установки контролируемых стержней, сечение магнитопровода, во всех его выступах, не менее чем в 20 раз превышает суммарное сечение стержня на всех участках контроля: S_м>20 S_i, где i - индекс суммирования участков контроля, а в качестве средства измерения взят вольтметр пикового напряжения, к которому через коммутатор подключены выходы катушек индуктивности.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что катушка намагничивания может быть выполнена разъемной.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что один из выступов магнитопровода снабжен ферромагнитным подпятником.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразрушающему контролю качества изделий, в частности стержней, из ферромагнитных сталей электромагнитным методом и может быть использовано для контроля качества термической обработки стержней через определение твердости последних.

Известен способ электромагнитного контроля качества термической обработки изделий из среднеуглеродистых сталей, основанный на измерении начальной магнитной проницаемости контролируемого изделия, намагничивании его постоянным магнитным полем, измерении магнитного параметра изделия с последующим определением качества термической обработки изделия по ранее измеренным начальной магнитной проницаемости и магнитному параметру, причем в качестве магнитного параметра используют обратимую магнитную проницаемость в состоянии остаточной намагниченности. При этом качество термической обработки изделий определяют по отношению обратимой проницаемости к начальной магнитной проницаемости изделия с учетом заранее выявленной корреляционной зависимости этого соотношения от температуры отпуска (Авт. свид. СССР № 1578624, МПК5 G01N 27/80, опубл. 15.07.90).

Общим для известного и заявленного способов является намагничивание контролируемого изделия и использование заранее определенной корреляционной зависимости.

Однако известный способ достаточно трудоемок и не может обеспечить высокую производительность контроля.

Наиболее близким к заявленному по технической сути является способ электромагнитного контроля качества термической обработки ферромагнитных изделий, включающий намагничивание контролируемого и образцового изделий, измерение их остаточной намагниченности и магнитной проницаемости, сравнение результатов измерения с последующим определением качества термической обработки контролируемого изделия. Перед намагничиванием изделия многократно перемагничивают переменным током до насыщения по гистерезисным циклам, намагничивание производят последней полуволной этого тока, магнитную проницаемость измеряют в переменном магнитном поле одновременно с измерением остаточной намагниченности, суммируют полученные сигналы, после чего сравнивают результаты измерения (Авт. свид. СССР № 1035501, МПК5 G01N 27/82, опубл. 15.08.83).

Общим для заявленного и известного способов является воздействие на контролируемые изделия переменным магнитным полем, перемагничивание изделий по гистерезисным циклам, определение значений необходимых параметров, по которым судят о качестве термической обработки.

Недостатком известного способа является сложность его реализации, снижающая надежность, достоверность, производительность контроля, а также невозможность обеспечения контроля качества стержней с неравномерной характеристикой твердости по длине стержня.

Известно устройство контроля качества поверхностно-упрочненного слоя изделий из ферромагнитных материалов, реализующее соответствующий способ, содержащее блок управления, источник питания, представляющий собой программируемый генератор импульсов тока, блок намагничивания, состоящий из намагничивающего соленоида с расположенным внутри него, на его оси, феррозондом-градиентометром, блок возбуждения феррозонда-градиентометра, средство измерения, вычислительный блок и индикатор (Пат. РФ № 2330275, МПК G01N 27/80, опубл. 27.07.2008).

Общим для заявленного и известного устройств является наличие в них блока намагничивания и средства измерения.

К недостаткам известного устройства следует отнести сложность входящих в него блоков, обусловленную сложностью реализуемого им способа.

Наиболее близким к заявленному по технической сути является устройство для электромагнитного контроля качества термической обработки ферромагнитных изделий, содержащее блок питания, блок управления, блок намагничивания, выполненный в виде последовательно соединенных конденсатора, соленоида, тиристора и диода, а также средства измерения остаточной намагниченности, магнитной проницаемости, датчик положения торца изделия, блок задержки сигналов, сумматор и индикатор (Авт. свид. СССР № 1035501, МПК5 G01N 27/82, опубл. 15.08.83). Средство измерения остаточной намагниченности выполнено в виде феррозонда, расположенного на магнитопроводе, размещенного у торца соленоида. Средство измерения магнитной проницаемости выполнено в виде коаксиальных с соленоидом возбуждающей и измерительной обмоток.

Общим для заявленного и известного устройств является наличие в них блока намагничивания и средства измерения.

К недостаткам известного устройства следует отнести его сложность, обусловленную наличием в нем большого количества технических средств (конденсатор, соленоид, тиристор, диод, датчик положения торца изделия, а также средства измерения остаточной намагниченности, магнитной проницаемости, блок задержки сигналов, сумматор и индикатор), снижающих, в конечном счете, его точность, надежность, достоверность и производительность контроля. Кроме того, известное устройство не может обеспечить контроль стержней с требуемой неравномерной характеристикой твердости по длине стержня.

