DE1648797B2

DE1648797B2 - Verfahren zur kontinuierlichen und beruehrungsfreien messung der haerte eines stahlerzeugnisses wie bandstahl

Info

Publication number: DE1648797B2
Application number: DE1967Y0001168
Authority: DE
Inventors: Homer P Waltz Marion D Ceckler William H Youngstown Ohio Halsey (V St A)
Original assignee: Youngstown Sheet and Tube Co, Boardman, Ohio (V St A)
Priority date: 1966-09-14
Filing date: 1967-05-02
Publication date: 1973-08-02
Also published as: DE1648797C3; DE1648797A1; GB1186692A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen und berührungsfreien Messung der Härte eines Stahlerzeugnisses wie Bandstahl, das sich längs einer Bahn bewegt, indem man das Stahlerzeugnis magnetisiert und die Restflußdichte bestimmt.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 169 158 ist eiu Verfahren zum Bestimmen der Einhärtetiefe an Gegenständen aus ferromagnetischem Werkstoff bekannt. Bei diesem Verfahren erfolgt ein punktförmiges Aufmjgnetisieren der zu untersuchenden Werkstücke, ein Abschalten des von außen angelegten Feldps und Entfernen der Magnetisierungsvorrichtung, Bestimmen der Restfeldstärke und Ermitteln der Einhärtetiefe an Hand einer Eichkurve, die die gemessene Restfeldstärke zur Einhärtetiefe in Beziehung setzt. Hierbei wird eine solche Aufmagnetisierung erzeugt, daß in der Oberfläche des Prüfkörpers mindestens zwei einander zugeordnete, entgegengesetzte remanente punktförmige Magnetpole erzeugt werden, deren Abstand P der Beziehung

P = (0,5 bis 2,5) T

genügt, wobei T die Härtetiefe darstellt. Anschließend wird die Restfeldstärke über einem dieser Punktpole ermittelt.

Bei diesem bekannten Verfahren handelt es sich um ein intermittierendes Verfahren, bei dem die Bestimmung der Tiefe einer Härtung bei ferromagnetischem Werkstoff erfolgt. Diesem bekannten Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, die Dicke bzw. Tiefe einer gehärteten Oberflächenschicht eines Stahlgegenstandes, wie z. B. einer Stahlwalze_; zu messen. Nach dieser bekannten Lehre erfolgt ein Aufbringen und ein nachfolgendes Entfernen einer Magnetisiervorrichtung sowie anschließend das Aufbringen einer Feldmeßvorriphtung fiber- dem magnetisierten Punkt. Es handelt sich also um einen Verfahrensablauf, der in einzelnen voneinander getrennten Schritten abläuft, bei dem die Einhärtetiefe gemessen wird und nicht die Härte des in Frage stehenden Werkstückes.

Als weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens ist anzusehen, daß dabei spitze Magnetpole die Oberfläche, an der die Messung stattfinden soll, beruhen müssen.

Es ist weiterhin bekannt, daß gewisse ferromagnetische Eigenschaften des Stahls durch seine physika-

lische Härte beeinflußt werden. Für eine gegebene Magnetisierungskraft gibt es ein direktes Verhältnis zwischen der zurückgehaltenen magnetischen Flußdichte B in einem magnetisiert^. Stück Stahl und seiner physikalischen Härte. In der Zeitschrift »The Iron Age« vom November 1963, S. 73 bis 75, ist ein Verfahren beschrieben, das gewisse Aspekte dieses VerhäUaisses verwendet, um die Härte eines sich bewegenden Stahlbandes zu bestimmen. Dieses Verfahren ist so beschaffen, daß das Band impulsmagnetisiert wird und die Größe der Veränderung der zurückgehaltenen Flußdichte ~r-abgefüh|t und mit der Härte

des Stahlbandes in Zusammenhang gebracht wird. Diese Technik wird jedoch durch die Geschwindigkeit des sich bewegenden Stahlbandes und Veränderung in der Stärke des Streifens beeinflußt. Weiterhin unterliegt das abgefühlte Signal - ebenfalls Geräuschproblemen, die die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen. Es sind verschiedene Faktoren, die zu diesem Geräusch beitragen, die folgende Geräusche einschließen:

