Магнитные методы неразрушающего контроля, средства и условия для их реализации. Применение магнитных методов неразрушающего контроля в металлургии

Дубойский К.В.

Донецкий национальный технический университет

Источник: Методы неразрушающего контроля — 2011 / Материалы доклада. — Донецк, ДонНТУ — 2011, с.15.

       Современные технологические процессы изготовления продукции маши¬ностроения во многих случаях сопровождаются промежуточным контролем ка¬чества изделий. В связи с этим важное значение приобретают неразрушающие методы контроля качества, которые позволяют не только обнаруживать дефек¬ты на поверхности или в толще изделия, но и определять их форму и размеры, а также пространственное положение. Каждый из этих методов обладает опреде¬ленными преимуществами, что позволяет с большей точностью выявлять те или иные типы дефектов.
       Процессы образования и роста дефектов ставят под угрозу возможность безаварийной эксплуатации подвижного состава. Обеспечение безопасности движения за счет своевременного обнаружения заводских и усталостных де¬фектов в ответственных элементах пути и подвижного состава приносит огром¬ный экономический эффект и служит сохранению человеческих жизней. Реше¬ние этой проблемы достигается современными физическими методами неразрушающего контроля.
       В настоящее время неразрушающий контроль представляет собой само¬стоятельную интенсивно развивающуюся на стыке физического материалове¬дения и технологии отрасль науки и техники, которая находит широкое приме¬нение в различных сферах производства и особенно на транспорте. Практика показывает, что правильная организация контроля, а также умелое использование того или иного метода контроля, разумное сочетание этих методов позволяют с большой надежностью оценить наличие дефектов контролируемых изделий.

1. Магнитные методы неразрушающего контроля


       Магнитные методы контроля основаны на анализе взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом. Они состоят в измерении параметров магнитных полей, создаваемых в объекте путём его намагничивания. Различают магнитопорошковый, магнитографический, феррозондовый, индукционный, эффект Холла, кондеромоторный и магниторезисторный методы.
       Магнитные методы применяют только для контроля изделий, изготовленных из ферромагнитных материалов, которые обладают способностью сильно намагничиваться под действием внешних магнитных полей и сохранять частично эту приобретённую ими намагниченность по удалении внешнего поля. К ферромагнитным веществам относятся металлы – Fe, Со, Ni, Cd, их сплавы и соединения, а также сплавы и соединения Cr и Mn с неферромагнитными элементами. Значение магнитной индукции, оставшейся после снятия внешнего поля, называется остаточной индукцией. Благодаря остаточной индукции становится возможным реализовать многие магнитные методы контроля.
       Методы магнитного контроля занимают одно из первых мест по использованию в производственных условиях. Эти методы применяются для выявления мест нарушения сплошности материала детали, расположенных на поверхности и в подповерхностных слоях: трещин (усталостных, шлифовочных, закалочных, сварочных, ковочных, штамповочных), волосовин, закатов, расслоений, флокенов, непроваров в стыковых соединениях, неметаллических включений. Они могут использоваться и для обнаружения ферритных включений в деталях из аустенитных сплавов.
       Магнитные методы применяют для проектировки отдельных технологических процессов изготовления деталей (шлифовки, термической обработки, сварки, ковки и др.) Физические основы метода показаны на рисунке.

