Магнитные и электромагнитные методы
УДК 620.179.14
ВОЗМОЖНОСТИ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВАНИЯХ С РАЗНЫМИ МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ
А.А. Лухвич, О.В. Булатов
Исследованы разрешающая способность и диапазоны измерений магнитными методами толщины никелевых покрытий на сталях с разными магнитными свойствами. Проведен расчет намагниченности никелевых покрытий в зависимости от их толщины, величины первичного намагничивающего поля, свойств оснований. Сформулированы требования к параметрам магнитодинамических преобразователей, обеспечивающих минимизацию погрешности, обусловленной структурой покрытия, максимальные разрешающую способность и диапазоны измерений при разных сочетаниях магнитных свойств основания и покрытия.
Ключевые слова: магнитодинамический метод, намагничивающее поле, никелевые покрытия, ферромагнитные основания, диапазон измерений.
При магнитном контроле толщины никелевых покрытий на материалах, не обладающих свойствами ферромагнетика, основным мешающим фактором является зависимость информативного сигнала от структурного состояния никеля. Другой проблемой является необходимость компенсации, обусловленной первичным намагничивающим полем преобразователя, неинформативной составляющей сигнала с целью повышения разрешающей способности и расширения диапазона измерений. При маг-нитодинамическом методе толщинометрии [1—5] неинформативная составляющая сигнала исключается автоматически. Кроме того, достаточно просто создать первичное намагничивающее поле, обеспечивающее намагниченность никеля, близкую к намагниченности насыщения; это приводит к минимизации или исключению погрешности, обусловленной структурой никелевого покрытия. Так, в [5] показано, что при контроле магнитодинамическим преобразователем с энергией магнита (произведение удельной энергии магнитного материала на его объем) около 180 МДж толщины никелевых покрытий, значительно различающихся по структурным свойствам, обеспечивается диапазон измерений до 1 мм, а погрешность контроля во всем диапазоне составляет порядка 5 %.
Ситуация значительно усложняется, когда основание под покрытием обладает ферромагнитными свойствами. Так как в этом случае информативный сигнал обусловлен намагниченностью не только покрытия, но и основания, в сигнале содержится неинформативная составляющая, величина которой определяется свойствами основания. В итоге неизбежно снижается разрешающая способность и сужается диапазон измерений. В силу этого диапазон, обеспечиваемый современными магнитными толщиномерами при контроле толщины никеля на низкоуглеродистых сталях, не превышает 0,15 мм. Важные для практики исследования по обоснованию возможности контроля никелевых покрытий на основаниях с разными магнитными свойствами ранее проведены не были.
Цель настоящей работы — исследование возможностей использования магнитодинамического метода при контроле никелевых покрытий на сталях, магнитные свойства которых варьируются в широком диапазоне (от практически неферромагнитных нержавеющих до ферромагнитных
Александр Александрович Лухвич, доктор техн. наук, профессор, зав. лабораторией металлофизики ИПФ НАН Беларуси. Тел. +375-17-284-23-07. E-mail: labl@iaph.bas-net.by Олег Владимирович Булатов, сотрудник ИПФ НАН Беларуси. Тел. 284-24-16.
среднеуглеродистых). Выбор сталей марок 12Х18Н10Т, 12Х21Н5Т, 06Х15Н6МВФБ, 03Х12Н10МРТ-ВД, Ст3 был обусловлен их практическим применением с никелевыми покрытиями, например, при изготовлении деталей двигателей разного назначения. Для названных нержавеющих сталей необходимо было провести исследования их магнитных свойств. Для этого из каждой стали было изготовлено кольцо, внешний диаметр которого превышал внутренний примерно в 1,2 раза. На каждое кольцо сначала проводом диаметром 0,1 мм было равномерно нанесено 400 витков измерительной обмотки, затем проводом 0,5 мм — 300 витков намагничивающей; всего по этой методике было изготовлено четыре кольцевых образца. Их магнитные свойства были исследованы на аттестованной установке УИМХ-1 [6]. Полученные результаты в виде основных кривых намагничивания представлены на рис. 1; там же показаны кривые чистого никеля и стали 3. На основании этих данных рассмотрены возможности магнитодинамического метода толщинометрии никелевых покрытий на сталях с практически любыми магнитными свойствами.
В, Т
2 ■ 6
1,5 ■ —— 5
1 ------4
0,5 3
0 -0 3 6 9 12 | 15 Н, кА/м
Рис. 1. Основные кривые намагничивания:
1 — сталь 12Х18Н10Т; 2 — 12Х21Н5Т; 3 — чистый никель; 4 — сталь 06Х15Н6МВФБ; 5 — 03Х12Н10МРТ-ВД; 6 — Сталь 3.
Методом конечных элементов были выполнены расчеты распределения намагниченности покрытия и основания, зависимости информативного сигнала от толщины никеля на сталях с разными магнитными свойствами при разной величине первичного намагничивающего поля. Модели магнитодинамических преобразователей имели общую схему [4], но существенно различались по величине намагничивающего поля. Магнитные свойства основания были заданы кривыми, показанными на рис. 1; толщина основания — 5 мм, а толщина покрытия — от 0 до 1 мм.
