close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13520

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.08.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 13520
(13) C1
(19)
G 01N 27/72
СПОСОБ МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА
ИЗДЕЛИЯ С РАЗМАГНИЧИВАЮЩИМ ФАКТОРОМ БОЛЕЕ 0,04
(21) Номер заявки: a 20081193
(22) 2008.09.19
(43) 2010.04.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Объединенный
институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси"
(BY)
(72) Автор: Сандомирский Сергей Григорьевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) RU 2051380 C1, 1995.
BY 7879 C1, 2006.
BY 9482 C1, 2007.
SU 1748031 A1, 1992.
GB 1249274 A, 1971.
US 5119023 A, 1992.
BY 13520 C1 2010.08.30
(57)
Способ магнитного контроля структуры материала изделия с размагничивающим фактором более 0,04, в котором изделие намагничивают в разомкнутой магнитной цепи стационарным магнитным полем заданной напряженности и измеряют остаточную
намагниченность изделия, по которой определяют искомую структуру, отличающийся
тем, что напряженность намагничивающего поля задают в пределах от 20 до 50 кА/м.
Фиг. 5
BY 13520 C1 2010.08.30
Изобретение относится к области исследования материалов с помощью электрических
или магнитных средств.
Известен способ магнитного контроля структуры изделий с большим размагничивающим фактором [1], заключающийся в том, что в изделии возбуждают вихревые токи
неизменным по форме импульсом магнитного поля определенного вида и о структуре изделий судят по времени от начала импульса до момента достижения определенного
уровня сигнала. Недостаток способа в низкой достоверности контроля, связанной с отсутствием надежных связей между измеряемым параметром изделий и структурой их материала.
Известен способ магнитного контроля структуры изделий с большим размагничивающим фактором [2], заключающийся в том, что изделие намагничивают в замкнутой магнитной цепи и измеряют остаточную магнитную индукцию в изделии. Недостатками
способа являются низкие достоверность и производительность контроля. Низкая достоверность контроля обусловлена тем, что остаточная магнитная индукция в изделии, измеренная в замкнутой магнитной цепи, не обладает высокой чувствительностью к структуре
большинства конструкционных ферромагнитных материалов (сталей и чугунов). Невысокая производительность контроля связана с тем, что изделие в процессе намагничивания в
замкнутой магнитной цепи и измерения должно находиться в неподвижном состоянии.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ магнитного контроля структуры изделий с большим размагничивающим фактором [3], заключающийся в том, что изделие намагничивают в разомкнутой магнитной цепи магнитным
полем He и измеряют магнитный параметр, в качестве которого используют коэрцитивную силу или остаточную магнитную индукцию изделий, по величине которого судят о
структуре изделий, а напряженность He магнитного поля устанавливают удовлетворяющей уравнению:




1
NMS  2 δ 

 ,
1 −
H e ≈ H CS
+
(1)
  πM R 
H CS 
π 
 δ

 tg

  2M S 
где δ ≤ 0,1 - допустимая погрешность измерения магнитного параметра; HCS, MS, MR - соответственно коэрцитивная сила, намагниченность насыщения, остаточная намагниченность материала изделия; N - его размагничивающий фактор.
Повышение достоверности контроля и снижение энергетических затрат на контроль
достигаются благодаря тому, что намагничивание изделий при контроле осуществляется
минимально допустимым магнитным полем He, гарантирующим контроль изделий по коэрцитивной силе их материала или пропорциональной ей остаточной намагниченности
изделий с погрешностью не выше заданной.
Недостаток способа заключается в недостаточно высокой его достоверности и надежности и чрезмерном энергопотреблении при контроле структуры изделий с большим размагничивающим фактором. Невысокая достоверность известного способа обусловлена
тем, что при его использовании чувствительность к структуре изделий с большим размагничивающим фактором не может быть выше, чем чувствительность к ней коэрцитивной
силы материала изделий. Чрезмерное энергопотребление при контроле изделий с большим размагничивающим фактором обусловлено тем, что достижение напряженности He
намагничивающего поля при контроле таких изделий в соответствии с известным способом требует высоких энергетических затрат. Низкая надежность контроля обусловлена
тем, что на выходе из области с намагничивающим полем высокой напряженности He на
изделия с большим размагничивающим фактором действует большая магнитная сила,
приводящая к зависанию изделий в этой области.