Рис.1 — Физические основы метода

I — дефект расположен поперёк магнитных силовых линий (поле рассеяния большое). II — дефект расположен вдоль магнитных силовых линий (поле рассеяния отсутствует). Магнитный поток, протекая по детали, помещённой между двумя полюсами магнита, имеющей дефект в виде трещины, вынужден огибать препятствие, в результате чего происходит частичное рассеяние в этом месте магнитных силовых линий (создаётся поле рассеяния). Поле рассеяния регистрируется с помощью магнитного порошка, магнитной ленты и др.
       Существуют следующие способы намагничивания деталей, т.е. создания магнитного поля в детали: циркулярное, продольное, комбинированное. Выбор способа намагничивания определяется формой, размерами и магнитной характеристикой изделия. Для успешного контроля решающее значение имеет ориентация продольной плоскости дефекта (трещины) по отношению к направлению магнитных силовых линий в деталях. Поэтому деталь необходимо намагничивать в двух взаимно перпендикулярных направлениях или комбинировать продольное намагничивание с циркулярным.
       Магнитные методы неразрушающего контроля решают следующие задачи: феррозондовый метод контроля применяется для выявления поверхностных и под поверхностных (глубиной до 10 мм) дефектов типа нарушения сплошности материала: волосовины, трещин, раковин, закатов, плен и т.п., а также для выявления дефектов типа нарушения сплошности сварных соединений и для контроля качества структуры и геометрических размеров изделий, используется для определения степени размагниченности изделий после магнитного контроля. С его помощью измеряют толщину листов и стенок сосудов при двухстороннем доступе; этот метод можно применять на изделиях любых размеров и форм, если отношение их длины к наибольшему размеру в поперечном направлении и их магнитные свойства дают возможность намагничивания до степени, достаточной для создания магнитного поля рассеяния дефекта, обнаруживаемого с помощью преобразователя; магнитографическим методом контроля выявляют дефекты типа нарушения сплошности материала изделий, в основном для контроля сварных стыковых соединений из ферромагнитных материалов при их толщине от 1 до 18 мм; вихретоковый метод неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объект контроля этим полем.
       Данный метод применяют для контроля деталей, изготовленных из электропроводящих материалов. Особенности присущие вихретоковым методам: многопараметровость, бесконтактный контроль, нечувствительность к изменению влажности» давления и загрязненности газовой среды и поверхности объектов контроля непроводящими веществами; индукционный метод осуществляется с применением катушки индуктивности, перемещаемой относительно намагниченного объекта контроля. В катушке наводится электродвижущая сила соответственно характеристикам полей дефектов. Этот метод применяется при проверке трубопроводов, тормозных воздушных резервуаров, газовых баллонов и т.п. эффект Холла и пондеромоторный методы применяют для определения толщины немагнитных и слабомагнитных покрытий на ферромагнитных изделиях, азотированного и цементированного слоев, слоя поверхностной закалки, количества магнитной фазы в немагнитных сплавах, механических характеристик ферромагнитных сталей, остаточного аустенита, магнитной анизотропии. магнитопорошковый метод неразрушающего контроля основан на явлении притяжения частиц магнитного порошка в местах выхода на контролируемую поверхность изделия магнитного потока, связанного с наличием нарушения сплошности материала. В намагниченных изделиях дефекты вызывают перераспределение магнитного потока и выход части его на поверхность (магнитный поток дефекта). На поверхности изделия создаются локальные магнитные полосы, притягивающие частицы магнитного порошка, в результате чего место дефекта становится видимым.
       Данный метод позволяет обнаруживать дефекты типа тонких поверхностных и подповерхностных нарушений сплошности, волосовин, трещин, расслоений и др. Метод используется для обнаружения дефектов с шириной раскрытия у поверхности 0,001мм и более, глубиной 0,01мм и более. Магнитопорошковый метод применяется для выявления поверхностных дефектов, находящихся на глубине до 1,5 – 2,0мм. От глубины залегания дефекта зависит ширина наслоения над ним ферромагнитного порошка. Если глубина залегания дефекта более 3 – 4мм, то выявить его практически невозможно (если дефект не очень велик), так как полоса наслоения порошка становится размытой и неясной. Схема выявления открытой трещины магнитопорошковым методом представлена на рисунке 2:

