Электромагнитные методы

УДК 620.179.14

СЕЛЕКТИВНЫЙ МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ ТОЛЩИНЫ И СТЕПЕНИ

УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ НА СТАЛЬНЫХ ОБЪЕКТАХ

¹Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, Россия 620108 Екатеринбург,

ул. Софьи Ковалевской, 18

E-mail: ^*byzovav@imp.uran.ru; ^**ksenofontov@imp.uran.ru

Поступила в редакцию 23.09.2021; после доработки 24.09.2021

Принята к публикации 24.09.2021

Исследованы зависимости локально измеряемых магнитных характеристик поверхностно упрочненных стальных

объектов от толщины и физических свойств их поверхностных слоев. Теоретически и экспериментально показано, что

изменение толщины упрочненного слоя на поверхности стальных объектов в наибольшей степени влияет на величину

тангенциальной составляющей поля на поверхности объекта в межполюсном пространстве, а изменение прочностных

свойств слоя — на величину магнитного потока в цепи «преобразователь—объект». Это различие магнитных параме-

тров предложено использовать для селективного контроля качества поверхностного упрочнения. Показано, что локально

измеряемая по внутреннему полю коэрцитивная сила и максимальная величина магнитного потока, которые могут быть

измерены в одном измерительном цикле с помощью единственного преобразователя, могут быть использованы в каче-

стве диагностических параметров.

Ключевые слова: поверхностное упрочнение, слой, сердцевина, моделирование, коэрцитивная сила, магнитный

поток, аппаратно-программная система магнитной структуроскопии.

DOI: 10.31857/S0130308221120046

ВВЕДЕНИЕ

Поверхностное упрочнение стальных изделий является широко распространенным способом

повышения их износостойкости и сопротивления усталостному разрушению [1—4]. Толщина

поверхностно упрочненных слоев может варьироваться в очень широких пределах: 0,2—1,0 мм

— после лазерного нагрева; 1,5—3 мм — для конструкций, подвергаемых усталостному износу;

3—7 мм — для различных деталей машиностроения и автомобилестроения; 10—20 мм и более

— для изделий, которые должны выдерживать повышенные контактные нагрузки (например,

катки гусеничной техники, валки холодной прокатки).

Наиболее известными методиками определения толщины упрочненного слоя являются акусти-

ческие [5—7], вихретоковые [8, 11] и магнитные [9—18]. Акустические методики используются

при наличии выраженной границы между упрочненным слоем и сердцевиной и толщине слоя

больше длины ультразвуковой волны. Вихретоковые — для определения малых (1—2 мм и менее)

толщин поверхностного упрочнения.

Наибольшее практическое применение нашла коэрцитиметрическая методика определения

толщины и прочности (твердости) поверхностно упрочненных слоев, основанная на локальном

измерении средней по промагниченному объему коэрцитивной силы H_c с помощью преобразо-

вателей различных типоразмеров [9—12, 14]. Используемые преобразователи обеспечивают

различную глубину промагничивания испытуемого изделия. Для раздельного определения глу-

бины и толщины слоя в зоне контроля необходимо выполнять два измерения величины H_c.

Сначала проводят измерение с помощью преобразователя с малой глубиной промагничивания, а

результат говорит о твердости упрочненного слоя. Затем проводят измерение величины H_c с

помощью преобразователя с большой глубиной промагничивания и по полученному результату

с учетом показаний первого преобразователя судят о толщине упрочненного слоя. Таким обра-

зом, коэрцитиметрический контроль упрочнения является достаточно трудоемкой и продолжи-

тельной процедурой. Кроме того, использование двух преобразователей различных размеров

увеличивает погрешности контроля, связанные с несовпадением зон намагничивания и различ-

ной чувствительностью используемых преобразователей к таким мешающим факторам, как

неконтролируемый зазор в измерительной цепи или перекос преобразователя относительно

поверхности контролируемого объекта.

Вследствие очевидных недостатков коэрцитиметрической методики на протяжении многих лет

велись разработки альтернативных магнитных методик контроля качества поверхностного упроч-

нения. Для повышения чувствительности к глубине слоя было предложено частично размагничи-

А.В. Бызов, Д.Г. Ксенофонтов, В.Н. Костин, О.Н. Василенко

вать остаточно намагниченный по предельной петле гистерезиса двуслойный объект постоянным

или переменным полем [15] или несколькими сериями импульсов магнитного поля [16]. Однако

амплитуда и временные характеристики таких полей могут сильно различаться и оптимальные

алгоритмы перемагничивания должны подбираться экспериментально для каждого типоразмера

контролируемых объектов, что сильно затрудняет практическое применение этих методик.