2
BY 13520 C1 2010.08.30
Задачей изобретения является повышение достоверности и надежности контроля
структуры изделий с большим размагничивающим фактором при снижении энергетических затрат на контроль за счет намагничивания изделия полем оптимальной напряженности и снижения вероятности зависания изделий на выходе из области с намагничивающим
полем.
Задача решена в способе магнитного контроля структуры материала изделия с размагничивающим фактором более 0,04, в котором изделие намагничивают в разомкнутой магнитной цепи стационарным магнитным полем заданной напряженности и измеряют
остаточную намагниченность изделия, по которой определяют искомую структуру, отличающемся тем, что напряженность намагничивающего поля задают в пределах от 20 до
50 кА/м.
Способ предназначен для контроля структуры изделий с размагничивающим фактором (центральным коэффициентом размагничивания) N, превышающим значение
N = 0,04, поступающим на операцию контроля в заведомо размагниченном состоянии непосредственно после термообработки или кристаллизации из жидкого состояния и
остывания.
Повышение достоверности контроля структуры изделий с большим размагничивающим фактором достигается благодаря тому, что при намагничивании изделий полем He,
напряженность которого установлена в соответствии с предложенным способом, обеспечивается более высокая чувствительность остаточной намагниченности изделия к структуре его материала, чем при намагничивании изделий полем He, удовлетворяющим
уравнению (1).
Снижение энергетических затрат на контроль изделий с большим размагничивающим
фактором и повышение надежности их контроля достигаются благодаря тому, что намагничивание изделий в процессе контроля осуществляется гораздо более слабым, чем в прототипе, магнитным полем He, гарантирующим контроль структуры изделий с более
высокой достоверностью.
В качестве параметра, характеризующего чувствительность к структуре материала изделий различных размеров после намагничивания в разомкнутой магнитной цепи в магнитных полях различной напряженности He, в описании изобретения использовано
отношение F остаточной намагниченности Md в изделии из белого чугуна к этому параметру в изделии из ковкого чугуна.
Предложенное изобретение поясняется таблицей, графиками и чертежами.
В таблице представлены основные магнитные параметры белого и ферритного ковкого чугунов, используемых в качестве контролируемых материалов при теоретическом
обосновании предложенного способа и в примере его практической реализации.
Основные магнитные параметры белого и ферритного ковкого чугунов
Магнитные параметры, кА/м
Тип чугуна
HCS
МS
MR
Белый
1,2
1035
400
Ковкий
0,12
1433
560
На фиг. 1 представлена зависимость напряженности намагничивающего поля He, требуемого для намагничивания изделий из белого (1) и ковкого (2) чугунов в соответствии с
прототипом, от размагничивающего фактора N изделий.
На фиг. 2 представлена зависимость размагничивающего фактора N эллипсоида вращения (1), сплошного цилиндра (2) и полых цилиндров при h = 0,5 (3); 0,2 (4) и 0,1 (5) от
их λ (λ - отношение длин осей эллипсоида вращения и отношение длины к внешнему
диаметру цилиндров; h - отношение толщины стенки к внешнему радиусу полого цилиндра).
3
BY 13520 C1 2010.08.30
На фиг. 3 представлена зависимость чувствительности F остаточной намагниченности
сплошных цилиндров с λ = 1,4 (1); 2 (2); 10 (3) и 100 (4) из белого и ковкого чугунов к их
структуре от напряженности He намагничивающего поля при намагничивании в разомкнутой магнитной цепи. Пунктирные прямые соответствуют значениям F для тех же цилиндров при намагничивании до насыщения (в поле He = 1000 кА/м).
На фиг. 4 представлена зависимость (1) чувствительности F остаточной намагниченности отливок изделий "ниппель 11/4" (размагничивающий фактор N которых равен 0,196,
что соответствует N цилиндров с λ ≈ 1,4) из белого и ковкого чугунов к их структуре от
напряженности He намагничивающего поля при намагничивании в разомкнутой магнитной цепи. Пунктирная линия (1⁄) соответствует значению F после намагничивания тех же
отливок в пермеаметре.
На фиг. 5 представлено устройство для реализации способа.
