DK: 620.179.14; 669.14.018.252.3 ASM/SLA: SI 3 h, Tsm Uporabnost magnetne analize za kontrolo toplotne obdelave brzoreznih jekel Magnetna analiza se vse bolj uveljavlja za ločenje zamešanih feromagnetnih materialov, za kontrolo toplotne obdelave in za odkrivanje površinskih napak. V članku je opisana raziskava uporabnosti magnetne analize za kontrolo trdote in toplotne obdelave brzoreznih jekel. Za obdelavo podatkov, dobljenih pri meritvah, so bile uporabljene nekatere matematično statistične analize in elektronski računalnik. UVOD Princip delovanja magnetoskopa je bil v železarskem zborniku že opisan3, zato si oglejmo le kakšen vpliv ima različna vsebnost zaostalega av-stenita v vzorcih iz brzoreznega jekla na magnetne meritve. Gostota magnetnega fluksa skozi feromagnetni vložek, ki ga vložimo v primerjalno tuljavo, znaša B = B0 + J B0........gostota magnetnega fluksa v prazni tuljavi J........magnetiziranje probe Ker sta vezani obe tuljavi v protistiku, B0 kompenziramo in merimo samo razliko J, ki nas zanima. (Slika 1) TG7PT K n> Slika 1 Shema impedenčnega mostu z dvema poloma tuljav in kompenzatorjem ravnotežja K Zaostali avstenit je nemagnetna faza in se nasprotno od ferita ne magnetizira. Gostota magnetnega fluksa je torej odvisna od odstotka zaostalega avstenita. Ker pa je inducirana napetost v tuljavi odvisna od gostote magnetnega fluksa, lahko z merjenjem toka, ki ga požene inducirana napetost, merimo vsebnost zaostalega avstenita. Meritve zaostalega avstenita, s katerimi želimo posredno meriti mehanske lastnosti jekla, ne dajo absolutnih vrednosti, temveč le relativne, ki pove- do, da je pri večjih odčitkih na magnetoskopu v brzoreznem jeklu več zaostalega avstenita, pri manjših pa manj. Meritve na magnetoskopu smo delno umerili na dejansko vsebnost zaostalega avstenita z rentgensko strukturno analizo. Po meritvah na magnetoskopu smo iskali, s pomočjo elektronskega računalnika korelacijo med odklonom na magnetoskopu (vsebnostjo zaostalega avstenita) in trdoto, da bi ugotovili kakšne so možnosti za kontrolo termične obdelave brzoreznih jekel z magnetno analizo. Opis aparature in dela Magnetoskop na sliki 2 je izdelan v Železarni Ravne. Sestavljen je iz dveh primerjalnih tuljav, generatorja za 30/600 Hz, ojačevalca, dveh kom- Slika 2 Magnetoskop penzacijskih uporov (ohmskega in induktivnega) in mikroampermetra. Tuljavi sta skupno s kompenzacijskima uporoma mostiščno zvezani. Za točnejše merjenje smo uporabili stabilizator, ki smo ga vezali med omrežje in magnetoskop. Za vse meritve na magnetoskopu smo uporabljali frekvenco 30 Hz, kar ima poseben pomen pri raziskavi. Pri merjenju je zelo pomembna izbira primerjalnega vzorca in izbira merilnega območja skupno z ustrezno uglasitvijo merilnega mosta. Za primerjalni vzorec smo izbrali žilavostno probo iz ARMCO železa (Č.1060 — SPŽ 1), ki je skoraj 100 % ferit. Primerjalna žilavostna proba je imela enake dimenzije kot ostale probe. Inštrument je bil umerjen tako, da je kazal tem večji odklon, čim večja je bila vsebnost zaostalega avstenita v probi. Upoštevali smo, da na meritev vpliva: — geometrija vzorca in tuljave — magnetna permeabilnost (struktura, kemijska sestava vzorca, temperatura) — električna prevodnost