В работах [17, 18] предложены методика и устройства определения параметров упрочненного

слоя, основанные на перемагничивании объектов по предельной петле гистерезиса и измерении

полей, при которых наблюдаются максимумы дифференциальной магнитной проницаемости.

Поскольку поле максимума дифференциальной проницаемости материала практически совпадает

с его коэрцитивной силой, то по этим полям можно определять качество (твердость) этих слоев.

Но к настоящему времени отсутствуют методики и устройства для локального измерения полевых

зависимостей дифференциальной магнитной проницаемости.

Существующие методики и средства измерений предполагают последовательное определение

глубины и прочности поверхностных слоев с помощью существенно различающихся методик и

устройств. Трудоемкость и стоимость такого контроля даже выше, чем у коэрцитиметрического.

Таким образом, актуальной задачей остается разработка достаточно простой и достоверной мето-

дики селективного определения параметров упрочненных слоев на ферромагнитных изделиях.

Разработка такой методики является задачей настоящей работы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ

В нашей работе [19] путем численного решения методом конечных элементов системы урав-

нений Максвелла [20] с использованием программы FEMM [21] было установлено, что при уве-

личении толщины упрочненного слоя (d) меняется соотношение магнитных потоков, проходящих

между полюсами электромагнита по упрочненному слою и сердцевине, и увеличивается глубина

проникновения магнитного потока, создаваемого приставным U-образным электромагнитом при

фиксированной величине намагничивающего тока. Магнитный поток в слое монотонно увеличи-

вается в несколько раз, что приводит к монотонному росту тангенциальной составляющей поля

H_x в межполюсном пространстве на поверхности двуслойного стального объекта. Увеличение d

также приводит к монотонному уменьшению нормальной компоненты магнитного потока в

полюсе электромагнита B_y. Уменьшение твердости поверхностного слоя, сопровождающееся уве-

личением его магнитной проницаемости, увеличивает значения B_y. Таким образом, различная

чувствительность величин H_x и B_y к изменению толщины и магнитных свойств упрочненного

слоя может быть физической основой для селективной оценки качества поверхностного упрочне-

ния стальных изделий.

B_y, Тл

0,68

0,66

0,64

II — неупрочненный слой

0,62

I — упрочненный слой

0,60

0,58

H_x, А/см

Рис. 1. К пояснению алгоритма селективной оценки качества поверхностного упрочнения при одностороннем ограни-

чении толщины слоя.

Дефектоскопия

№ 12

2021

Селективный магнитный контроль толщины и степени упрочнения поверхностных слоев ...

На рис. 1 приведены полученные по данным работы [19] значения поля H_x и индукции B_y для

различных глубин упрочненного (кривая I) и неупрочненного (кривая II) слоев. Покажем, что эти

данные могут быть использованы для селективной оценки качества поверхностного упрочнения.

На практике толщина упрочненного слоя может иметь либо одностороннее ограничение (зада-

ется минимальная допустимая толщина слоя), либо двустороннее (задается диапазон допустимых

значений толщины слоя).

Одностороннее ограничение глубины снизу. Допустим, что минимальная глубина слоя должна

равняться 10 мм. Тогда, в соответствии с кривой I, должно быть 14,6 А/см, 0,612 Тл. Если глубина

слоя нормальная, а сам слой имеет пониженную твердость (из-за недогрева при закалке или недо-

статочно быстром охлаждении), то его магнитные свойства будут соответствовать кривой II, т. е.

при том же значении толщины будет 0,612 Тл. Если 14,6 А/см, а соответствующие значения лежат

на кривой I или ниже, то это означает пониженную глубину слоя с нормальной твердостью. Если

пониженным значениям соответствуют повышенные значения (т.е. экспериментальные значения

лежат между кривыми I и II), то это свидетельствует о пониженной глубине слоя и его недостаточ-

ном упрочнении.

Аналогичные результаты получаются и для других заданных глубин слоя. На рис. 1 также при-

веден пример для заданной величины слоя 7 мм.

Однако указанный выше алгоритм имеет ограничение на диапазон оцениваемых слоев. Как

видно из рис. 1, начальные участки зависимостей I и II практически сливаются при слое около

1 мм, при этом достаточное для использования различие зависимостей I и II существует при глу-

бинах упрочненного слоя 3 мм и больше.

B_y, Тл

0,68

II — неупрочненный слой

0,66

0,64

I — упрочненный слой

0,62

10 H_x, А/см

Рис. 2. К пояснению алгоритма селективной оценки качества поверхностного упрочнения при двустороннем ограниче-

нии толщины слоя.