Техническая задача данной группы изобретений состоит в упрощении способа контроля качества термической обработки ферромагнитных изделий и устройства, реализующего этот способ, обеспечении возможности повышения точности, достоверности и производительности контроля, а также возможности контроля стержней с требуемой неравномерной характеристикой твердости по длине стержня.

Поставленная задача решается тем, что в способе электромагнитного контроля качества термической обработки ферромагнитных изделий, в частности стержней, включающем воздействие переменным магнитным полем на стержни, их перемагничивание по гистерезисным циклам и определение значений необходимых параметров, по которым судят о качестве термической обработки изделий, в качестве параметров, по которым судят о качестве термической обработки изделий, выбирают установившееся пиковое значение электрического напряжения, наведенного в катушках индуктивности, и твердость стержней. Воздействию переменным магнитным полем подвергают контролируемые участки стержней, охваченные катушками индуктивности. Перемагничивание контролируемых участков стержней ведут в течение не менее 10-12 гистерезисных циклов и при выходе на предельную петлю гистерезиса измеряют установившееся при этом пиковое значение напряжения на каждой катушке индуктивности и по заранее определенной корреляционной зависимости установившегося пикового напряжения и твердости находят твердость ферромагнитных стержней, по которой судят о качестве их термической обработки. Устройство неразрушающего контроля качества термической обработки ферромагнитных изделий, реализующее заявленный способ, включает в себя блок намагничивания с катушкой намагничивания, средство измерения и коммутатор. Блок намагничивания содержит магнитопровод, несущий катушку намагничивания, и катушки индуктивности. Магнитопровод выполнен в виде соединенных между собой стоек, имеющих выступы и пазы, причем выступы одной стойки входят в пазы другой. На выступах магнитопровода, внутри пазов, установлены катушки индуктивности, в выступах стоек магнитопровода, соосно с отверстиями катушек индуктивности, выполнены сквозные отверстия для установки контролируемых стержней. Сечение магнитопровода, во всех его выступах, не менее чем в 20 раз превышает суммарное сечение стержня на всех участках контроля: S_м>20 S_i, где i - индекс суммирования участков контроля. В качестве средства измерения взят вольтметр пикового напряжения, к которому через коммутатор подключены выходы катушек индуктивности. Катушка намагничивания может быть выполнена разъемной. Один из выступов магнитопровода снабжен ферромагнитным подпятником, обеспечивающим контакт магнитопровода с торцом стержня по всей его площади.

Принцип работы способа и устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен один из вариантов схемы устройства, реализующего заявленный способ; на фиг.2 - пример корреляционной зависимости установившегося пикового значения напряжения на выходе индукционной катушки от твердости термообработанных стержней из стали У8А; на фиг.3 - корреляционная зависимость показаний вольтметра пиковых напряжений от твердости стержней из стали У8А, не прошедших термообработку.

Устройство неразрушающего контроля качества термической обработки ферромагнитных стержней содержит блок 1 намагничивания, вольтметр 2 для измерения установившегося пикового значения напряжения, коммутатор 3 и блок 4 питания, который представляет собой стабилизированный источник переменного тока. Блок 1 намагничивания содержит магнитопровод, выполненный в виде соединенных между собой стоек 5, 6, имеющих выступы 7 и пазы 8. Выступы одной стойки входят в пазы другой. На магнитопроводе, вблизи места соединения стоек 5, 6, размещена катушка 9 намагничивания, которая может быть разъемной. На выступах 7 стоек магнитопровода, внутри пазов 8, установлены катушки 10 индуктивности и выполнены сквозные отверстия - гнезда для установки в них контролируемых стержней 11 соосно с катушками 10. Сечение магнитопровода, во всех его выступах, не менее чем в 20 раз превышает суммарное сечение стержня на всех участках контроля: S_м>20 S, где i - индекс суммирования участков контроля. Один из выступов 7 снабжен ферромагнитным цилиндрическим подпятником 12, обеспечивающим контакт магнитопровода с торцом стержня 11 по всей его площади. Катушка 9 намагничивания блока 1 подключена к блоку 4 питания, а катушки 10 индуктивности через коммутатор 3-е вольтметром 2 установившегося пикового напряжения. По заранее определенной корреляционной зависимости установившегося пикового напряжения, с одной стороны, и твердости, с другой стороны, например по графику на фиг.2, определяют величину твердости ферромагнитного стержня, прошедшего термическую обработку.