Рис. 2 — Схема выявления открытой трещины

       Чувствительность метода определяется магнитными характеристиками материала изделия, его формой и размерами, чистотой обработки поверхности, напряжённостью намагничивающего поля, способом контроля, взаимным направлением намагничивающего поля и дефекта, свойствами применяемого магнитного порошка (или магнито – люминесцентного), а также освещённостью рабочего места. Немаловажный фактор, влияющий на чувствительность магнитопорошкового метода является наличие немагнитного покрытия на поверхности проверяемой детали.
       Магнитопорошковый метод осуществляется способами приложенного магнитного поля или остаточной намагниченности. При остаточной намагниченности деталь сохраняет намагниченность после снятия внешнего магнитного поля. Технологические операции при контроле способом приложенного магнитного поля проводят одновременно, включая процесс намагничивания; при использовании способа остаточной намагниченности сначала осуществляют намагничивание, а затем следуют другие технологические операции.
       При магнитопорошковом методе контроля предусматривается следующая последовательность операций: — подготовка изделия к контролю. Изделия, подаваемые на намагничивающие устройства, должны быть очищены от покрытий, мешающих их намагничиванию или смачиванию (отслаивающаяся окалина, масла, грязь, иногда изоляционные покрытия и т.п.); — намагничивание изделия проводят одним из способов: циркуляционным, продольным (полюсным), или комбинированным; — нанесение магнитного порошка на контролируемое изделие. Применяют сухой магнитный порошок или магнитную суспензию (взвесь магнитного порошка в дисперсионной среде). В качестве дисперсионной среды могут применяться вода, масло, керосин, смесь масла и керосина и др. Водная суспензия должна содержать смягчающие и антикоррозионные добавки, а при необходимости — антивспенивающие; — разбраковка проводится путём визуального осмотра поверхности изделий по наличию отложений магнитного порошка в местах дефектов. При необходимости, расшифровка результатов контроля может проводиться применением оптических средств; — годные изделия, прошедшие контроль, должны быть размагничены в случаях, если они имеют трущиеся поверхности, если их намагниченность осложняет сборку узлов, куда они входят, или вносит погрешность в показания окружающих приборов. Если изделия после магнитного контроля будут нагреваться выше 600 – 700°С, то размагничивать их не следует.
       При выявлении дефектов в ферромагнитных материалах с тёмной поверхностью целесообразно применить магнито — люминесцентный метод. Он позволяет обнаруживать тонкие, невидимые для глаза трещины различного происхождения. От магнитопорошкового метода этот метод отличается применением магнито — люминесцентного порошка (на 100г магнитного порошка берут 15г люминофора, например, люмогена светло — жёлтого. Свечение его в ультрафиолетовом излучении обусловлено присутствием люминофора, адсорбированного на частицах. Дефекты обнаруживаются по яркому свечению порошка, оседающего над ними). По характеру осаждения порошка на поверхности детали делают заключение о виде дефекта.
       Закалочные трещины обнаруживаются на поверхности по накоплению порошка в виде плотных рельефных извилистых линий. Шлифовочные и термические трещины выявляются в виде тонких чётких линий, представляющих собой сетку или короткие чёрточки. Усталостные трещины выявляются как резко очерчённые плотные, чёткие линии, полосы или «жилки», обычно в местах концентрации напряжений.
       Неметаллические (шлаковые) включения имеют вид точечных скоплений или цепочек. Волосовины проявляются в виде прямых линий различной протяжённости, расположенных вдоль волокон. Мнимые дефекты, обнаруживаемые по осаждению магнитного порошка, могут происходить из-за концентрации внутренних напряжений, при резком изменении размеров детали, структурной неоднородности. Распознавание мнимых дефектов важно для получения достоверных результатов контроля.

2. Аппаратура магнитных методов неразрушающего контроля


       Неразрушающий контроль осуществляют с помощью СНК (средств неразрушающего контроля): приборов (дефектоскопов, толщиномеров, структуроскопов и т.д.) и установок, а также дефектоскопических веществ и материалов (проникающих и проявляющих жидкостей, магнитных порошков и суспензий, паст и т.д.), стандартных образцов, вспомогательного оборудования.
       Структуроскоп предназначен для неразрушающего контроля механических свойств, напряженно-деформированного состояния (НДС) и степени усталости по измерениям магнитной характеристики металла – коэрцитивной силы. В зависимости от их принципа действия могут определять физико-химические свойства материала, оценивать твердость и прочность материалов, глубину и качество термической обработки, обнаруживать отклонение содержания углерода от номинального значения, рассортировывать изделия по твердости, выявлять неоднородные по структуре области рис. 3. Важным потребительским достоинством прибора является высочайшая зазороустойчивость, когда показания прибора зависят только от свойств металла и не зависят от таких мешающих факторов, как защитное покрытие (краска, пленка и т.д.) толщиной до 6 мм (!) на контролируемом металле или эквивалентные такому зазору коррозия, шероховатость, кривизна поверхности и т.п.

Рис. 3 — Магнитный структуроскоп

       Основная область применения - остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных механизмов (кранов, подъемников и лифтов), трубопроводов, котлов, сосудов под давлением и т.д., а также традиционный неразрушающий контроль механических свойств металлопродукции и технологий в металлургии и машиностроении. Толщиномер прибор предназначенный для измерения толщины объекта контроля или его покрытия и основанный на методе магнитного неразрушающего контроля рис. 4.

Рис. 4 — Толщиномер бесконтакный

       Дефектоскопы представляют собой приборы и установки, предназначенные для обнаружения дефектов типа нарушения сплошности рис. 5. Практически все дефектоскопы не только выявляют дефекты в изделии, но и определяют с установленной погрешностью его размеры и местонахождение. Некоторые дефектоскопы способны обнаруживать дефекты, определять глубину их и координаты относительно плоскостей изделия.