Двустороннее ограничение глубины. В этом случае глубина слоя должна укладываться в опре-

деленный интервал. Пусть допустимая глубина нормально упрочненного слоя лежит в пределах

5 ≤ d_упр ≤ 7 мм. Тогда, как показано на рис. 2, измеренные магнитные параметры должны соответ-

ствовать нижней заштрихованной области на плоскости (H_x, B_y).

Если глубина слоя находится в допустимых пределах, но слой является неупрочненным, то

измеренные магнитные параметры должны соответствовать верхней заштрихованной области

на рис. 6. Если значения измеренных магнитных параметров соответствуют области между

линиями I и II, но вне заштрихованных областей, то это означает несоответствие слоя задан-

ным требованиям ни по глубине, ни по степени упрочнения.

Однако, как видно из рис. 1 и 2, начальные участки зависимостей I и II практически слива-

ются при слое около 1 мм, при этом достаточное для практического использования различие

зависимостей I и II существует при толщинах упрочненного слоя 3 мм и больше. Таким образом,

описанные выше алгоритмы селективного определения толщины и прочности могут быть

использованы при толщине слоя 3 мм и более.

Дефектоскопия

№ 12

2021

А.В. Бызов, Д.Г. Ксенофонтов, В.Н. Костин, О.Н. Василенко

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для экспериментальной проверки описанной выше методики селективного определения тол-

щины и прочности поверхностного слоя был изготовлен моделирующий магнитомягкую сердце-

вину прямоугольный параллелепипед из отожженной стали 3 с размерами 23,3×34,5×97 мм и

коэрцитивной силой 2,1 А/см, а также набор пластин из закаленной стали 60С2А различной

толщины с площадью 40,5×90,7 мм и коэрцитивной силой 32,5 А/см, с помощью которого варьи-

ровалась толщина упрочненного слоя. Измерение указанных выше параметров H_x и B_y было

выполнено с помощью магнитного мультитестера ММТ-3, который позволяет локально изме-

рять предельную петлю магнитного гистерезиса [22, 23]. На рис. 3 приведены рассчитанные в

[19] и экспериментально определенные зависимости параметров H_x и B_y от толщины упрочнен-

ного слоя d. Видно хорошее качественное совпадение расчета и эксперимента, что подтверждает

возможность практического применения параметров H_x и B_y для селективной оценки качества

поверхностного упрочнения с использованием одного измерительного преобразователя и един-

ственного цикла измерений. Однако вопрос об оптимальности предлагаемых параметров оста-

ется открытым.

0,70

185

0,65

180

0,60

175

0,55

d, мм

Рис. 3. Расчетные (■) и экспериментальные (▲) зависимости параметров H_x и B_y от глубины упрочненного слоя.

Использование дополнительного магнитного параметра позволяет придать новые возмож-

ности коэрцитиметрическому контролю. На рис. 4 приведена зависимость показаний I_H

коэр-

цитиметра КИФМ-1 с U-образным электромагнитом и сечением полюсов 12×28 мм [9—12] от

толщины упрочненного слоя, который был имитирован пластинами различной толщины и

обладающих различной твердостью и магнитными свойствами. При увеличении толщины слоя

I_H

, мА

12 d, мм

Рис. 4. Зависимость показаний коэрцитиметра КИФМ-1 от толщины нормально упрочненных (●), а также отличающих-

ся по магнитным свойствам (■) поверхностных слоев на магнитомягкой сердцевине.

Дефектоскопия

№ 12

2021

Селективный магнитный контроль толщины и степени упрочнения поверхностных слоев ...

от 0 до 13 мм величина I_H

возрастает в 4 раза. При этом видны значительные отклонения

показаний от градуировочной кривой для поверхностных слоев с отличающимися магнитны-

ми свойствами. Покажем, что учет дополнительного параметра, аналогичного по чувствитель-

ности величине B_y, позволяет отделить такие слои от нормально упрочненных (закаленных)

слоев.

На рис. 5 для того же набора образцов приведена зависимость измеренного с помощью аппа-

ратно-программной системы DIUS-1.15M [23] максимального магнитного потока Φ_m. По анало-

гии с измерениями с помощью прибора КИФМ-1 измерения величины Φ_m выполнены с помо-

щью датчика с U-образным электромагнитом и сечением полюсов 12×28 мм. Видно, что, как и

указанная выше величина B_y, магнитный поток монотонно падает при увеличении толщины

нормально упрочненных слоев. При увеличении толщины слоя до 13 мм величина Φ_m уменьша-

ется на 11 %.