vzorca — frekvenca in — ojačitveno območje inštrumenta Vse tiste faktorje, ki bi merjenje zaostalega avstenita motili (dimenzija, kemijska sestava, frekvenca, ojačitveno območje inštrumenta), smo držali nespremenjene in s tem odstranili njihov vpliv. S posebnimi preizkusi smo kasneje ugotav-Ijali tudi vpliv dimenzije na magnetne meritve. Za poskuse smo uporabili pomembnejše vrste brzoreznih jekel: Č.9682 (BRC-3), C.6980 (BRC), Č.6882 (BRVV-2), Č.6880 (BRW), Č.7680 (BRM-2) in C.9683 (BRU). V žar j enem stanju se navedena jekla po magnetnih lastnostih zelo malo razlikujejo, tako, da jih pri zamešanju težko ločimo. Veliko pomembnejši so rezultati meritev dobljenih na kaljenih in popuščenih probah. Preizkusi uporabnosti magnetnih metod za kontrolo toplotne obdelave brzoreznih jekel so bili opravljeni v okviru obširnejše raziskave vpliva toplotne obdelave na udarno upogibno žilavost in trdoto brzoreznih jekel. Tabela 1 — Shema toplotne obdelave Na probah smo izvršili: — meritve trdote po kaljenju in popuščanju — meritve na magnetoskopu po kaljenju in popuščanju ter — meritve udarne upogibne žilavosti po popuščanju. Tako smo lahko iskali tudi medsebojne odvisnosti med trdoto, žilavost j o in magnetnimi meritvami. Shemo toplotne obdelave prob kaže tabela 1. Za objektivno oceno udarne upogibne žilavosti smo delali s 15 paralelkami, zato so rezultati magnetnih meritev, glede na število paralelk, zelo zanesljivi. Rezultati in diskusija Vso množico podatkov dobljenih pri meritvah smo obdelali z matematično statistično analizo porazdelitve in regresi je na elektronskem računalniku. Rezultati magnetnih meritev po kaljenju Po kaljenju smo na žilavostnih probah, katerih dimenzije so na sliki 3, izmerili trdoto po Rock-vvellu ter izvršili meritev na magnetoskopu. Porazdelitve magnetnih meritev po kaljenju kažejo slike 4 do 9. Na abscisi je odčitek odklona na magnetoskopu, na ordinati pa kumulativna frekvenca v odstotkih. Prikazani rezultati so zaradi velikega števila paralelk zelo zanesljivi, saj pride Slika 3 Oblika probe za udarno upogibno žilavost Temp. kaljen j a 13203 C 1290« C 1260« C 1170« C 1200« C 1230» C Temp. pop. (°C) 530 560 590 530 560 590 530 560 590 530 560 590 530 560 590 530 560 590 BRC-3 15 15 15 15 15 15 15 15 15 BRC 15 15 15 15 15 15 15 15 15 BRM-2 15 15 15 15 15 15 15 15 15 BRW 15 15 15 15 15 15 15 15 15 BRW-2 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 BRU 15 15 15 15 15 15 15 15 15 t r f , --- -- - - - - -- / / / / r / /- -- — — — f' i tj / J t K i / / t / f, i / i / i > > i 55 56 57 55 59 60 61 62 63> 64 65 66 67 68 odcitek Slika 4 '4j 44 45 46 47 49 50 51 52 53 54 55 56 5 7 55 odiitek Slika 7 Statistična porazdelitev odklonov pri magnetnih meritvah Statistična porazdelitev odklonov pri magnetnih meritvah po kaljenju za jeklo C.9682 (BRC-3) po kaljenju za jeklo č.6880 (BRW) 59 60 61 62 odcitek Slika 5 Statistična porazdelitev odklonov pri magnetnih meritvah po kaljenju za jeklo C.6980 (BRC) odcitek Slika 8 Statistična porazdelitev odklonov pri magnetnih meritvah po kaljenju za jeklo Č.7680 (BRM-2) odiitek Slika 6 Statistična porazdelitev odklonov pri magnetnih meritvah po kaljenju za jeklo č.6882 (BRW-2) Slika 9 Statistična porazdelitev odklonov