Рис. 5 — Магнитный дефектоскоп

       Основные детали дефектоскопов следующие: источники тока, устройства для подвода тока к детали, устройства для полюсного намагничивания (соле¬ноиды, электромагниты), устройства для нанесения на контролируемую деталь порошка и суспензии, измерители тока (или напряженности поля). В дефекто¬скопах наиболее широко распространены циркулярное намагничивание про¬пусканием переменного тока по детали (или через стержень) и продольное на¬магничивание постоянным током. В основном применяют дефектоскопы трех видов: стационарные универсальные, передвижные и переносные, специа¬лизированные (стационарные и передвижные).
       В качестве материала для приготовления порошков в основном исполь¬зуют мелко помолотую закись-окись железа с размером частиц 5-10 мкм. Иногда применяют чистую железную окалину, получаемую при ковке и про¬катке, а также стальные опилки, образующиеся при шлифовании стальных из¬делий. Для лучшей индикации дефектов изделий различного цвета применяют цветные порошки (красный, серебристый и др.). Их получают открашиванием темных порошков или отжигом по специальной технологии.
       Для приготовления магнитных суспензий чаще всего используют масля-но-керосиновые смеси (соотношение масла и керосина 1:1) с содержани¬ем 50 —60 г порошка на 1 л жидкости. Могут применяться и водные суспензии, например мыльно-водная с содержанием в 1 л воды 5 — 6 г мыла, 1 г жидкого стекла и 25 ± 5 г магнитного порошка.

3. Применение методов магнитного неразрушающего контроля в металлургии


       В металлургии, магнитным методом контролируются прокатные валки, работающие в условиях интенсивного циклического нагружения. Оценка ресурса в этих работах позволяет выбрать лучшего поставщика, оптимизировать профилировку, оценить опасность травм. Система магнитного контроля кожуха доменных печей позволяет оптимизировать межремонтный период. Незаменим магнитный контроль при оценке качества термической обработки, как изделий массового производства, так и дорогих уникальных изделий. Металлурги рассчитывают браковочные пределы, как правило, в коэрцитивной силе. При необходимости градуировки коэрцитиметра в МРа используют стандартный образец механического состояния (СОМС) из контролируемой марки стали или ее аналога.
       Благодаря магнитным структуроскопам можно контролировать: качество термообработки (закалка, отпуск), качество и параметры поверхностного упрочнения (химико-термическая обработка, поверхностная закалка, наклеп и т. д.), механические свойства стального проката, изделий из чугуна и конструкционных материалов. Прибор обеспечивает сортировку стали и чугуна по маркам, а в ряде случаев и по химсоставу в пределах данной марки. Контроль данных свойств возможен при наличии статистически надежных зависимостей между ними и коэрцитивной силой.
       На ряде металлургических предприятий применяют один из магнитных методов - феррозондовый метод. Феррозондовый метод контроля основан на обнаружении и измерении магнитных полей с помощью феррозондов - магнитодинамических магнитометров. Магнитометр - это прибор, позволяющий обнаружить и измерять магнитные поля, а также определять степень намагниченности ферромагнитного материала по создаваемому им в пространстве магнитному полю. Применяются два типа феррозондов: полимеры и градиентометры. Первый дает возможность определять наличие и напряженность магнитного поля, а второй - градиент напряженности магнитного поля в его различных точках. С помощью феррозондов можно осуществить следующие операции: выявить нарушения сплошности ферромагнитных материалов и изделий из них; контролировать и сортировать стальные детали; получать качественную и количественную характеристику магнитных свойств материалов, изделия, по которым можно судить о структуре и механических свойствах при магнитоструктурном анализе.

Литература

  1. Ергучёв Л. А. Магнитные методы и средства неразрушающего контроля деталей железнодорожного подвижного состава: пособие / Л. А. Ергучёв. — Гомель: УО «БелГУТ», 2005. — 90 с.
  2. Себко В.П., Нгуен Хоанг Нги, Нгуен Лам Донг. К определению кривой намагничивания ферромагнитных плоских изделий на переменном токе.— Измерительная техника, 1995, № 5, с.43—45.
  3. Горкунов Б.М., Себко В.П., Лысенко В.В., Нгуен Минь Чау, Нгуен Лам Донг. Многопараметровый метод неразрушающего контроля проводящих изделий.— В сб. Международная научно—техническая конференция "Компьютер, наука, техника, технология, образование, здоровье", ч.2, Харьков-Мишкольц, 1994, с.7.