Φ_m, мВ

2400

2300

2200

2100

12 d, мм

Рис. 5. Зависимость величины максимального магнитного потока в измерительной цепи «преобразователь—объект»

от толщины нормально упрочненных (■) и отличающихся по магнитным свойствам (■) поверхностных слоев на

магнитомягкой сердцевине.

Пусть допустимый диапазон толщин составляет (3—6) мм. В случае нормально упрочнен-

ных слоев, имеющих допустимые значения толщины, измеренные значения величин I_H

и Φ_m

должны одновременно попадать в заштрихованные на рис. 4 и рис. 5 области. Выпадающим из

этих областей двум образцам соответствуют пониженные значения I и завышенные значения

H_c

Φ_m, что свидетельствует об их недостаточном поверхностном упрочнении. Аналогичные резуль-

таты получаются и для других диапазонов толщины слоя. Таким образом, селективный контроль

качества поверхностного упрочнения может быть реализован с помощью двух таких параме-

тров, как I_H

и Φ_m.

Однако

для измерения параметров I_H

и Φ_m были использованы различные измерительные

устройства. Актуальным является вопрос

о параметрах, измеряемых одним и тем же устрой-

ством. Для определения такой возможности с помощью АПС DIUS-1.15M на тех же образцах

была определена зависимость измеряемой по внутреннему магнитному полю [24] величины

коэрцитивной силы H_c от толщины поверхностно упрочненных слоев. Результаты приведены на

рис. 6. Видно, что полученная зависимость во многом напоминает представленную на рис. 4

зависимость коэрцитивной силы, измеренной по размагничивающему току, однако при d ≤ 2 мм

чувствительность величины H_c к толщине слоя меньше, чем чувствительность величины I . В

H_c

то же время зависимость H_c(d) полностью соответствует приведенной на рис. 3 зависимости

H_x(d). Таким образом, при толщине упрочненных слоев более 2-3 мм двухпараметровая селек-

тивная методика оценки качества поверхностного упрочнения может быть практически реали-

зована с использованием параметров H_c и Φ_m, которые могут быть измерены аппаратно-про-

граммной системой DIUS-1.15M [23, 24] в одном измерительном цикле с помощью одного

преобразователя. Общее время измерения указанных параметров не превышает 10 с.

Дефектоскопия

№ 12

2021

А.В. Бызов, Д.Г. Ксенофонтов, В.Н. Костин, О.Н. Василенко

H_c, мВ

240

200

160

120

12 d, мм

Рис. 6. Зависимость локально измеренной по внутреннему полю коэрцитивной силы от толщины нормально упрочнен-

ных (■) и отличающихся по магнитным свойствам (●) поверхностных слоев на магнитомягкой сердцевине.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретически и экспериментально показано, что тангенциальная компонента внутреннего

поля в межполюсном пространстве U-образного электромагнита H_x и нормальная компонента

магнитного потока B_y имеют различные чувствительности к изменению толщины и физических

свойств упрочненного слоя на стальных объектах, что является физическим основанием новой

методики селективной оценки качества поверхностного упрочнения стальных изделий.

Предложен алгоритм селективной оценки толщины слоя и степени его упрочнения, предполага-

ющий одновременное попадание значений диагностических параметров в заранее заданные

интервалы. В качестве диагностических параметров предложено использовать локально измеря-

емые значения коэрцитивной силы H_c и потока в цепи «преобразователь—объект» Φ_m, которые

могут быть измерены с помощью аппаратно-программной системы DIUS-1.15M или других

аналогичных устройств.

Работа выполнена в рамках государственного задания МИНОБРНАУКИ России (тема

«Диагностика», № АААА-А18-118020690196-3).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Handbook of hard coating, deposition technologies, properties and applications / Ed. by R.F. Bunshah,

Noyes Publications, 2001.

2. Surface Hardening of Steels, Understanding the Basics / Ed. by J.R. Davis, ASM International, 2002.

3. Степанова Т.Ю. Технологии поверхностного упрочнения деталей машин / Учебное пособие.

Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т, 2009. 64 с.

4. Wagha Santoshkumar V. , Bhattb Dhananjay V., Menghanic Jyoti V., Bhavikattid Shivnanda S. Effects

of laser hardening process parameters on hardness depth of Ck45 steel using Taguchi’s optimization technique

/ IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. V. 810. P. 012027. IOP Publishing.

DOI:10.1088/1757-899X/810/1/012027

5. Баев А.Р., Майоров А.Л., Тищенко М.А. Ультразвуковой метод анализа поверхностного упрочне-

ния металлических изделий // Литье и металлургия. 2010. № 4. С. 267—271.