Способ осуществляется следующим образом. В блок 1 намагничивания (фиг.1) через катушку 9 подают стабилизированный переменный ток, при этом создается магнитное поле. Контролируемый стержень 11 устанавливают в гнезда, выполненные в выступах 7 магнитопровода. Наличие подпятника 12 способствует уменьшению магнитного сопротивления цепи магнитопровод - стержень" и единообразному положению стержня в магнитопроводе, обеспечивая тем самым достоверный контроль твердости торцевой части стержня 11. Магнитодвижущая сила катушки 9 намагничивания создает в магнитопроводе и контролируемых участках стержня 11, охваченных катушками 10, установленными в пазах 8 магнитопровода, переменный магнитный поток. Магнитный поток индуцирует переменное электрическое напряжение в катушках 10 индуктивности, которое с помощью коммутатора 3 подается на вход вольтметра 2 пиковых значений. Перемагничивание контролируемых участков стержней ведут в течение не менее 10-12 гистерезисных циклов и при выходе на предельную петлю гистерезиса измеряют установившееся при этом уже пиковое значение напряжения на каждой катушке индуктивности.

Для измерения пикового значения напряжения могут быть использованы электроизмерительные приборы повышенного класса точности. По заранее определенной корреляционной зависимости установившегося пикового значения напряжения и твердости, например по графику (фиг.2), справедливому для стержней, изготовленных из стали У8А, находят величину твердости, по которой судят о качестве термообработки. Стержни, твердость которых на участках закалки была за пределами заданного интервала, отбраковывались.

Заявленные способ и устройство электромагнитного контроля качества термической обработки ферромагнитных изделий прошли экспериментальные испытания. Испытания проводились на стержнях, выполненных из стали У8А, один из концов которых был подвергнут закалке от температуры 850°С и отпуску в течение 3 часов при 150°С. Качество термообработки стержней определялось величиной твердости по Виккерсу. Отбраковку стержней проводили, если их твердость на участке 1,5 мм от закаленного торца не укладывалась в интервал 825-980 HV, а на следующем участке длиной 2 мм твердость была менее 344 HV (фиг.3).

Пример 1. Длина стержня 28 мм, диаметр 1,2 мм. Закалке подвергался один из торцов стержня и прилегающий к нему участок длиной 3,25 мм при температуре 850°С и отпуску в течение 3 часов при 150°С. Величина твердости измерялась на торце, в трех точках, расположенных в зоне закалки, а также в точках, отстоящих от него на расстоянии 4.00; 5.00 и 7,5 мм. Результаты замеров равнялись: на закаленном торце и в трех близлежащих точках твердость составила 927 - 874 HV, что соответствует 4.00±0,89 мВ установившегося пикового напряжения на выходах катушек индуктивности. В остальных точках замера твердость составила соответственно 401, 447 и 524 HV, а установившееся пиковое напряжение на выходах катушек индуктивности - соответственно 10,5; 11,7 и 12,8 мВ. Стержень соответствует требуемому качеству термообработки.

Пример 2. Параметры стержня, режимы закалки и отпуска, точки замера те же, что и в примере 1. Результаты замеров равнялись: на закаленном торце и трех близлежащих от него точках твердость составляла 857±20 HV, значение установившегося пикового напряжения - 4,5±0,95 мВ в точках, расположенных на расстоянии 4,25; 5,5 и 6,5 мм твердость составляла соответственно 447, 466 и 575 HV, а пиковое напряжение - 11,7; 11,9 и 13,9 мВ (фиг.3). Стержень соответствует требуемому качеству термообработки.

Как видно из приведенных примеров, заявленные способ и устройство электромагнитного контроля качества термической обработки ферромагнитных стержней позволяют осуществлять контроль стержней с требуемой неравномерной характеристикой твердости по длине стержня.

Как показали испытания, заявленный способ позволяет обеспечить производительность контроля не менее 120 стержней в час.

Таким образом, предложенные способ электромагнитного контроля качества термической обработки ферромагнитных изделий и устройство для его осуществления обладают рядом преимуществ в сравнении с описанными аналогами.

1. Перемагничивание контролируемых участков стержня под воздействием приложенного магнитного переменного поля по гистерезисным циклам в одной серии циклов в процессе размагничивания и измерения установившегося пикового значения напряжения, сокращает продолжительность контроля за счет одновременного перемагничивания, намагничивания стержня для измерения и собственно самого измерения.

2. Конструктивное исполнение блока намагничивания обеспечивает перемагничивание контролируемых стержней по предельным гистерезисным циклам, позволяет выборочно определять участки намагничивания и контроля величины твердости по длине стержня, создавая идентичные условия намагничивания всех контролируемых участков стержня, что повышает достоверность контроля.

3. Для уменьшения магнитного сопротивления в цепи "магнитопровод - стержень" один из выступов магнитопровода снабжен ферромагнитным подпятником, который задает также единообразное положение стержня в магнитопроводе.