pri magnetnih meritvah po kaljenju za jeklo C.9683 (BRU) na vsako temperaturo kaljenja kar 45 meritev. Trošenja meritev, ki jih kaže nagib premic v verjetnostni mreži so skoraj pri vseh vrstah brzoreznih jekel enaka. Večji odklon na magnetoskopu pri določenem jeklu dobimo pri probah, ki so bile kaljene pri višjih temperaturah. To pomeni, da te probe vsebujejo več zaostalega avstenita. Iz slik 4 do 9 je še razvidno, da glede na trošenje, ne bi mogli po kaljenju z magnetno meritvijo sklepati na trdoto, to pa hkrati pomeni, da tudi ne moremo kontrolirati kaljenja brzoreznega jekla. Nomogrami na slikah 10 do 14 kažejo medsebojno zvezo med trdoto po kaljenju in odklonom na magnetoskopu. Pri večjih odklonih na magne- 67 66 erat jra aljer ja: 1 230 - 1290 "C ( 2• —_ — -- -- --- 42 44 46 48 50 Xj -mognetoskopska meritev 66 o1 I 0 1 65 64 63 R2 =0.60 R = 0,77 oL=0,1 5y = 0.4 V •s V Omt jitev tem oerat ura A aljer, ja: 1 730 - 1290 °C ( 2'J 42 44 46 48 mognetoskopska 50 meritev 52 Slika 12 Korelacijska zveza med trdoto in magnetno meritvijo za jeklo č.6880 (BRW) 66 65 o o ? 64 63 R2 = 0.09 R= 0.30 oL= 0,1 Sy=0.26 Ome i te v tem/: >eratL ira ki lijenj a Il7t 1 -12 60°C (1.5 ' ) ___ .__ — - __ ____ -- Slika 10 Korelacijska zveza med trdoto in magnetno meritvijo za jeklo č.9682 (BRC-3) 42 44 46 48 50 X3-*- mognetoskopska meritev 52 Slika 13 Korelacijska zveza med trdoto in magnetno meritvijo za jeklo C.7680 (BRM-2) 67 £ 66 3: CT o | 64 63 R2= 0.56 R= 0,75 oi = 0,1 Sy = 0.3 Omt jitev tem pera ura kalj tnja I20C -12 60° C (2 52 56 58 60 62 64 66 X, -—— mognetoskopska meritev Slika 11 Korelacijska zveza med trdoto in magnetno meritvijo za jeklo C.6882 (BRW-2) Slika 14 Korelacijska zveza med trdoto in magnetno meritvijo za jeklo C.9683 (BRU) toskopu je trdota nižja. To lahko trdimo z 99,9 % statistično gotovostjo. Pomembnost odvisnosti (R2) med trdoto in magnetno meritvijo po kaljenju je pri posameznih vrstah jekla precej različna. Pri jeklih C.6980 (BRC) in C.7680 (BRM-2) nismo ugotovili pomembne odvisnosti, dočim lahko n. pr. pri Č.6880 (BRW) pripisujemo kar 60 % sprememb trdote »vplivu« magnetnih meritev, to je vsebnosti zaostalega avstenita. V praksi pride včasih do neljubega zamešanja jekel. Z magnetno meritvijo bi lahko odkrili za-mešanje le v primeru, če bi bili kosi enako toplotno obdelani in imeli enake dimenzije. Pri takšnih pogojih bi lahko med sabo ločili jekla: č.6880 (BRW), Č.7680 (BRM-2) in Č.6882 (BRW-2) od Č.9682 (BRC-3), C.6980 (BRC) in C.9683 (BRU). Dobimo torej dve grupi jekel, ki jih z magnetno metodo lahko ločimo med sabo, ne moremo pa ločiti med sabo jekel znotraj posamezne grupe. Magnetne meritve po popuščanju Iz tabele 1 je razvidno, da so probe kaljene pri določeni temepraturi, popuščene pri treh različnih temperaturah. Na probah, ki so bile različno toplotno obdelane, smo izmerili po popuščanju trdoto, udarno upogibno žilavost in relativno vsebnost zaostalega avstenita z magnetoskopom. Magnetne meritve po popuščanju smo izvedli pri enakih pogojih kot po kaljenju. Statistična analiza porazdelitve magnetnih meritev po popuščanju je dala zanimive rezultate, ki so prikazani an slikah 15 do 20. Opazimo grupiranje magnetnih meritev po temperaturah