Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

Гончаров А.В., д.т.н., проф. Костоглотов А.А., к.т.н., проф. Решенкин А.С., к.т.н. Тихомиров А.Г.

Донской государственный технический университет, Россия

Контроль термообработки стальных деталей

Научно-технический прогресс и развитие человеческого общества в целом неразрывно связаны с созданием новых машин, повышающих производительность и облегчающих труд людей, а также обеспечивающих средства исследования законов природы и жизни человека.

Большинство машин включает в себя детали, выполненные из различных сталей. Как правило эти детали являются ответственными элементами конструкции машины и от них зависит надежность ее функционирования, что требует применения на всех этапах их производства сплошного неразрушающего контроля.

В настоящее время осуществление такого контроля термообработанных изделий из сталей при помощи стандартных средств измерений (твердомеров и т.п.) довольно затруднителен.

В связи с этим в настоящей работе представлены экспериментальные исследования по установлению взаимосвязи эмиссионных характеристик магнитного шума, возникающего в процессе взаимодействия переменного электромагнитного поля с ферромагнитным материалом деталей, с физико-механическими характеристиками углеродистых сталей.

Для выполнения задачи исследования создан экспериментальный стенд, позволяющий проводить регистрацию и последующую обработку магнитного шума. В состав стенда входят: осциллограф С1-114; частотомер Ч3-63/1; задающий генератор ГЗ-118; усилитель мощности (УМ) (коэффициент гармоник 0,1%, мощность 50 Вт); блок преобразователей (БПр), представляющий из себя проходные перемагничивающую L1 и сигнальную катушки L2; прибор регистрации и измерения параметров магнитного шума ИТ-2. ИТ-2 является усилительно-преобразующим прибором. Так как ЭДС, наводимая в сигнальной катушке, составляет величину единиц микровольт, то для того, чтобы с данным сигналом можно было производить операции обработки, он усиливался в »10⁵ раз.

Созданный стенд позволяет измерять следующие параметры:

- среднюю амплитуду магнитного шума при постоянном уровне напряженности перемагничивающего поля;

- длительность огибающей сигнала, крутизну фронтов;

- сдвиг фазы магнитного шума относительно перемагничивающего сигнала;

- частоту следования импульсов магнитного шума на определенном уровне дискриминации при постоянном и переменном уровне напряженности магнитного поля.

Все эти измерения стенд позволяет производить в двух режимах: при постоянном уровне напряженности магнитного поля и постоянном уровне выходного сигнала. Регулировка уровня напряженности электромагнитного поля производится установкой соответствующей амплитуды сигнала задающего генератора.

Кроме того, существует возможность изменения в широких пределах частоты сигнала перемагничивания. Диапазон изменения частоты определяется частотной характеристикой УМ (рабочая частота -20 Гц...20 кГц).

Так как задачей исследований является установление взаимосвязи параметров магнитного шума с физическими характеристиками конструкционных материалов, то в качестве исследуемых материалов были взяты конструкционные стали с разным содержанием углерода, а именно сталь 20, сталь 30, сталь 45, сталь 55, сталь У8. Для того чтобы считать напряженность поля одинаковой по всей длине исследуемого образца он должен удовлетворять требованию отношения длины к диаметру 10 к 1.

Для удобства изготовления и проведения исследований образцы изготовлялись цилиндрической формы, диаметром 5,5 мм и длиной 55 мм. Чистота обработки поверхности образцов Rа=10мкм.

Образцы подвергались различным видам термообработки (отжиг; закалка; низкий, средний и высокий отпуск; нормализация) в муфельных печах МП-6.

Время выдержки образцов при заданной температуре 5 минут. Режимы охлаждения после нагрева следующие:

- после отжига - охлаждение вместе с печью;

- после закалки - охлаждение в воде;

- после всех видов отпуска и нормализации - охлаждение на воздухе.

После термообработки образцы обрабатывались наждачной бумагой №1 для снятия окалины. Исследовались следующие параметры магнитных шумов:

- средняя амплитуда (Uср) выпрямленного сигнала магнитного шума;

- частота следования (F) импульсов в сигнале на определенном уровне дискриминации при Uвых = const для всех режимов термообработки;

- длительность сигнала (t_ш);

- сдвиг фазы (Dj) сигнала магнитного шума относительно перемагничивающего сигнала;

- длительность фронта спада t_сп.

Средняя амплитуда (Ucp) сигнала контролировалась по индикатору прибора ИТ-2. Частота следования импульсов определялась с помощью частотомера ЧЗ-63/1. Временные параметры сигнала (t_ш, Dj, t_сп) регистрировались осциллографом С1-114.

В результате проведения измерений параметров Uср, F, t_ш, Dj, t_сп при всех видах термообработки выбранных марок сталей, получены данные, которые нуждаются в предварительной оценке. Еще в ходе проведения экспериментов было отмечено, что такие параметры, как t_ш, Dj, t_сп слабо связаны с физическими характеристиками сталей и не позволяют однозначно судить об изменении содержания углерода и режимах термообработки материала.

Анализ данных показал, что параметры t_ш, Dj, t_сп не дают однозначной картины изменения физических свойств исследуемого материала и в дальнейшем исключены из рассмотрения.

В ходе проведения экспериментов был обнаружен эффект наличия минимума частоты следования импульсов магнитного шума при определенном, зависящем от марки стали и вида термообработки, фиксированном значении напряженности перемагничивающего поля. Для отсчета, в качестве этого параметра, берется амплитуда входного напряжения усилителя мощности, так как коэффициент усиления постоянен.

Полученная в ходе обработки экспериментальных данных функция Fmin(Uвх) принята в качестве параметра отражающего связь физических характеристик материала (% содержание углерода, твердость) с магнитным шумом.

Кроме рассмотренных характеристик Fmin и Uвх информативным параметром является средняя амплитуда магнитного шума (Ucp), которая отражает твердость исследуемого материала. Эта характеристика не является универсальной и однозначной, так как одно и то же значение Ucp для разных сталей и разных видов термообработки не дает одинаковое значение твердости. Поэтому графики связывающие значения Uср и твердости (НВ) для разного типа сталей и разных видов термообработки, построенные на основе сравнения со справочными графиками зависимостей твердости материала от содержания углерода и разных видов термообработки.

Определив марку стали и вид термообработки по графику, определяют по значению Ucр твердость материала в НВ.

Таким образом проведенные исследования показали возможность осуществления сплошного контроля термообработки изделий из конструкционных сталей на различных этапах их производства.