Способ определения начальной магнитной проницаемости материала стального изделия

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛА СТАЛЬНОГО ИЗДЕЛИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Сандомирский Сергей Григорьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения начальной магнитной проницаемости материала стального изделия, в котором изделие намагничивают и измеряют его магнитный параметр, а затем определяют искомую начальную магнитную проницаемость с учетом результата указанного измерения, отличающийся тем, что изделие намагничивают до технического насыщения, в качестве указанного магнитного параметра измеряют коэрцитивную силуизделия, выражая ее в кА/м, а искомую начальную магнитную проницаемостьопределяют в соответствии с выражением 4,88 Изобретение относится к области определения магнитных свойств изделий из твердых материалов. Известен способ определения начальной магнитной проницаемостиферромагнитного материала 1, заключающийся в том, что образец из анализируемого материала намагничивают в изменяющемся магнитном поле в замкнутой магнитной цепи, в процессе возрастания намагничивающего поля многократно измеряют значения его напряженностии соответствующие им значенияиндукции в изделии, определяют отношения/ в процессе намагничивания и путем экстраполяции кривойк значению 0 определяют начальную магнитную проницаемостьферромагнитного материала. Точность определенияматериала в соответствии с 1 при соблюдении требований 2 не превосходит 6 . Результат определенияявляется важным для электротехники и магнитного структурного анализа параметром сталей. Недостаток способа - в сложности реализации и низкой производительности определенияматериала стальных изделий. Сложность реализации способа связана с тем, что измерения необходимо производить на специально 16475 1 2012.10.30 подготовленных для замкнутой магнитной цепи пермеаметра или тороидальной формы образцах. Изготовление таких образцов из реальных изделий ведет к разрушению изделий и не всегда возможно. Кроме того, в соответствии с 3, определениенеобходимо проводить на термически размагниченном материале при последовательном возрастании магнитного поля . Это исключает возможность проведения повторных измеренийна образцах, прошедших термическую обработку по заданным режимам, после их использования для магнитных измерений. Поэтому в справочной литературе результаты исследования влияния различных технологических факторов получения материалов на ихдля большинства сталей отсутствуют. Низкая производительность способа связана с тем, что для определенияв процессе возрастания намагничивающего поля необходимо проводить многократные измерения его напряженностии индукциив образце, определять их отношениеи по результатам измерений экстраполировать кривуюк значению 0. Сложность процесса измерений и особенно несоблюдение описанных условий их проведения, приводит также к невысокой достоверности определения . Известен способ определения начальной магнитной проницаемостиматериала ферромагнитного изделия 4, заключающийся в том, что определяют размагничивающий факторизделия, изделие намагничивают в изменяющемся магнитном поле в открытой магнитной цепи, в процессе возрастания намагничивающего поля многократно измеряют значения его напряженностии соответствующие им значенияиндукции в изделии,определяют отношения/ в процессе намагничивания, путем экстраполяции кривойк значению 0 определяют начальную магнитную проницаемостьизделия, а начальную магнитную проницаемостьматериала изделия определяют из соотношения 1(1) 1 Недостаток известного способа - в невысокой точности и низкой производительности определения начальной магнитной проницаемостиматериала стальных изделий. Низкая производительность способа, как и предыдущего аналога, связана с тем, что для определенияв процессе возрастания намагничивающего поля необходимо проводить многократные измерения его напряженностии индукциив образце, определять их отношение и по результатам измерений экстраполировать кривуюк значению 0. Невысокая точность способа связана с тем, что результат определения начальной магнитной проницаемостистальных изделий в открытой магнитной цепи обладает низкой чувствительностью к начальной магнитной проницаемостиматериала