1. Geräusch infolge magnetischer Koppelung mit Außensignalen durch die Luft;

2. Geräusch infolge unvollständiger magnetischer Lösung des Bandes;

3. Geräusch infolge von Intermodulation zwischen dem Löschkopf und dem Magnetisierun<;skopf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kontinuierlichen berührungsfreien Messung der Härte eines Stahlerzeugnisses, wie Bandstahl, vorzusehen, das sich längs einer Bahn bewegt. Hierbei müssen relativ geringe Härteunterschiede bestimmt werden, um eine genaue Härtemessung zu erhalten, d. h., das Verfahren muß auch auf geringe Härteunterschiede ansprechen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man

a) kontinuierlich aufeinanderfolgende Flächenteile des Stahlerzeugnisses mittels eines Magneten kontinuierlich und .nit einem in einer Richtung verlaufenden Magnetfeld magnetisiert und während des kontinuierlichen Vorbeilaufs des Stahlerzeugnisses diese Flächenteile magnetisch sättigt,

b) die. Restflußdichte an der Oberfläche der magnetisierten Flächenteile des Stahlerzeugnisses kontinuierlich und aufeinanderfolgend mittels eines Meßumformers abfühlt und die erfaßte Restflußdichte kontinuierlich in eine elektrische Größe unformt, die von der Dicke des Stahlerzeugnisses unabhängig und im wesentlichen proportional zur Härte der abgefühlten Flächenteile des Erzeugnisses ist, während andere aufeinanderfolgend durchlaufende Flächenteiledes Erzeugnisses gleichzeitig aufeinanderfolgend magnetisiert werden,

c) die Magnetisierung durch den Magneten und das Abfühlen mit dem Meßumformer in an sich bekannter Weise unter Einhaltung eines vorgebbaven Abstandes zu den Flächenteilen des sich bewegenden Stahlerzeugnisses vornimmt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelingt es, ein rasch bewegtes Stahlband kontinuierlich und berührungsfrei <uif die in einem vorangehenden Härteprozeß erreichte Härte berührungsfrei und kontinuierlich zu messen.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet das Prinzip, daß, wenn das Stahlband kontinuierlich mit einem einseitig gerichteten Feld magnetisiert wird, jede besondere Richtungskomponente und insbesondere die Normalkomponente der restlichen magnetischen Spur auf dem Band mit der physikalischen Härte des Streifens im Zusammenhang steht. Nach der Erfindung wird (5) direkt gemessen und nicht die Ableitung davon ^y, und deswegen hat unter anderem das Verfahren gewisse Vorteile gegenüber dem eingangs beschriebenen System. Zunächst ist die Messung unabhängig von der Geschwindigkeit des Streifens. Außerdem ist die Messung weniger empfindlich

gegen Geräuschprobleme, die durch veränderliche, restliche magnetische Spi-ren auf dem Band verursacht werden. Und schließlich ist die Messung unempfindlich gegen die Dicke des Bandes, wenn die magnetomotorische Kraft (mmf), die « -rwendet wird, um den Strei-

ao fen zu magnetisieren, aul ein Niveau eingestellt wird,

das das Niveau überschreitet, das erforderlich ist, um den Streifen unter den Magnetisierungsknöpfen magnetisch zu sättigen.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen,

um kontinuierlich die Härte eines sich bewegenden Stahlerzeugnisses, wie etwa eines Stahlbandes, zu messen, wobei das Stahlerzeugnis mit einem einseitig gerichteten magnetischen Feld magnetisiert wird (wie es etwa durch einen Gleichstromelektromagneten oder

3P einen Permanentmagneten erzeugt wird), um die restliche Flußdichte in der Nähe der Oberfläche des Stahlproduktes zu messen, eine Spannung zu erzeugen, die proportional der abgefühlten Flußdichte ist, und die Rockwell-Härte festzustellen, die der erzeugten Spannung proportional ist. Innerhalb praktischer Grenzen ist diese Spannung eine lineare Funktion der Rockwell-Härte des Materials, und durch richtige Einteilung der Skala kann ein direktes Ablesen der Härte erzielt werden.

Es wird das folgende Verhältnis verwendet:

M = K'G + K"

worin

M = Rockwell-Härte,
*⁵ G = die remanente Flußdichte in Gauß,

K', K" = Konstante, die von einer Kurvenabtragung von Gauß gegenüber Rockwell-Härte des Stahlbandes bestimmt wird.

5P Wegen dsr magnetischen Sättigung des Stahlbandes durch den Magnetisierungskopf hat es sich gezeigt, daß es nicht notwendig ist, das Band zu entmagnetisieren, bevor die Härte, wie oben beschrieben, gemessen wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeber sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.
In der Zeichnung ist ein schematisches Diagramm der Härte-Meßvorrichtung, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum kontinuierlichen Messen der Härte eines Stahlbandes verwendet wird.