popuščanja. To pomeni, da je za odklon pri magnetni meritvi pomembnejša temperatura popuščanja kot temperatura kaljenja. Pri višjih temperaturah ka-Ijenja in nižjih temperaturah popuščanja pokaže magnetoskop večji odklon, kar je glede na večjo vsebnost zaostalega avstenita, pri takšni toplotni obdelavi, povsem razumljivo. Kako vplivata na magnetno meritev temperatura kaljenja in popuščanja, kažejo slike od 21 do 26. Tudi na teh slikah vidimo, da so na magneto-skopu izmerjene vrednosti tem višje, čim višja je temperatura kaljenja in čim nižja je temperatura popuščanja in to pri vseh preizkušenih jeklih. S 95 do 99,9 % statistično gotovostjo lahko trdimo, da veljajo prikazane odvisnosti. Koeficient determinacije je v vseh primerih zelo visok, kar pomeni, da lahko na primer pri C.7680 (slika 25) 98 % ugotovljenih variacij magnetne meritve pripisujemo vplivu toplotne obdelave in da le ostala 2 °/o variacij magnetnih meritev ostane nepojasnjenih ter jih moramo pripisovati drugim vplivom. To je za uporabnost magnetosko-pa zelo pomembna ugotovitev, saj upoštevajoč rezultate vseh preizkušenih jekel lahko trdimo, da ima vpliv na magnetno meritev praktično le toplotna obdelava. Le 2 do 11 % variacij pri magnet- nih meritvah pripisujemo vplivu drugih faktorjev, med katerimi je verjetno najbolj pomemben faktor dimenzije. Zanima nas: ali lahko z magnetno meritvijo po popuščanju kontroliramo temperature toplotne obdelave? Iz nomogramov je razvidno, da glede na trošenje, ki nastopa pri meritvah, ne moremo kontrolirati temperatur kaljenja, lahko pa kontroliramo temperaturo popuščanja z natančnostjo 10 do 30° C, vendar le v primeru, ko delamo pri vsaki vrsti jekla le z eno šaržo in enako temperaturo kaljenja tako, da je izločen vpliv kemične sestave in temperature kaljenja. Kasneje bo vpisan še vpliv različne kemijske sestave na odklon pri magnetni meritvi. Zveza med udarno žilavostjo, trdoto in magnetno meritvijo po popuščanju V praksi je pomemben odnos žilavosti in trdote, saj hočemo večkrat vedeti, kakšna bo žilavost, če bo trdota večja in obratno. To odvisnost smo povezali še z magnetnimi meritvami, tako, da smo dobili korelacijo med žilavostjo, trdoto in magnetno meritvijo. Za jeklo C.6882 (BRW-2) in C.9683 (BRU) so ostale pri izbranem kriteriju variacije udarne upo-gibne žilavosti nepojasnjene. Pri ostalih preizkušenih jeklih se koeficient determinacije R2 giblje od 0,26 do 0,55. Pri jeklu C.6880 (BRW) in C.6980 (BRC) ni pomembne korelacije med udarno žilavostjo in magnetno meritvijo, tako da ugotovljenih 26 oziroma 34 % variacije udarne žilavosti pripisujemo trdoti. Torej smo dobili od šestih vrst jekel, ki smo jih preizkušali, le dve vrsti jekel, ki kažejo pomembno korelacijo med vsemi tremi parametri. Na sliki 27 je za jeklo C.7680 (BRM-2) v obliki nomograma prikazana zveza med magnetno meritvijo, trdoto in udarno žilavostjo po popuščanju. Koeficient determinacije je razmeroma visok, saj znaša 0,55. Udarna žilavost in trdota sta si v obratnem sorazmerju. Pri višjih odčitkih na magneto-skopu dobimo višjo udarno žilavost. Celo pri tem jeklu, ki ima najvišji koeficient determinacije, lahko ugotovimo, da z magnetno meritvijo ne moremo dovolj zanesljivo sklepati na udarno žilavost. Iz