Устройство (фиг. 5), реализующее способ, содержит: направляющую 1, намагничивающую катушку 2, охватывающую направляющую 1, регулируемый источник 3 намагничивающего тока, подключенный к намагничивающей катушке 2, индукционную
измерительную катушку 4, охватывающую направляющую 1 и расположенную за намагничивающей катушкой 2 вдоль направляющей 1, блок 5 обработки сигналов и сравнения,
ко входу которого подключена индукционная измерительная катушка 4, а к выходу - исполнительный механизм 6. Позицией 7 обозначено контролируемое изделие.
Реализуется предложенный способ следующим образом.
Контролируемые изделия 7 после затвердевания и остывания или после термообработки загрузочным устройством или оператором поштучно подаются в направляющую 1 и
движутся вдоль нее под действием силы тяжести. На пути движения контролируемых изделий 7 вдоль направляющей 1 намагничивающая катушка 2 создает магнитное поле,
напряженность He (в кА/м) которого регулируемым источником 3 намагничивающего тока устанавливается в диапазоне 20 ≤ He ≤ 50. При меньшей чем 20 кА/м величине He не
удается обеспечить необходимую достоверность контроля. Увеличение He сверх значения
50 кА/м также снижает достоверность контроля. Чрезмерное для конкретного изделия
увеличение He ухудшает и условия движения изделий при контроле. При выходе изделия
из области с намагничивающим полем оно оказывается под действием слишком сильного
отрицательного градиента магнитного поля. Это повышает вероятность зависания изделий
в преобразователе, снижая надежность контроля, приводит к резкому увеличению энергопотребления в процессе контроля для создания намагничивающего поля He > 50 кА/м.
При установлении намагничивающего поля в соответствии с настоящим способом этого
не происходит, и контролируемое изделие 7 выходит из зоны действия магнитного поля
He намагничивающей катушки 2 и движется дальше вдоль направляющей 1 в намагниченном состоянии. При этом оно проходит сквозь индукционную измерительную катушку 4 и
индуцирует в ней сигнал, поступающий на блок 5 обработки сигналов и сравнения, который выделяет из поступившего сигнала однополярный импульс напряжения, интегрирует
его (результат интегрирования пропорционален остаточному магнитному потоку Фd в
контролируемом изделии 7). Результаты интегрирования в блоке 5 обработки сигналов и
сравнения сравниваются с предварительно установленными порогами годности контролируемых изделий 7 по измеренному параметру. По результату сравнения блок 5 обработки
сигналов и сравнения формирует сигнал управления исполнительным механизмом 6, который осуществляет сортировку контролируемых изделий 7 на годные и брак с высокой
надежностью и достоверностью.
Обоснование предложенного способа заключается в следующем.
При намагничивании ферромагнитного изделия в разомкнутой магнитной цепи магнитным полем He, напряженность которого установлена в зависимости от магнитных
свойств и размеров изделия в соответствии с формулой (1), удается обеспечить намагничивание изделий в процессе контроля минимально допустимым магнитным полем, гаран4
BY 13520 C1 2010.08.30
тирующим контроль изделий по коэрцитивной силе их материала или пропорциональной
ей остаточной намагниченности изделий с погрешностью не выше заданной. Однако для
изделий, размагничивающий фактор (центральный коэффициент N размагничивания) которых превышает значение N = 0,04, требуемая в соответствии с формулой (1) напряженность He намагничивающего поля превышает (фиг. 1) значение 50 кА/м (представленные
на фиг. 2 результаты расчета значений N изделий простой формы показывают, например,
что N сплошного цилиндра с λ = 5 равно 0,041). Создание стационарных магнитных полей
такой напряженности в средствах магнитного неразрушающего контроля требует чрезмерных энергетических затрат и приводит к возникновению чрезмерно большой магнитной силы, действующей на изделие при выходе из области с намагничивающим полем и
создающей условия для снижения надежности контроля (зависания) изделий. Кроме того,
намагничивание изделий с N ≥ 0,04 в полях He в соответствии с аналитическим выражением (1) не позволяет получить чувствительность F к структуре материала изделий более
высокую, чем чувствительность к ней коэрцитивной силы НCS материала изделий. Намагничивание в более слабых полях, выбранных в соответствии с предложенным способом,
кроме повышения надежности контроля и снижения энергетических затрат на его проведение, позволяет получить для изделий с N ≥ 0,04 более высокую чувствительность F к
структуре материала изделий. Об этом свидетельствуют результаты расчета параметра F
цилиндров различной длины из белого и ковкого чугунов, магнитные параметры которых
приведены в таблице, после намагничивания в полях различной напряженности, представленные на фиг. 3.