6. Baqeri R., Honarvar F., Mehdizad R. Case depth profile measurement of hardened components using

ultrasonic backscattering method / 18th World Conference on Nondestructive Testing. Durban, South Africa,

April, 16—20, 2012.

7. Salchak Y.A., Sednev D.A., Kroening M., Ardashkin I.B. Method of case hardening depth testing by

using multifunctional ultrasonic testing instrument // Materials Science and Engineering. 2015. № 81.

С. 1—8.

8. Cuffe J., Sun H., Plotnikov Y., Nath Sh., Sheila-Vadde A. Eddy current measurement of case hardened

depth of steel components / 17th World Conference on Nondestructive Testing, Shanghai, China, October,

25—28, 2008.

9. Бида Г.В., Михеев М.Н., Костин В.Н. Определение размеров приставного электромагнита, пред-

назначенного для неразрушающего контроля глубины и твердости поверхностно-упрочненных слоев //

Дефектоскопия. 1984. № 8. С. 10—16.

Дефектоскопия

№ 12

2021

Селективный магнитный контроль толщины и степени упрочнения поверхностных слоев ...

10. Михеев М.Н., Бида Г.В., Костин В.Н., Михайлова А.А. Контроль глубины и твердости закален-

ных с нагрева ТВЧ слоев на шейках коленчатого вала автомобиля // Дефектоскопия. 1985. № 8.

С. 12—17.

11. Щербинин В.Е., Горкунов Э.С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего

контроля. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1996. 266 с.

12. Бида Г.В., Ничипурук А.П. Коэрцитиметрия в неразрушающем контроле // Дефектоскопия. 2000.

№ 10. С. 3—28.

13. Lo C.C.H., Kinser E.R., Jiles D.C. Magnetic non-destructive characterization of case depth in surface-

hardened steel components / Presented at: Quantitative Nondestructive Evaluation, Brunswick, ME, USA,

31 July — 5 August 2005. AIP Conference Proceedings. V. 820. P. 1253—1260.

14. Муриков С.А., Артемьев И.А., Муриков Е.С., Кудряшов А.А., Урцев В.Н., Ничипурук А.П.,

Сташков А.Н. Возможности коэрцитиметрии для диагностики технического состояния валков стана

горячей прокатки // Сталь. 2011. V. 11. P. 68—70.

15. Горкунов Э.С., Лапидус Б.М., Валтышева И.А. Устойчивость магнитных состояний двуслойных

ферромагнетиков к воздействию постоянного и переменного магнитных полей // Дефектоскопия. 1986.

№ 4. С. 77—84.

16. Матюк В.Ф., Мельгуй М.А., Пинчуков Д.А. Способ контроля качества поверхностно-упрочнен-

ного слоя изделий из ферромагнитных материалов / Патент РФ № 2006136959/28, 18.10.2006. Патент

России № 2330275. 2008. Бюл. № 21.

17. Горкунов Э.С., Лапидус Б.М., Загайнов А.В., Воронов С.А., Бушмелева Г.Я. Использование диф-

ференциальной магнитной проницаемости для контроля качества поверхностного упрочнения //

Дефектоскопия. 1988. № 7. С. 7—13.

18. Горкунов Э.С., Махов В.Н., Поволоцкая А.М., Тузанкин С.В., Субботин Ю.С., Лапидус Б.М.

Магнитно-измерительный комплекс для магнитоструктурных исследований // Дефектоскопия. 1999.

№ 3. С. 78—84.

19. Byzov A.V., Ksenofontov D.G., Kostin V.N., Vasilenko O.N. Magnetic field distribution in steel objects

with different properties of hardened layer // Advances in computational design. 2022. In print.

20. Tumanski S. Handbook of Magnetic Measurements. Warsaw University of Technology. Taylor &

Francis Group, LLC, 2011. 383 p.

21. https://cxem.net/software/finiteElementMethodMagnetics.php

22. Костин В.Н., Осинцев А.А., Сташков А.Н., Ничупурук А.П., Костин В.Н., Сажина Е.В.

Мобильные средства многопараметровой магнитной структуроскопии // Дефектоскопия. 2008. № 4.

С. 66—77.

23. Kostin V.N., Vasilenko O.N., Byzov A.V. DIUS-1.15M Mobile Hardware—Software Structuroscopy

System // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2018. V. 54. P. 654—661.

24. Kostin V.N., Vasilenko O.N., Mikhailov A.V., Lukinykh N.P., Ksenofontov D.G. On the Advantages of

Local Measurement of Coercive Force of Ferromagnetic Objects Based on Internal Field // Russian Journal of

Nondestructive Testing. 2020. V. 56. P. 574—580.

Дефектоскопия

№ 12

2021