Full Text

Введение Учеными Физико-технического института Национальной академии наук Беларуси и Барановичского государственного университета успешно развивается перспективный метод упрочняющей обработки стальных изделий магнитно-импульсным воздействием. Под воздействием магнитно-импульсной обработки на поверхности стального изделия образуется упрочненный слой толщиной до 70 мкм. В этом слое устраняются дефекты в кристаллической решетке, выравниваются внутренние напряжения, измельчается и становится более однородной структура металла [1-4]. При других видах высокоэнергетической обработки также происходит воздействие именно на близкие к поверхности слои изделия [5-12], что приводит к изменению их физико-механических свойств (в частности, электросопротивления). Изменение электросопротивления поверхностного слоя заготовки будет свидетельствовать об изменении структуры материала вблизи поверхности. Таким образом, можно определить взаимосвязь между изменением электрического сопротивления и изменением структуры упрочненных слоев. В связи с этим настоящая статья посвящена разработке экспресс-метода оценки качества обработанных изделий, заключающегося в измерении падения напряжения на упрочненном слое с последующим расчетом полного электрического сопротивления (прямопропорциональной величины) как показателя качества проведенной обработки. Основная часть Контроль качества поверхности (физико-механических свойств) упрочненных изделий после магнитно-импульсной, ионно-плазменной и других методов высокоэнергетической обработки является важным моментом в производстве. Анализ физико-механических свойств материала можно проводить различными методами как разрушающего, так и неразрушающего контроля, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки[1] [13-15]. К числу наиболее существенных недостатков можно отнести: высокую стоимость оборудования для проведения исследования и значительные затраты времени как на подготовку изделия к исследованию, так и на само измерение. Предлагается новый метод для измерения полного электрического сопротивления упрочненного слоя изделий, которое является показателем качества металла (однородность, мелкодисперсность, наличие или отсутствие структурных дефектов) после проведения его обработки. Для процесса измерения по данному методу необходимо применение генератора сигналов высокой частоты [16]. В случае приложения к электропроводящему изделию высокочастотного напряжения области, расположенные внутри проводника, будут обладать большим индуктивным сопротивлением. Это явление известно как скин-эффект. В результате этого эффекта переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое [17]. С учетом того факта, что при высокоэнергетических методах обработки (магнитно-импульсная, ионно-плазменная и др.) происходит воздействие именно на близкие к поверхности слои изделия, изменение сопротивления поверхностного слоя изделия будет свидетельствовать об изменении структуры материала вблизи поверхности. Изменение структуры (увеличение однородности, образование мелкодисперсной структуры, устранение дефектов) приводит не только к изменению электрического сопротивления приповерхностных слоев, но и к их упрочнению [18]. Для реализации предложенного метода измерения электрического сопротивления упрочненного слоя металлических изделий с применением токов высокой частоты предлагается использовать последовательную схему включения изделия. На рис. 1 представлена последовательная схема включения изделия 3 в измерительную цепь. Она содержит генератор сигналов высокой частоты 1, два кольцевых контакта 4, осциллограф 2 с полосой пропускания, удовлетворяющей отношению 3:1 частоты зондирующего сигнала. Рис. 1. Последовательная схема: включения изделия в измерительную цепь Произведем расчет глубины проникновения зондирующего сигнала определенной частоты от генератора в исследуемое изделие [19]: где Δ - толщина токопроводящего слоя (скин-слоя); m - магнитная проницаемость материала; m0 - магнитная постоянная; r - удельное сопротивление материала заготовки; с - скорость света в вакууме; ε0 - электрическая постоянная системы СИ; μr - относительная магнитная проницаемость; w - циклическая частота, w = 2pf , и f - частота сигнала. Подставив известные значения с, ε0, p, получим упрощенную формулу для определения толщины токопроводящего