Магнитные методы
УДК 620.179.14
ВОЗМОЖНОСТИ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКОГО МЕТОДА
КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ С НЕОДНОРОДНЫМИ
СВОЙСТВАМИ
(эксперимент)
A.A. Лухвич, О.В. Булатов, А.Л. Лукьянов
В диапазоне толщины никелевых покрытий до 1000 мкм при практически максимальном разбросе структурных свойств экспериментально исследована возможность отстройки от их влияния на погрешность измерений толщины магнитодинамическим методом. Показано, что выбором величины первичного намагничивающего поля магнитодинами-ческих преобразователей обеспечивается контроль никелевых покрытий в разном структурном состоянии, а также под слоем хрома независимо от его толщины в диапазоне до 200 мкм, ингредиентов двухслойных (немагнитное-ферромагнитное) покрытий с приемлемой для практики точностью.
Ключевые слова: никелевые покрытия, намагничивающее поле, магнитодинамичес-кий метод, послойный контроль, погрешность.
Ранее [1] на основе расчетов была обоснована возможность послойного контроля толщины хромоникелевых покрытий на немагнитных основаниях магнитодинамическим методом толщинометрии [2—7]. Показано, что для реализации этой возможности следует использовать два преобразователя, параметры которых подобраны таким образом, что сигнал одного из них преимущественно зависит от толщины никеля, в том числе под слоем хрома, другого — от толщины хрома. Установлено, что при усилении намагничивающего поля повышается чувствительность к толщине никеля и одновременно снижается чувствительность к толщине хрома. При энергии магнита около 180 мДж можно контролировать толщину никеля до 1000 мкм и более, в том числе под слоем хрома. Расчеты показали, что при такой энергии намагниченность никеля в пределах информативной зоны будет близка к намагниченности насыщения, поэтому структурное состояние никеля не должно существенно влиять на точность контроля. При энергии магнита 50—55 мДж преобразователь обеспечивает контроль толщины хрома до 200 мкм и более с достаточно высокой разрешающей способностью, однако величина намагниченности информативного объема заметно ниже. Следовательно, можно ожидать увеличения погрешности при контроле толщины хрома из-за влияния структуры никеля на измеряемый сигнал. Задача минимизации названной погрешности в каждом конкретном случае может решаться выбором энергии магнита преобразователя с учетом диапазонов толщин никеля и хрома, а также требований к точности и методике контроля ингредиентов.
В настоящей работе задача состояла в том, чтобы установить, в какой степени результаты численных расчетов [1] согласуются с экспериментальными данными, например, вывод о том, что при определенных параметрах преобразователя и величине намагничивающего поля обеспечивается намагниченность информативной зоны, близкая к намагниченности насыщения, что исключает или минимизирует погрешность, обусловленную структурой никеля. Результаты эксперимента при формулировке данного положения имеют принципиальное значение как для практики при калибровке прибора и его применении, так и для подтверждения
Александр Александрович Лухвич, доктор техн. наук, профессор, зав. лабораторией металлофизики ИПФ HÄH Беларуси. Тел. +375-17-284-23-07. E-mail: labl@iaph.bas-net.by
Олег Владимирович Булатов, сотрудник ИПФ HAH Беларуси. Тел. 284-24-16.
Андрей Леонтьевич Лукьянов, научный сотрудник ИПФ HÄH Беларуси.
корректности выводов на основе расчетов. Расчеты проводились без учета влияния структурного состояния на магнитные свойства никеля (его основную кривую намагничивания). Учет возможен, если предварительно экспериментально исследовать магнитные свойства никеля при разных структурных состояниях; это достаточно сложно и, по-видимому, в этом нет необходимости. Представляется достаточным экспериментально исследовать зависимость сигнала преобразователя на образцах покрытий, изготовленных по разным технологиям, и в дальнейшем по результатам сравнения расчетных и опытных данных установить, какие задачи по оптимизации параметров и расширению функциональных возможностей преобразователей могут быть решены на основе численных расчетов.
