Информационно-измерительный комплекс для неразрушающего контроля качества твердых сплавов

Введение. Среди материалов, получаемых методами порошковой металлургии, широкое распространение получили твердые сплавы, базовый состав которых представляет собой мелкодисперсные карбиды вольфрама и титана на кобальтовой связке. Применение изделий из твердых сплавов обусловлено рядом ценных свойств, таких как твердость, сопротивление износу при трении, износостойкость. В то же время нарушение технологии производства порошков и особенностей спекания вызывают появление структурной неоднородности внутри одной партии готовых изделий и, как следствие, неоднородности эксплуатационных характеристик в широких пределах. Поэтому выборочный контроль нескольких твердосплавных изделий из партии с применением, например, металлографического анализа или механических испытаний не дает гарантии идентичности структуры и свойств всей партии.

Известно, что качество изделий из спеченных твердых сплавов определяется, главным образом, фазовым составом, т.е. соотношением количества ферромагнитной кобальтовой фазы и парамагнитных карбидов и средним размером зерен карбидной фазы [1–3]. При фиксированном содержании кобальтовой фазы для каждой марки твердосплавного материала прочность готовых изделий практически полностью определяется зернистостью карбидов [4].

Альтернативой разрушающим испытаниям является неразрушающий контроль качества твердых сплавов по коэрцитивной силе, которая в первом приближении обратно-пропорционально зависит от зернистости карбидов. Значение коэрцитивной силы, наряду с прочностными характеристиками твердых сплавов, введено в действующие до настоящего времени стандарты [5, 6]. Однако отсутствие в настоящее время производства отечественных коэрцитиметров вынуждает производителей изделий из твердых сплавов применять для неразрушающего контроля зарубежные аналоги.

Материалы и методы. Образцы для исследований представляли собой цилиндрические и сфероконические стержни диаметром от 4 до 10 мм, изготовленные из сплавов марок ВК8 и ВК10ХОМ.

Разработанный информационно-измерительный комплекс [9, 10], структурная схема которого представлена на рис. 1, состоит из шести функциональных блоков.

Рис.1. Структурная схема информационно-измерительного комплекса

Стабилизатор напряжения собран на повышающем трансформаторе и предназначен для увеличения напряжения питания до 300 В и подачи его на катушку намагничивания измерительного блока. Включение трансформатора производится магнитным пускателем с искрогасящим контуром, что обеспечивает мягкое включение и выключение измерительного блока. Управление магнитным пускателем осуществляется микроконтроллером через симисторную схему включения.

Измерительный блок представляет собой соленоид с намагничивающей катушкой и закрепленным внутри него измерительным контуром (рис. 2). Параметры катушки намагничивания позволяют получать напряженность магнитного поля внутри соленоида до 350 кА/м. Величина магнитного поля, создаваемого в соленоиде блока намагничивания, позволяет измерять коэрцитивную силу близко к полю насыщению материала.

Устройство масштабирования предназначено для настройки уровня измеряемого сигнала под возможности микроконтроллера. Блок питания и релейной автоматики предназначен для подачи различного вида и уровня напряжений на составные части устройств масштабирования, математической обработки и органы управления и индикации.

Устройство математической обработки предназначено для вычисления и запоминания уровня сигнала соответствующего коэрцитивной силе аттестованного образца и вычисления методом сравнения уровня сигнала, соответствующего коэрцитивной силе проверяемого изделия.

Алгоритм работы информационно-измерительного комплекса следующий:

• —    аттестованный образец помещается в измерительный блок, значение коэрцитивной силы выводится на индикатор лицевой панели;

• —    измеряется и запоминается напряжение U 1 , соответствующее известному значению коэрцитивной силы;

• —    аттестованный образец удаляется из измерительного блока;

• —    испытуемый образец помещается в измерительный блок;

• —    измеряется и запоминается напряжение U 2 , соответствующее значению коэрцитивной силы испытуемого образца;

• —    полученное путем сравнения напряжений U 1 и U 2 значение коэрцитивной силы испытуемого образца выводится на индикатор лицевой панели;

• —    испытуемый образец удаляется из измерительного блока.

При необходимости измерения партии изделий одной марки и одного типоразмера с аттестованным образцом процесс измерения повторяется, начиная с пункта 4).

Результаты исследования. Результаты сравнительного анализа, полученные путем измерения значений коэрцитивной силы 24 образцов изделий из твердых сплавов марки ВК10ХОМ с помощью разработанного информационно-измерительного комплекса (ряд 1) и коэрцитиметра KOERZIMAT 1.097 HcJ (ряд 2), представлены на рис. 3. Аналогичные результаты для 46 образцов изделий из твердых сплавов марки ВК8 представлены на рис. 4.

Машиностроение и машиноведение

Номер образца

Рис. 3. Коэрцитивная сила образцов марки ВК10ХОМ

Номер образца

Рис. 3. Коэрцитивная сила образцов марки ВК8

Обсуждение. Проведенные экспериментальные исследования показали, что значения коэрцитивной силы образцов, полученные на приборе «KOERZIMAT 1.097 HcJ» и информационно-измерительном комплексе, имеют примерно одинаковый уровень. Учитывая, что относительная погрешность измерения коэрцитивной силы для коэрцитиметра «KOERZIMAT 1.097 HcJ» находится в пределах ± 6 %, можно считать полученные результаты сравнительных испытаний удовлетворительными.

Вариация значений коэрцитивной силы образцов в рамках одной марки до 10–12% может быть вызвана следующими причинами:

• –    использованием при спекании порошковых смесей разных производителей;

• –    несоблюдением требуемых режимов производства;

• –    влиянием на показания приборов конфигурации образцов, т.к. пониженные значения коэрцитивной силы наблюдались на образцах сфероконической формы, как следствие большего размагничивающего фактора, характерного для такого типа образцов.

Заключение. Таким образом, сравнительные испытания информационно-измерительного комплекса показали принципиальную возможность его использования для контроля качества изделий из спеченных твердых сплавов, а предложенный и реализованный в комплексе алгоритм измерения путем сравнения характеристик испытуемых образцов и аттестованного образца с известной коэрцитивной силой, позволяет производителю изделий из твердых сплавов расширить выборку контролируемых изделий вплоть до 100%, сократить время на контрольные операции и существенно снизить затраты на неразрушающий контроль продукции.