изделий. Определяющее влияние на этот результат оказывает проницаемость формы изделий,определяемая их размагничивающим фактором . Известный способ применим только для слабомагнитных материалов или изделий с малым размагничивающим фактором . Применение известного способа для определения максимальной магнитной проницаемости материала реальных стальных изделий не приводит к получению достоверных результатов. В 4 показано, что уже при 0,005 (например, для пластины длиной 200 мм,шириной 20 мм и толщиной 3,7 мм) погрешность определенияпо (1), даже без учета погрешности определенияизделия, вдвое превышает погрешность определения , которая в соответствии с 1 при соблюдении требований 2 не может быть меньше 6 . При дальнейшем увеличенииизделия погрешность определенияматериала изделия резко возрастает. Известен способ определения магнитной проницаемости цилиндрических ферромагнитных проводников 5, заключающийся в том, что исследуемый цилиндрический проводник радиусоми с удельной проводимостьюподключают через образцовый резистор к вторичной обмотке понижающего трансформатора, первичную обмотку кото 2 16475 1 2012.10.30 рого подключают к генератору переменного тока частотой . Определяют продольное сопротивлениеисследуемого проводника на участке длиной 1 м. Магнитную проницаемостьопределяют по соотношению(22)/(210-7). Способ позволяет уменьшить трудоемкость определения магнитной проницаемости за счет измерения сопротивления проводника. Он основан на наличии взаимосвязи индуктивного сопротивления проводника с магнитной проницаемостью его материала. Недостаток способа - в сложности реализации и низкой точности определения начальной магнитной проницаемостиматериала стальных изделий. Сложность реализации способа связана с тем, что измерения необходимо производить на специально подготовленных протяженных образцах постоянного сечения. Изготовление таких образцов из реальных изделий ведет к разрушению изделий и не всегда возможно. Проведение измерений непосредственно на изделиях приводит к низкой точности определения магнитной проницаемостиих материала. Кроме того, результат измерения обусловлен влиянием качества электрического контакта, напряженностью создаваемого в проводнике переменного магнитного поля. Это снижает взаимосвязь результатов определения параметрапо известному способу сматериала стального изделия. Из известных наиболее близким по технической сущности является способ измерения магнитной проницаемости ферромагнитных материалов стержневых образцов 6, основанный на их намагничивании постоянным магнитным полем и измерении действующей магнитной проницаемости. Стержень намагничивают постоянным магнитным полем полного соленоида (катушки) конечной длины и измеряют первое значение действующей проницаемости, затем стержень намагничивают магнитным полем части соленоида, измеряют второе значение действующей проницаемости и определяют магнитную проницаемость материала по зависимостям, приведенным в формуле изобретения и учитывающим измеренные величины. Способ обеспечивает измерение магнитной проницаемости материала ферромагнитных цилиндрических стержней в разомкнутых магнитных цепях, создающих неоднородное постоянное магнитное поле. Недостаток известного способа - в сложности реализации и низкой производительности определения начальной магнитной проницаемостиматериала стальных изделий. Сложность реализации способа связана с тем, что измерения необходимо производить на цилиндрических изделиях или специально подготовленных образцах цилиндрической формы. Изготовление таких образцов из реальных изделий ведет к разрушению изделий и не всегда возможно. Кроме того, в соответствии с 3, определениенеобходимо проводить на термически размагниченном материале при последовательном возрастании магнитного поля . А в процессе реализации известного способа происходит последовательное во времени намагничивание стержня катушками разной длины, что не допускается при определении . Низкая производительность способа связана с тем, что для определенияв процессе возрастания намагничивающего поля необходимо проводить многократные измерения действующей проницаемости при намагничивании образца полным соленоидом и его частью и по результатам измерений экстраполировать кривуюк значению 0. Сложность