слоя: (1) Перед началом измерения производят контрольное снятие осциллограммы напряжения сигнала высокой частоты (без установки изделия). Для чего соединяют сигнальный выход генератора 1 и вход осциллографа 2 с помощью кольцевых контактов 4, производя измерение амплитудного значения напряжения сигнала (Uэ). Зондирующий сигнал выбирают с частотой f, обеспечивающей проникновение на глубину, равную толщине упрочненного слоя, рассчитанную по формуле (1): (2) Затем изделие 3 устанавливают в кольцевые контакты 4. Сигнал с генератора 1 через первый кольцевой контакт 4 проходит через исследуемое изделие 3. Поскольку сигнал является высокочастотным и частота рассчитана с учетом толщины упрочненного слоя, сигнал протекает только по требуемой толщине поверхностного слоя (проявляется скин-эффект). Далее сигнал через второй кольцевой контакт 4 поступает на вход осциллографа 2, производится измерение амплитудного значения напряжения (Uи) (рис. 2). Далее изделие подвергается любому виду высокоэнергетических обработок (магнитно-импульсное, ионно-плазменное и др.) и проводится повторное снятие осциллограммы напряжения сигнала высокой частоты (рис. 3). Рис. 2. Осциллограмма напряжения при подключении образца до упрочнения Рис. 3. Осциллограмма напряжения при подключении образца после упрочнения Зафиксированные амплитудные значения эталонного сигнала Uэ и амплитудные значения напряжения с установленным изделием Uи позволяют получить разницу напряжений (Uэ - Uи): это и есть падение напряжения на изделии. Затем по заданному значению тока Iз надо произвести расчет полного электрического сопротивления Rполн [20]: . (3) Если по данному алгоритму произвести измерение полного сопротивления до проведения обработки изделия и после него, то полученная информация от сравнения величин сопротивлений говорит о качестве упрочненного слоя (однородность, мелкодисперсность, отсутствие искривления кристаллической решетки и др.), которое напрямую влияет на величину полного электрического сопротивления. Так, было произведено воздействие на изделие стали Р6М5 импульсным электромагнитным полем (МИО) и получены снимки микроструктуры до проведения упрочнения и после него (рис. 4). а б Рис. 4. Структура образцов: а - до МИО и б - после МИО Из рис. 4, а видно, что до проведения МИО поверхностный слой изделия содержал посторонние включения и имел крупную структуру зерна, а следовательно, обладал повышенным электрическим сопротивлением, чему соответствует амплитудное значение напряжения полученной осциллограммы на рис. 2 (239 мВ). Затем изделие было упрочнено с помощью МИО, что привело к получению более однородной структуры и наличию мелкозернистости (см. рис. 4, б) и как результат уменьшению электрического сопротивления упрочненного слоя, о чем свидетельствует повышение амплитудного значения полученной осциллограммы на рис. 3 (250 мВ). Сравнение амплитудных значений напряжения позволяет проводить экспресс-оценку качества проведенной обработки (однородность, мелкодисперсность, отсутствие искривления кристаллической решетки и др.). При необходимости можно получить точное значение электросопротивления упрочненного слоя по формуле (3). Для этого по формуле (2) зондирующий сигнал выбирают с частотой f, обеспечивающей проникновение на глубину, равную толщине упрочненного слоя. Тогда по измеренному значению падения напряжения и заданной силе тока можно рассчитать полное электросопротивление упрочненного слоя изделия после обработки любым видом высокоэнергетического воздействия. Заключение Разработан метод измерения падения напряжения (полного электрического сопротивления) на упрочненном слое изделий из токопроводящих материалов как показателя качества (однородности, мелкодисперсности, бездефектности) после проведения магнитно-импульсной, ионно-плазменной и других видов высокоэнергетической обработки. Методика проведения исследования представляет собой экспресс-оценку качества упрочненной поверхности по анализу падения напряжения (электрического сопротивления) на упрочненном слое путем сравнения результатов измерения до упрочнения и после его проведения.

About the authors

V. V Maleronok

Baranovichi State University

A. V Alifanov

Baranovichi State University

References

Statistics

Views

Abstract - 77

PDF (Russian) - 24

Refbacks

• There are currently no refbacks.