In der Zeichnung ist ein Stahlband 16 mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gezeigt, das von einem Gleichstromelektromagneten 2 magnetisiert wird, der 12,7 mm über dem sich bewegenden Stahlband liegt. Die Flußdichte B des Restfeldes 17 wird dann von einer Flußabfühlsonde 7 abgefühlt. Die Sonde7 Iiegtl2,7mm

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über dem Stahlband und fühlt die Komponente des c, = das Ausgangssignal (oder die Spannung) vom

restlichen Flusses senkrecht zur Ebene des Stahlbandes Magnetometer 8.

16. Die Sonde 7 ist mit einem Magnetometer 8 gekup- c₂ = die konstante Spannungsquelle, die vom

pelt, der ein Ausgangssignal C₁ gibt, das proportional 500-Ohm-Widerstand 9 entwickelt wird.

der Feldstärke ist. Das Signal e, und die konstante 5 _..,._,,,, .»....»

Spannung e, werden addiert und von dem Gleichstrom- P'^e folgenden Skalenfaktoren wurden fur den Be-

verstärker 13 verstärkt. Die Ausgangsspannung e₃ «ich zwischen 50und 69 Rockwell benutzt wegen der

wird einem abgewandelten Digital-Voltmesser 15 züge- Mebgeratebereicne.

leitet. Der Spannungsbereich des Voltmessers 15 wird M — 10 e₃,

auf der 10-Volt-Skala eingestellt, wobei der Dezimal- io (7—4 e_x.

punkt um eine Stelle nach rückwärts verschoben ist. ,, ,, , , .. „ . ,

Wenn das Gerät richtig eingestellt ist, kann an dem ^Unter Sendung der obigen Beziehungen ist

Digital-Voltmeter direkt die physikalische Härte des e₃ = 6,78 (e, f- 0,447) und daher --'■ = 6,78, was der

Stahlbandes abgelesen werden. ., ... , ,, , —, . ,

Empirische Gleichungen wurden unter den folgen- 15 ^Υ<ϊ?. ίW ^T ηί?, Gleichstromverstärker ist.

den Bedingungen entwickelt: Der Elektromagnet 2 ^hlieiilicn ist e_t- U.44/.

hatte eine magnetomotorische Kraft von 800 Ampere- . Es sind zwei Bereiche gefunden worden, bei denen

Windungen mit einem Luftspalt von 25,4 mm (12,7mm ^das Verfahren angewendet werden kann:
zwischen jedem Polschuh und der Bandoberfläche),

und die Sonde 7 wurde 12,7 mm von der Oberfläche ao

einer Stahlplatte mit niederem Kohlenstoffgehalt ange- Analyse:

ordnet. Angaben wurden von Bändern verschiedener C = 0,06 bis 0,15%.

bekannter physikalischer Härte beschafft. Es zeigte ^M" -= °.30 bis 0,60,

sich, daß die Verhältnisse zwischen der Härte und dem ^f- ^Rest bis 0,10,

beibehaltenen Magnetismus durch die folgenden drei »5 ^v» ^^est bis 0.02,

Verhältnisse ausgedrückt werden konnten: ^mi* einer geringeren Dicke als

0,508 mm

1. Im Härtebereich von 32 bis 69,02 R3OT und einer Härte im Bereich
M = 16_?95 G + 30.27. 45 bis 95 R30T

2. Im Härtebereich von 69,02 bis 75,79 R3OT 30 und einer Geschwindigkeit in dem Bereich: 0 bis M = 80,48 G - 114,99. 609 m/min.

3. Im Härtebereich von 75,79 bis 95 R3OT II.
M = 3,33 G + 66,85, Analyse:

wobei « ^C =■ °'^{05 bis} °'¹⁴°/««'

, . _L „ . „ , „ ,_nT . ³⁵ Mn = 0,35 bis 0,65,
M — mechanische Harte in Rockwell 30T und _p _ _Rest

G = Gauß ist. N₂ = Rest'

_._,.. _ -UJA ^und einer Dicke geringer als

Die Gleichungen der Eingange gegenüber den Aus- ₀ 254 _mm

gangen des Netzes A mit den angegebenen Parametern 40 _u'_{nd ejner H§rte jm Berekh yon}
lauten wir folgt: 30 bis 45 R30T

^ und eine Geschwindigkeit im Bereich

e₃ = — (^₁ + C₂), 0 bis 609 m/min.