процесса измерений, наличие большого числа дополнительных параметров, которые необходимо измерять (относительные длины измерительной катушки и ее части, коэффициента заполнения), несоблюдение условий 2, 3 проведения измерений приводят также к невысокой достоверности определения . Задачей изобретения является повышение производительности и упрощение реализации способа определения начальной магнитной проницаемости материала стальных изделий путем измерения магнитного параметра изделия, нечувствительного к его размагничивающему фактору. Задача решена в способе определения начальной магнитной проницаемостиматериала стального изделия, заключающемся в том, что изделие намагничивают до техниче 3 16475 1 2012.10.30 ского насыщения и измеряют коэрцитивную силуизделия, выражая ее в кА/м, а начальную магнитную проницаемостьматериала изделия определяют из соотношения 4,889012 Упрощение реализации способа определения начальной магнитной проницаемостиматериала стальных изделий достигается благодаря тому, что магнитный параметр , измеренный в соответствии с предложенным способом, нечувствителен к размагничивающему факторуизделия, а результат вычисленияпо соотношению (3) с высокой достоверностью соответствует действительной величинематериала стального изделия,имеющего измеренную величину . Упрощение реализации способа достигается также благодаря тому, что измерениямогут быть проведены с высокой точностью (с погрешностью не более 2 ) непосредственно на изделиях любого размера и формы или на их участках в замкнутой или открытой магнитных цепях без их термического размагничивания, в том числе и по стандартным методикам, регламентированным 2. Повышение производительности определенияматериала стальных изделий достигается благодаря тому, что измерение необходимого для определенияпо соотношению (3) параметраизделия может быть произведено за один неполный цикл перемагничивания по отработанным стандартным методикам, а для большинства сталей достоверные результаты измеренияприведены в справочной литературе. Предложенное изобретение поясняется следующими фигурами. На фиг. 1 приведена зависимость начальной магнитной проницаемостисталей от их коэрцитивной силыХ - данные по 7- результаты расчета по (3) при тех же значениях . На фиг. 2 изображена зависимость между результатамирасчета по (3) начальной магнитной проницаемости анализируемых сталей и результатами 7 измеренияэтих сталей. На фиг. 3 - справочные 7 данные для зависимостиистали 95 Х 18 от температуры отпуска отп сопоставлены с результатамиопределения зависимости (отп) этой стали по соотношению (3). Реализуется предложенный способ следующим образом. Измерениестального изделия в открытой или замкнутой магнитной цепи осуществляют по известным методикам, например описанным в 2. Затем результаты измерениястального изделия используют для определения начальной магнитной проницаемостиего материала по соотношению (3). Сущность предложенного способа заключается в том, что междуисталей имеется тесная корреляционная связь, определяющая пределы возможного изменения параметрапри известном значении . Результат расчета параметрапо соотношению (3) представляет собой наиболее вероятное значениестали при известном значении . В подтверждение этого на фиг. 1 результаты измерениясталей 30, 45, 15 ХНМФ,38 ХГН, 38 ХС, 95 Х 18 после различных режимов закалки и отпуска сопоставлены с результатами измеренияэтих сталей. При анализе использованы результаты измеренияи 182 различных материалов, представленных в табл. 1.1, 1.3, 9.1, 21.1, 21.2, 24.3, 24.4,51.5-51.8 справочника 7. По диапазону изменения свойств (8,895 и 0,71 Нс 7,43 кА/м) проанализированные материалы охватывают широкий диапазон изменения магнитных свойств сталей. Анализ представленных на фиг. 1 результатов показывает, что в исследованном диапазоне изменения магнитных свойств сталей зависимостьможно интерполировать соотношением (3). Достоинством интерполяции (3) относительно других возможных является то, что при 0,08 кА/м результаты расчета по (3) приводят к значению 150, совпадающему с достоверными справочными данными для технического железа, отожженного при отж 950 С 8. 