Представленные на фиг. 3 результаты расчета зависимостей чувствительности F остаточной намагниченности цилиндров λ = 1,4; 2; 10 и 100 из белого и ковкого чугунов к их
структуре от напряженности He намагничивающего поля при намагничивании в разомкнутой магнитной цепи показывают, что длинные (с малым размагничивающим фактором N)
изделия намагничиваются практически до магнитного насыщения уже в полях
He ≈ 10 кА/м (кривые 4, 4⁄ на фиг. 3). При этом чувствительность F остаточной намагниченности таких изделий к их структуре низкая (в несколько раз ниже, чем чувствительность к структуре изделий HCS их материала). Уменьшение намагничивающего поля ниже
значения He ≈ 10 кА/м для таких изделий приводит к еще большему уменьшению параметра F.
Увеличение размагничивающего фактора N при намагничивании изделий до технического насыщения приводит к увеличению чувствительности F остаточной намагниченности изделий к структуре их материала - этот параметр при N → 1 стремится (кривые 3⁄, 2⁄,
1⁄ на фиг. 3) к чувствительности HCS материала изделий к его структуре (значению "10" в
анализируемом примере материалов - белого и ковкого чугунов, имеющих магнитные параметры из таблицы).
Для изделий с размагничивающим фактором N ≤ 0,04 снижение напряженности
намагничивающего поля He не приводит к увеличению чувствительности F. Так, для цилиндра с λ = 10 (кривая 3 на фиг. 3), размагничивающий фактор которого (фиг. 2) равен
N = 0,015, техническое насыщение достигается в поле напряженностью He ≈ 40 кА/м.
Снижение намагничивающего поля ниже этого значения снижает чувствительность F
остаточной намагниченности Md в изделии к структуре их материала (зависимости 3, 3⁄ на
фиг. 3).
Напротив, для более коротких изделий с размагничивающим фактором N ≥ 0,04 снижение напряженности намагничивающего поля He приводит к увеличению чувствительности F. Так (кривая 2 на фиг. 3), для цилиндра с λ = 5, размагничивающий фактор
которого (фиг. 2) равен N = 0,041, техническое насыщение достигается в поле напряженностью He ≈ 60 кА/м. Снижение намагничивающего поля ниже этого значения в соответствии с предложенным способом не снижает, а повышает чувствительность F остаточной
5
BY 13520 C1 2010.08.30
намагниченности Md в изделиях к структуре их материала (зависимости 2, 2⁄ на фиг. 3). В
поле напряженностью He ≈ 30 кА/м, например, увеличение чувствительности F для цилиндров с λ = 5 составляет около 10 % по сравнению с намагничиванием этих изделий до
технического насыщения (прямая 2⁄ на фиг. 3). Дальнейшее снижение намагничивающего
поля ниже значения 20 кА/м снижает чувствительность F остаточной намагниченности Md
в цилиндрах с λ = 5 к структуре их материала и поэтому нецелесообразно.
Для еще более коротких изделий (с размагничивающим фактором N ≥ 0,15) снижение
напряженности намагничивающего поля He приводит к еще большему увеличению чувствительности F. Так (кривая 2 на фиг. 3), для цилиндра с λ = 1,4, размагничивающий фактор
которого (фиг. 2) равен N = 0,199, техническое насыщение достигается в поле напряженностью He, превышающей 300 кА/м (фиг. 1). Снижение намагничивающего поля ниже
50 кА/м в соответствии с предложенным способом повышает чувствительность F остаточной намагниченности Md в изделии к структуре их материала (зависимости 1, 1⁄ на фиг. 3)
примерно на 20 % по сравнению с намагничиванием этих изделий до технического насыщения (прямая 1⁄ на фиг. 3). Хотя дальнейшее снижение намагничивающего поля ниже
значения 20 кА/м для таких изделий, согласно расчету, еще больше повышает чувствительность F остаточной намагниченности Md изделий к структуре их материала, рекомендовать
использование при магнитном структурном анализе таких изделий намагничивающих полей напряженностью He < 20 кА/м нецелесообразно по следующим основаниям.