На рис. 2 представлено радиальное распределение намагниченности при толщине покрытия 0,4 мм, соответствующей середине максимального диапазона используемых на практике никелевых покрытий. Модель намагниченности в покрытии вычисляли усреднением по всей его толщине, в основании — только по глубине до 0,1 мм, считая от границы между основанием и покрытием. Расчеты выполнены для трех материалов основания, сильно различающихся по магнитным свойствам. Приведенные кривые дают общее представление об изменении характера радиального распределения намагниченности в зависимости от величины первичного намагничивающего поля и магнитных свойств основания.
Согласно полученным данным, увеличение энергии магнита от ~15 до ~180 МДж при толщине покрытия 0,4 мм ведет к возрастанию его на-
магниченности примерно в 1,6 раза при любых магнитных свойствах основания, при этом она может достигать ~500 кА/м. Так как полная отстройка от максимально возможной вариации структуры никеля обеспечивается его намагничиванием до насыщения (около 600 кА/м), можно утверждать, что на практике преобразователь с энергией магнита ~180 МДж будет обеспечивать значительную отстройку от влияния структурного состояния покрытия на результаты контроля.
0,8 0,6 0,4 0,2 0
0 5 10 15 20 г, мм
Рис. 2. Распределение модуля !/! намагниченности по радиусу г при толщине покрытия 0,4 мм:
а — энергия магнита ~15 МДж; б — ~180 МДж; 1—3 — распределение в покрытии;
4, 5 — в основании; 1 — неферромагнитное основание; 2, 5 — основание из стали 12Х21Н5Т; 3, 4 — 03Х12Н10МРТ-ВД.
По кривым на рис. 2 видно, что при одинаковой величине первичного намагничивающего поля намагниченность покрытия на ферромагнитной стали 03Х12Н10МРТ-ВД меньше намагниченности покрытия на неферромагнетике. Ферромагнетик под покрытием также намагничивается; следовательно, доля неинформативной составляющей в сигнале преобразователя возрастает с ростом намагниченности основания. Это приводит к снижению разрешающей способности и диапазона измерений при контроле толщины покрытий на ферромагнитном основании; степень снижения определяется его магнитными свойствами.
Наибольший практический интерес с точки зрения влияния намагниченности покрытия на погрешность, обусловленную структурой никеля, представляет ее значение в объеме информативной зоны преобразователя. Ранее [2] было установлено, что радиус информативной зоны состав-
ляет примерно 6—7 мм, это значение соответствует внешнему радиусу ферромагнитного экрана, окружающего магнит и измерительную много-витковую катушку. В таблице представлены средние значения намагниченности никеля, вычисленные в объеме информативной зоны.
Зависимость модуля намагниченности покрытия, кА/м, от его толщины при разных энергии магнита и магнитных свойствах основания
Энергия магни- Материал основания Толщина покрытия мм
та, мДж (марка стали) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
12Х18Н10Т 419,9 384,2 346,8 307,5 266,3 229,8 200,9 177,9 159,4 144,1
12Х21Н5Т 410,3 374,5 338,6 302,2 264,0 228,7 200,1 177,3 159,0 143,7
~15 06Х15Н6МВФБ 392,2 359,4 327,3 294,2 258,9 225,6 197,8 175,5 157,5 142,5
03Х12Н10МРТ-ВД 378,1 349,0 318,4 286,9 253,4 222,0 195,2 173,4 155,8 141,1
Сталь 3 323,9 298,4 272,4 245,9 220,6 197,5 176,6 158,8 143,9 131,4
12Х18Н10Т 471,9 461,7 445,1 426,1 405,8 384,1 361,1 336,4 310,3 284,8
12Х21Н5Т 450,1 442,3 428,4 410,7 392,1 372,9 353,2 332,4 309,0 284,0
~55 06Х15Н6МВФБ 419,1 418,1 408,5 394,2 378,4 362,1 345,1 326,9 305,6 281,7
03Х12Н10МРТ-ВД 407,3 407,9 399,2 385,8 370,8 355,1 339,1 322,1 301,9 279,1
Сталь 3 381,8 378,3 367,9 354,9 340,8 326,1 310,7 294,4 277,3 259,7
12Х18Н10Т 500,2 497,4 492,7 486,9 480,5 473,6 466,4 458,8 451,0 443,0
12Х21Н5Т 469,0 467,4 464,6 460,4 455,0 448,8 442,3 435,6 428,8 421,8
~180 06Х15Н6МВФБ 424,5 425,2 426,3 426,3 425,0 422,4 418,5 413,9 408,9 403,7
03Х12Н10МРТ-ВД 409,6 411,0 413,0 413,9 413,4 411,6 408,6 404,6 400,1 395,3
Сталь 3 390,0 391,5 393,5 394,1 393,1 390,9 387,9 384,2 380,0 375,6
Видно, что усиление первичного намагничивающего поля, обусловленное увеличением энергии магнита, ведет к существенному возрастанию намагниченности информативной зоны, однако при постоянной величине поля с ростом толщины покрытия, а также при переходе с неферромагнитного основания на ферромагнитное она заметно снижается. Так, преобразователь с энергией магнита ~180 МДж при контроле покрытий на неферромагнитных или близких к ним по свойствам основаниях обеспечивает в объеме информативной зоны намагниченность, которая при разных сочетаниях толщины покрытия и магнитных свойств основания в среднем только в 1,4 раза меньше намагниченности насыщения никеля. Следовательно, на практике при использовании такого преобразователя обусловленная структурной вариацией погрешность будет минимальна. С уменьшением энергии магнита и увеличением толщины покрытия намагниченность информативной зоны снижается; например, при энергии магнита ~15 МДж
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.