slike 27 vidimo, da se za 15 odčitanih enot na magnetoskopu žilavost spremeni za 0,3 kpm/cm2, kar je dosti manj kot so meje zanesljivosti meritev udarne žilavosti, ki znašajo v tem primeru ±0,5 kpm/cm2. Vpliv dimenzije na točnost magnetne meritve Poleg vrste jekla, kemijske sestave posamezne šarže in toplotne obdelave ima na magnetno meritev vpliv še dimenzija preizkušanca. Z namenom, da ugotovimo vpliv dimenzije na točnost magnetne meritve smo naredili poseben preizkus magnetne analize. Uporabili smo strugarske nože dimenzij 12,5 X 12,5 X 180 mm. Primerjalno tuljavo smo odčitek Slika 19 Slika 20 Statistična porazdelitev odklonov pri magnetnih meritvah Statistična porazdelitev odklonov pri magnetnih meritvah za jeklo C.7680 (BRM-2) za jeklo č.9683 (BRU) odtitek Slika 16 Statistična porazdelitev odklonov pri magnetnih meritvah po popuščanju jekla C.6980 (BRC) odčitek Slika 15 Statistična porazdelitev odklonov pri magnetnih meritvah po popuščanju za jeklo C.9682 (BRC-3) odiitek Slika 17 Statistična porazdelitev odklonov pri magnetnih meritvah za jeklo C.6882 (BRW-2) odčitek Slika 18 Statistična porazdelitev odklonov pri magnetnih meritvah ja jeklo C.6880 (BRW) '23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 odčitek *6 =f(x,,XA) R2 =0,97 R = 0,99 oL =5,1,0,1 Sy = 0,9 O C a E 7290 i 1260 | 1230 f 530 540 550 560 570 580 590 —temperatura popušč[°Cj Slika 24 Vpliv temperature kaljenja in popuščanja na magnetno meritev za jeklo č.6880 (BRW) + 1 n p- 36 »u> 34 o a 32 a 30 i. s 28 o E 26 Ol n 24 E | 22 t 20 * x6 = f(x, ,x4 ) R2= 0.89 R = 0.9 4 oC = 0,1 Sy=0.72 —i-1—:—i-1— Potopni cas : 2min. ■as popuščanje: 2x1 uro 0 1 1320 S 1290 o 1260 a 0 1 0) 530 540 550 560 570 580 590 Xi-temperatura popuščanja Slika 21 Vpliv temperature kaljenja in popuščanja na magnetno meritev za jeklo č.9682 (BRC-3) ♦ i S >8 '3 §- o. 36 34 32 30 28 26 R = 0,97 R =0 ,98 °4=0,l Sy = 0,7 —i-1- Potopni čas : 2 min. popuščanja : 2x1 uro t? o C' Jc P 3 U 1320 CJ. 1290 L
  • u 3 31 §-29 o. š27 Ž e 27 | 79 O) E 7 t 7 Vpliv *6 =f(X,,X4) R2 =0,98 ai =0,1 R =0,99 5y = 0,85 Potopni cas: 1,5min Čas popusč.:2x 7 uro 590 o. 1260 E 0J 7200 f 7770 550 560 5 70 580 temp. popuščanja [°C J Slika 25 temperature kaljenja in popuščanja na magnetno meritev za jeklo C.7680 (BRM-2) imeli prazno, za primerjavo in umerjanje pa nam je služil strugarski nož, ki mu nismo spreminjali dimenzij in je pred vsako meritvijo pokazal enak odklon na magnetoskopu. Spreminjali smo presek nožev. Rezultati dveh paralelk so na sliki 28. Sprememba dimenzije za 0,2 mm povzroči odklon na magnetoskopu za 1 enoto. Probe so lahko izdelane z natančnostjo ± 0,1 mm (tudi v obratu) in je zato vpliv dimenzije majhen glede na občutljivost aparature same in glede na veliko občutljivost te na toplotno obdelavo. To velja le za primer, če so preizkušanci fino zbrušeni na dimenzije s tolerancami pod ± 0,1 mm. *6 = f (x, ; R2= 0,96 R = 0,98 x4 -•> temperatura popuščanja [°C] Slika 26 Vpliv temperature kaljenja in ponuščanla na magnetno meritev za jeklo C.9683 (BRU) x7 =f(x5,x6; R2 =0,55 R = 0,74 06 =5,10,1 5y=0,25 15 20 25 30 xs -«- magnetna meritev Slika 27 Korelacija med udarno žilavostjo, trdoto in magnetno meritvijo za jeklo C.7680 (BRM-2) Vpliv