Уровень остаточной намагниченности Md изделий с большим размагничивающим
фактором после намагничивания в полях напряженностью He < 20 кА/м становится чрезмерно низким. Измерение остаточной намагниченности Md таких изделий в условиях производства на фоне промышленных электромагнитных помех и в условиях влияния
магнитного поля Земли становится сложной технической задачей. Низкая точность измерения Md изделий с большим размагничивающим фактором в этих условиях снижает достоверность магнитного контроля их структуры. Возможно, поэтому повышение
чувствительности остаточной намагниченности Md изделий с большим размагничивающим фактором (N ≥ 0,15) после намагничивания в полях напряженностью He < 20 кА/м,
наблюдаемое по результатам расчета (кривая 1 на фиг. 3), не нашло подтверждения при
практической реализации способа.
Пример реализации способа
Эффективность предложенного способа иллюстрируется примером его реализации
для магнитного контроля структуры отливок изделий "ниппель 11/4", представляющих собой полый цилиндр длиной 25 мм, наружным диаметром 42 мм и толщиной стенки 7 мм,
из белого и феррито-перлитного ковкого чугунов. Результаты экспериментальных исследований зависимости от напряженности He намагничивающего поля при намагничивании
в разомкнутой магнитной цепи отношения F остаточного магнитного потока Фd отливок
ниппелей со структурой белого чугуна к Фd отливок ниппелей со структурой ковкого чугуна представлены на фиг. 4. Размагничивающий фактор N ниппелей равен 0,196, что
близко N сплошного цилиндра с λ = 1,4. Намагничивание ниппелей осуществлялось при
их движении вдоль направляющей сквозь намагничивающую катушку (фиг. 5). Измерение
остаточного магнитного потока Фd ниппелей, пропорционального их остаточной намагниченности Md, осуществлялось интегрированием с использованием аналогового интегратора однополярного импульса сигнала круглой индукционной катушки, сквозь которую
двигались ниппели после выхода из области с намагничивающим полем He. Перед повторными измерениями при других значениях He отливки тщательно размагничивались.
Результаты экспериментальных исследований (фиг. 4) качественно подтверждают
представленные на фиг. 3 теоретические закономерности для цилиндра с λ = 1,4. Полученные результаты показывают, что при выборе намагничивающего поля He в диапазоне
20 кА/м ≤ He ≤ 50 кА/м, соответствующим настоящему изобретению, чувствительность F
6
BY 13520 C1 2010.08.30
остаточного магнитного потока Фd в отливках к их структуре на 15-30 % выше (зависимость 1 на фиг. 4), чем после намагничивания отливок до технического насыщения в замкнутой магнитной цепи пермеаметра (прямая 1 на фиг. 4). Меньшие, чем в
теоретических оценках, значения параметра F обусловлены тем, что отливки со структурой ковкого чугуна имели не чисто ферритную, а феррито-перлитную структуру металлической матрицы. Полученный результат по повышению достоверности к структуре
отливок и надежности контроля подтвержден и при апробации способа на промышленной
партии отливок ниппелей из ковкого чугуна в условиях цеха серого и ковкого чугуна
Минского завода отопительного оборудования. Напряженность He намагничивающего поля при этом была установлена 46 кА/м.
Аналогичные результаты по повышению достоверности и надежности предложенного
способа получены и при расчете и практической реализации способа для контроля структуры ниппелей из белого и серого чугунов.
Таким образом, применение предложенного способа обеспечивает повышение достоверности и надежности контроля структуры изделий с большим размагничивающим фактором при снижении энергетических затрат на контроль за счет намагничивания изделия
полем оптимальной напряженности и снижения вероятности зависания изделий на выходе
из области с намагничивающим полем.
Источники информации:
1. SU 238856, МПК G 01N 27/72, 1968.
2. Чернышев Е.Т., Чечурина Е.Н., Чернышева Н.Г., Студенцов Н.В. Магнитные измерения. - М.: Изд. Стандартов, 1969. - 248 с.
3. RU 2051380, МПК G 01N 27/80, 1995 (прототип).
Фиг. 1
Фиг. 2
7
BY 13520 C1 2010.08.30
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
348 Кб
Теги
by13520, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа