Магнитные порошки на поверхности намагниченной детали

Сущность магнитопорошкового метода контроля можно пояснить на рис. 36, а. Здесь по центральному проводнику 2 проходящему через полую деталь 1, пропускается элек­трический ток I. Возникший магнитный поток замкнется по детали (рис. 36, а), в местах трещин он выходит за пределы детали, образуя неоднородное магнитное поле рас­сеяния 4 и местные магнитные полюсы N и S. Наибольшая плотность магнитных силовых линий поля рассеяния наблюдается непосредственно над трещиной и уменьшается с удалением от нее.

Для обнаружения несплошности на поверхность детали наносят магнитный порошок, взвешенный в воздухе (сухим способом) или в жидкости (мокрым способом). На частицу и поле рассеяния будут действовать силы: магнитного поля F_з, (рис. 36, б), направленная в область наибольшей плотности магнитных силовых линий, т.е. к месту расположения трещины; тяжести F_т; выталкивающего действия жид­кости F_A, трения F_тр, силы электростатического F_a и маг­нитного Р_м взаимодействия, возникающие между частицами. В магнитном поле частицы намагничиваются и соединяются в цепочки 5 и 6. Под действием результиру­ющей силы F_р частицы притягиваются к трещине и накап­ливаются над ней, образуя скопление порошка. Ширина валика из осевшего порошка значительно больше ширины раскрытия трещины. Порошок образует цепочки, которые взаимодействуют друг с другом.

При достаточно большом количестве частиц в цепочке можно пренебречь размагничивающим фактором отдель­ных частиц.

По причине меньшего размагничивающего фактора восприимчивость в случае плоских, удлиненных частиц выше, чем в случае округлых частиц.

Одновременно с возникновением сил взаимодействия между частицами возникает вращающий момент, действу­ющий на систему частица-частица, цепочка-частица:

М_вр = mlHsinβ, м²*кг/с².

Под действием этого момента угол β стремится к нулю (β — угол между линией, соединяющей частицы, и нап­равлением вектора внешнего поля H). В результате все цепочки оказываются ориентированными по направлению внешнего поля Н (см. рис. 36).

При увеличении поля Н увеличиваются на торцевых поверхностях радиусы сфер магнитного взаимодействия. Если сферы оказываются пересекающимися, то возникает процесс магнитной коагуляции, происходит соединение це­почек в более длинные соединения и конгломераты. Магнитные свойства этих конгломератов оказывают влияние на картину магнитных полей на поверхности изделия.

Параллельное соединение цепочек в суспензии практи­чески не происходит, так как возникают магнитные силы отталкивания в случае сближения цепочек с одноименными магнитными полюсами.

Рис. 36. Магнитное поле над трещиной (а); силы, действующие на частицу в поле рассеяния трещины (б): 1 — деталь; 2 — проводник с током; 3 — трещины; 4 — поле рассеяния; 5,6— цепочки из частиц порошка; 7 — порошок над трещиной.

Они смещаются друг относительно друга вдоль своих продольных осей из-за значительной не­однородности поля по длине цепочек и сосредоточения на их торцевых поверхностях больших количеств порошка. В результате цепочки соединяются торцевыми поверхностя­ми, т.е. встык. Повышенная подвижность образований из порошка объясняет лучшую выявляемость дефектов с помощью суспензий.

Например, при концентрации порошка (ТУ 6-36-05800165-1009-93) в керосиновой суспензии 20 г/л и нап­ряженности 100...150 А/см происходит интенсивная магнитная коагуляция, отдельные этапы которой описаны и работе [5] и показаны на рис. 37.

Рис. 37. Последовательные фазы деформации цепочек из частиц по­рошка в жидкости (х10): 1 — цепочки, образовавшиеся в ионе нап­ряженностью 100 А/см; 2, 3 — цепочки в процессе оседания; 4 — агрегаты, хлопья, образовавшиеся из цепочек при размешивании сус­пензии.

При коагуляции основная масса частиц соединяется в цепочки-нити (рис. 37, 1). После снятия поля цепочки в результате различных скоростей оседания их частей при­обретают вид переплетающихся нитей (рис. 37, 2, 3). При размешивании такой суспензии части нитей соединяются разноименными магнитными полюсами и образуют круп­ные агрегаты, хлопья, комочки (рис. 37, 4). Интенсивная магнитная коагуляция делает индикаторные рисунки нечеткими, вызывает значительный фон из порошка, что значи­тельно затрудняет расшифровку осаждений порошка. Кроме этого, осаждение порошка происходит не только над трещинами, но и над рисками, над местами грубой обра­ботки поверхности. На рис. 38 показана схема полей рас сеяния над трещиной и риской. Если в суспензии образуются цепочки, длина которых превышает эффективный радиус сферы действия поля рассеяния ρ_пр (ρ_пр — расстояние от места выхода трещины на поверхность до точек над ней, в которых сила магнитного притяжения рав­на силе сопротивления движению частиц), то иоле дефекта действует только на часть 4, а часть 5 цепочки находится практически вне поля рассеяния. Такие цепочки выпадают на контролируемую поверхность и создают значительный фон, шунтируют поля рассеяния.

Короткие цепочки длиной 0,01...0,1 мм позволяют по­лучить четкий рисунок над дефектами с большим градиентом ноля (усталостными, шлифовочными трещинами, волосовинами и др.).

Рис. 38. Формирование реплики над трещиной и риской: 1 — трещина; 2 — риска; 3 — цепочка из частиц порошка; 4 — часть цепочки в магнитном поле рассеяния трещины; 5 — часть цепочки вне поля рассеяния; F_р — результирующая сила; F₁ F₂ — составляющне сил F.

Они слабо осаждаются в полях малого градиента (рисками, накле­пом, карбидной полосча­тостью и др.).

На интенсивность маг­нитной коагуляции оказы­вают влияние следующие факторы: концентрация, дисперсность, магнитные характеристики, преды­дущее магнитное состояние порошка, вязкость диспер­сионной среды, напряжен­ность и градиент поля, длительность его действия, автокоагуляция. Изменяя параметры этих факторов, можно добиться оптимального состава магнитной суспензии для конкретных объектов. Например, для контроля деталей способом остаточной намагниченности эффективной явля­ется суспензия следующего состава: дисперсионная среда-керосин или керосино-масляная смесь; концентрация порошка 15... 20 г/л; содержание поверхностно-активного вещества Акор-1 — 0,3...0,5 г/л. Перед применением сус­пензию подвергают сепарации для удаления крупных и слипшихся частиц.

Если контроль проводят в приложенном поле при напря­женности до 100 А/см, то концентрацию порошка уменьшают до 5...7 г/л, а при напряженности поля более 150 А/см концентрацию порошка устанавливают не более 3 г/л.

Из изложенного следует, что в поле дефекта происходят следующие процессы:

намагничивание ферромагнитных частиц и соединение их в цепочки с ориентацией по магнитным силовым линиям в области дефекта;

движение образовавшихся цепочечных структур, а так­же отдельных частиц.

Контроль в приложенном поле не всегда обеспечивает более высокую чувствительность, чем контроль на остаточ­ной намагниченности. Это объясняется тем, что при конт­роле в приложенном поле порошок осаждается по волокнам металла, в местах структурной неоднородности, по следам грубой обработки поверхности, по рискам, в местах резкого изменения геометрии проверяемой поверхности, а также вследствие возможного неблагоприятного направления маг­нитного потока в детали.

Контроль способом остаточной намагниченности про­водят в случаях, если деталь выполнена из магпитотвердого материала, имеющего коэрцитивную силу Н_с > 9,5 А/см, а намагничивающее устройство позволяет создать поле нап­ряженностью, близкой к Н_т.

Контроль на остаточной намагниченности имеет ряд су­щественных достоинств:

• возможность установки проверяемой детали в любое удобноеположение;

• возможность нанесения суспензии как путем полива, так и одновременным погружением нескольких деталей в ванну с суспензией;

• простота расшифровки, так как в этом случае порошок в меньшей степени оседает по рискам, наклепу, местам гру­бой обработки поверхности;

• меньшая возможность перегрева деталей в местах их контакта с дисками зажимного устройства дефектоскопа, так как ток пропускают короткое время (0,015...2 с);

- обеспечивается более высокая производительность контроля.

При быстрых периодических изменениях напряженнос­ти магнитного поля вид петли, выражающей зависимость В = f(H), поля рассеяния дефекта, отличается от стати­ческой петли гистерезиса, получаемой при медленных изменениях напряженности поля. При этом магнитная индукция является функцией не только напряженности по­ля, но и ее производных по времени. Причиной этого яв­ляются вихревые токи, возникающие в ферромагнитном материале, и магнитная вязкость. Площадь динамической петли, выражающей реальную зависимость В = f(H), оп­ределяется полными потерями в единице объема ферромаг­нитного вещества на перемагничивание и на вихревые токи за один период изменения напряженности поля.

Значение коэффициента размагничивания N сильно ме­няется в зависимости от размеров и конфигурации детали, от характера внешнего магнитного поля, от магнитных ха­рактеристик ферромагнетика. На рис. 39 приведены зави­симости В = f(H) для двух объектов контроля, один из которых имеет воздушный зазор.

Рис. 39. Влияние воздушного зазо­ра на форму петли гистерезиса: а — без зазора; б — с зазором.

В случае разветвленного магнитопровода процесс перемагничивания значительно усложняется, так как воздейс­твие магнитодвижущей силы (МДС) на один из участков детали может привести к его необратимому перемагничиванию по одному из возможных путей и к обратимому намагничиванию по другим путям. Характер процессов иеремагничивания при разветвленной форме требует осо­бого рассмотрения.