kemijske sestave šarže na magnetno meritev Zanimalo nas je, kako vplivajo variacije kemijske sestave določenega jekla na magnetno meritev. Korelacijo smo iskali za jeklo C.7680 (BRM-2). Rezultat kaže slika 29. Pri matematično stastični analizi korelacije smo zajeli naslednje kemijske elemente: C, Si, Mn, Cr, Mo, V in W. Pri danih omejitvah in variacijah nimajo pomembnega vpliva na magnetno meritev: Mn, Cr, V in W. Ostalim trem elementom: C, Si in Mo pa lahko pripisujemo kar 95 % variacij pri magnetnih meritvah. Tako velik vpliv kemijske sestave na magnetno A/ B/ 12.0x12,0 12,2x12,2 124x12.4 12,6x12,6 12,8x12,8 presek strugarskega noža mm Slika 28 Vpliv dimenzije na magnetno meritev meritev dobimo le v primeru, da so izločeni vsi vplivi, kot npr. termična obdelava, geometrija prob itd. To praktično pomeni, da zaradi tako velikega vpliva kemijske sestave lahko imamo v primeru, da kontroliramo termično obdelavo serije izdelkov z različno kemijsko sestavo, resne probleme pri uporabi magnetoskopa. Najmočnejši vpliv od naštetih treh vplivnih kemijskih elementov ima Si. Iz nomograma na sliki 29 se vidi, da se pri spremembi silicija za 0,12 % spremeni odklon na magnetoskopu za 7 enot. Ravno takšen velikostni red sprememb na magnetoskopu pa zaznamo tudi pri variacijah termične obdelave. Ta, za praktično uporabo magnetoskopa pomemben problem, se da rešiti le tako, da izvedemo sortiranje preizkušancev po šaržah, pred magnetno meritvijo. Umerjanje magnetnih meritev z rentgensko strukturno analizo Z rentgensko strukturno analizo smo hoteli umeriti magnetne meritve na zaostali avstenit in s tem dokazati, da zavisi magnetna meritev po toplotni obdelavi, predvsem od vsebnosti zaostalega avstenita, za katerega smo dobili pri magnetnih meritvah le relativne vrednosti. Za kvantitativno določitev zaostalega avstenita smo na rentgenskem difraktometru posneli uklon-ski liniji avstenita (220) in martenzita (200), na osnovi katerih je izdelana metoda za določevanje zaostalega avstenita. Pri določevanju zaostalega avstenita v preiskovanih jeklih z visokim odstotkom karbidotvornih legirnih elementov nastopajo določene težave, ki močno zmanjšajo možnost določitve prave vsebnosti zaostalega avstenita. Poleg standardnih napak so se pojavile še napake zaradi delne koinci-dence karbidnih in martenzitnih oz. avstenitnih uklonskih linij ter visokega odstotka karbidne x„ =f(x,,x2.x3.xi ,x5 ,x6.x7 ) R = 0,97 R2 = 0,95 n = 50 Sy = 0.34 U = 5 5 šarž x„ ±0.67 i/) 46« D 167 -g §- a o a 66 65 64 u. a, E o +63 £ eppoMarHHTHbix MarepHaAOB; TaioKe AAa KOHTpOAba TepM0-06pa60TKH H AAH o6Hapy>KHBaHHH nopOKOB Ha nOBepXHOCTH H3AeAHH. B CTaTBe onncaHbi HCCAeAOBaHHa o npHMeHHMocra MarHHTHora anaAloa npH npoBepKH TBepAocTH h TenAOBoli o6pa6oTKH Cbicrpo-peacYmeft ciaAH. Aah o6pa6oTKH AaHHtix noAyneHHx npa H3Mepe- HHax h HccAeAOBaHHH ynoTpe6HAii MaTeMaTimeKO-CTaTiMecKuii koh- TpOAb H 3ACKTPOHHLIH CMCfHHK. B CAyMaro, KorAa XHMiniecKHH coCTaB H pa3Mepbi npo0Hbix o6pa3-ilob nOCTOSHHble, MOiKHO C MarHHTHblM aHaAH30M 3aCAeAHTb Ka>kaoc H3MeHeHHe coAepacaHiia saocTaTO^nora aycTeHHTa b Gi.rcTpopoKvuteH CTaAH. VcTaHOBHAH BbICOKyiO KOppeAaUHOHHyiO CBH3b MeJKAV MarHHTHblM H3MepeHHeM H TBepAOCTbio -MaTcpiiHAa nocAe OTnycKa.