4 16475 1 2012.10.30 На фиг. 2 результатырасчета начальной магнитной проницаемости по (3) сопоставлены с результатами измеренияисследованных сталей. Полученные данные свидетельствуют о весьма точном описании реально существующей корреляционной связи междуисоотношением (3). Коэффициент корреляции в линейном уравнении регрессиир при статистической обработке результатов, представленных на фиг. 2 (по 182 указанным выше материалам, кроме технического железа, для которого результаты определенияпо предложенному способу точно совпадают со справочными данными),составил 0,953, а среднее квадратичное отклонение между определенной по предложенному способу и непосредственно измеренной величинамине превысило 8. Расхождение между результатами определенияпо предложенному способу и экспериментально определенными значениямив большинстве случаев не превышает суммы возможных погрешностей измерения параметрови(8 ) по стандартным методикам в замкнутой магнитной цепи 1, 2 и редко выходит за пределы 20 . Достоверность определениястали по еепо предложенному способу с использованием соотношения (3), учитывая широкий диапазон изменения определяемого и измеряемого параметров ( изменялось в 93 раза, а- в 17 раз), следует признать высокой. Полученный результат обосновывает правомерность определенияматериала стальных изделий по предложенному способу. Для определенияматериала стальных изделий в соответствии с предложенным способом нет необходимости проводить эксперименты на специально подготовленных термически размагниченных образцах в замкнутой магнитной цепи. Информация может быть получена по результатам измерения Нс стальных изделий в открытой или замкнутой магнитной цепи в соответствии с 2, с использованием приставного электромагнита или справочных данных о с. В обоснование правомерности предложенного способа на фиг. 3 справочные по табл. 51.8 в 7 данные для зависимостистали 95 Х 18 от температуры отп отпуска сопоставлены с результатами применения способа для определения зависимости (отп) этой стали (результаты измерениястали 9518 от температуры отп отпуска представлены в той же таблице). Полученные результаты показывают, что определенная зависимость(отп) качественно верно повторяет справочную зависимость (отп), а количественно относительное отклонение результатов определенияпо предложенному способу от справочных значений не превышает суммы возможных погрешностей измерения параметрови(8 ) по стандартным методикам в замкнутой магнитной цепи. В качестве примера реализации предложенного способа определялистали ШХ 15,отпущенной при отп 250 С после закалки от 850 С, по результатам измеренияцилиндра диаметром 13,5 мм, длиной 80 мм из этой стали. Измерение параметра 1,69 кА/м (соответствующего данным табл. 41.2 в 7) цилиндра осуществлено после его намагничивания в замкнутой магнитной цепи пермеаметра и размагничивания при измерениив открытой магнитной цепи соленоида баллистической установки БУ-3 1. Результат определенияматериала образца по предложенному способу с использованием соотношения (3) составил 73. С точностью до погрешности эксперимента он совпадает с результатом (75) определения магнитной проницаемости материала цилиндров из стали ШХ 15 в 6. Использование предложенного способа позволит определять начальную магнитную проницаемостьматериала стальных изделий или их участков в замкнутой или открытой магнитной цепи после их многократного использования для магнитных измерений или магнитной дефектоскопии без термического размагничивания, когда измерениепо стандартным методикам невозможно. 16475 1 2012.10.30 Источники информации 1. Чернышев Е.Т., Чечурина Е.Н., Чернышева Н.Г., Студенцов Н.В. Магнитные измерения. - М. Стандарт, 1969. - 248 с. 2. ГОСТ 8.377-80. Материалы магнитомягкие. Методика выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик. - М. Стандарт, 1986. - 21 с. 3. ГОСТ 19693-74. Материалы магнитные. Термины и определения. - М. Стандарт,1974. - 32 с. 4. Сандомирский С.Г. Анализ погрешности измерения магнитной проницаемости ферромагнитного материала в открытой магнитной цепи // Измерительная техника. - 2010.9. - С. 57-61. 5.2255346, МПК 701 33/12, 2005. 6.2022292, МПК 501 33/12, 1994 (прототип). 7. Бида Г.В., Ничипурук А.П. Магнитные свойства термообработанных сталей. - Екатеринбург УрО РАН, 2005. - 218 с. 8.... , 1989. - 440 . Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6