Rt

45 Obwohl nur bis zu einer Geschwindigkeit von

^wonn: 609 m/min, getestet wurde, ist jedoch klar, daß das Rf= Rückkopplungswiderstand 11 mit einem Wert Verfahren bei wesentlich höherer Geschwindigkeit, wie von 100 000 Ohm, etwa bis zu 1219 m/min., arbeitet. Ebenso ist War, daß, Dieser Wert wird verändert. obwohl nur die Härte innerhalb des Bereiches von Rt ±± beide Eingangäwiderstände 10 oder 14, die s» 45 bis 95 R30T und 30 bis 45 R30T wie in Obigen Beigleich sind, und jeder 10 000 Ohm fest haben. spielen getestet wurde, dieses Verfahren auch inneres — der Ausgang vom Gleichstromverstärker 13 halo der Bereiche von 80 bis 95 R30T und 30 bis über den Lastwiderstand 12 von 100 000 Ohm. 60 RJOT zufriedenstellend arbeitet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen und beriihrungsfreien Messung der Härte eines Stahlerzeugnisses wie Bandstahl, das sich längs einer Bahn bewegt, indem man das Stahlerzeugnis magnetisiert und die Restflußdichte bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) kontinuierlich aufeinanderfolgende Flächenteile des Stahlerzeugnisses mittels eines Magneten kontinuierlich und mit einem in einer Richtung verlaufenden Magnetfeld magnetisiert und während des kontinuierlichen Vorbeilaufs des Stahlerzeugnisses diese Flächenteile magnetisch sättigt,

b) die Restflußdichte an der Oberfläche der magnetisierten Flächenteile des Stahlerzeugnisses kontinuierlich und aufeinanderfolgend mittels eines Meßumformers abfühlt und die erfaßte Restflußdichte kontinuierlich in eine elektrische Größe umformt, die von der Dicke des Stahlerzeugnisse;, unabhängig und im wesentlichen proportional zur Härte der ab- ₂, gefühlten Flächenteile des Erzeugnisses ist, während andere aufeinanderfolgend durchlaufende Flächenteile des Erzeugnisses gleichzeitig aufeinanderfolgend magnetisiert werden,

c) die Magnetisierung carch den Magneten und das Abfühlen mit dem Meßumformer in an sich bekannter Weise ^nter Einhaltung eines vorgebbaren Abstandes zu den Flächenteilen des sich bewegenden Stahlerzeugnisses vornimmt.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Spannung erzeugt wird, die proportional der genannten abgefühlten Flußdichte ist, eine zweite konstante Spannung der ersten Spannung hinzugefügt und das verstärkte summierte Ergebnis angezeigt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch die Anwendung auf ein sich bewegendes und zu magnetisierendes Stahlerzeugnis, dessen chemische Analyse im Bereich von C = 0,05 bis 0,14%, Mn = 0,35 bis 0,65%; P = Rest, N₂ = Rest liegt und dessen Stärke geringer ist als 2,5 mm und dessen Härte im Bereich von 30 bis 60 R3OT liegt, während seine Geschwindigkeit 0 bis 1200 m/min, beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch die Anwendung auf ein sich bewegendes und zu magnetisierendes Stahlerzeugnis, dessen chemische Analyse im Bereich von C = 0,06 bis 0,15%, Mn = 0,30 bis 0,60%, P = Rest bis 0,10, N₂ = Rest bis 0,02 liegt, dessen Bandstärke geringer ist als 0,5 mm, dessen Härte im Bereich von 45 bis 95 R3OT liegt, während die Geschwindigkeit 0 bis 1200 m/min, beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das sich bewegende Stahlerzeugnis ein Stahlband ist und die Härte unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des Stahlstreifens gemessen wird.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 mit einem Gleichstromelektromagneten, der seine Poie auf derselben Oberfläche des Stahlerzeugnisses hat, sowie einem Meßfühler, der in den Pfad des aufgebrachten Flusses eingebracht wird, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) der Gleichstrom - Elektromagnet ist über Schalter einschaltbar;

b) der Kern des GleichstromelekuomagneteniZ) ist in vorgegebenem Abstand von der Oberfläche des Stahlerzeugnisses (16) angeordnet;

c) der Meßfühler (7) ist so ausgerichtet, daß die Normalkomponente des restlichen Flusses zur Oberfläche des Stahlerzeugnisses gemessen wird;

d) ein mit dem Meßfühler verbundener Magnetometer (8) ist über einen Gleichstromverstärker (13) an ein Anzeigeinstrument (15) angeschlossen.