При проведении экспериментальных исследований основная задача состояла в том, чтобы исходя из общих представлений и существующих возможностей обеспечить набор мер толщины никелевых покрытий, различающихся по структурному состоянию. Для этого использовались меры толщины гальванических никелевых покрытий, никелевые пластины, полученные прокаткой, а также никелевые пластины, изготовленные для этих целей фрезерованием с последующими шлифованием и полированием. Кроме того, опыты проводились на образцах никелевых и хромоникелевых покрытий, вырезанных в разные годы из камер сгорания ракетных двигателей. В диапазоне толщины никеля до 100 мкм использовались эталонные меры, на которых проводится метрологическая аттестация толщиномеров (погрешность мер — не более 1 мкм). Диапазон 200—600 мкм был представлен пластинами, полученными прокаткой со степенью деформации до 34 %, диапазон 300—1000 мкм — пластинами, изготовленными из массивного никеля фрезеровкой, шлифовкой и полировкой. Толщина всех пластин определялась с помощью фотоэлектрического растрового преобразователя перемещений с погрешностью измерений ±2 мкм. Для определения толщины никеля и хрома на фрагментах камер сгорания применялся металлографический метод (разрешающая способность микроскопа — примерно 1,2 мкм). В табл. 1 приведены данные по способу изготовления названных образцов и их толщине.
Отметим, что задача проведения метрологической аттестации не ставилась, однако учитывая названную разрешающую способность средств контроля толщины покрытий на образцах, погрешность измерений оцениваем порядка 1,5—5,0 мкм. Приведенные в табл. 1 значения толщин никеля и хрома в дальнейшем будем считать истинными. Что касается структурных свойств никеля, то можно утверждать, что представленный набор технологий изготовления образцов обеспечивает спектр неодно-родностей структуры, встречающихся в практике неразрушающего контроля.
При проведении экспериментальных исследований ставился ряд целей. Первая из них — установить зависимость величины информативного сигнала толщиномера магнитодинамического принципа действия при разных значениях величины первичного намагничивающего поля (энергии магнита) от толщины никелевых покрытий с неоднородными структурными свойствами. При этом использовался весь представленный набор образцов, однако надо учитывать, что для образцов, вырезанных из изделий (№ 7, 14, 15, 18, 19), показания прибора были функцией структуры, толщин никеля и хрома. Тем не менее мы приводим эти данные, чтобы наглядно показать, что возможен контроль толщины никеля без учета толщины хрома.
На рис. 1 приведены в одном масштабе расчетные и экспериментальные данные по зависимости величины сигнала преобразователей с раз-
ной энергией магнитов от толщины никеля. С увеличением намагничивающего поля возрастает разрешающая способность и расширяется диапазон измерений, который для преобразователя с энергией магнита около 15 мДж составляет до 500 мкм, 55 мДж — до 650 мкм, 180 мДж — более 1000 мкм. Экспериментальные данные показывают, что в первом и втором случаях имеет место значительный разброс показаний прибора, обусловленный влиянием структурного состояния никеля, особенно в области средних и больших значений его толщины. При малых значениях
Таблица 1
Образцы никелевых покрытий
Номер образца Метод изготовления Толщина никеля, мкм Толщина хрома, мкм
1 Гальваника(лабораторная) 15 —
2 Гальваника (лабораторная) 42 —
3 Гальваника(лабораторная) 84 —
4 Гальваника (промышленная) 126 —
5 Гальваника (промышленная) 135 —
6 Гальваника (промышленная) 152 —
7 Гальваника (промышленная) 190 90
8* Прокатка (степень деформации 19 %) 230 —
9 Фрезеровка, шлифовка, полировка 285 —
10 Гальваника (промышленная) 298 —
11 Прокатка (степень деформации 30 %) 300 —
12 Гальваника (промышленная) 320 —
13* Прокатка (степень деформации 34 %) 330 —
14 Гальваника (промышленная) 335 135
15 Гальваника (промышленная) 385 50
16* Прокатка (степень деформации 20 %) 400 —
17 Прокатка (степень деформации 15 %) 410 —
18 Гальваника (промышленная) 425 90
19 Гальваника (промышленная) 430 130
20 Прокатка (степень деформации 17 %) 470 —
21 Гальваника (промышленная) 515 —
22* Прокатка (степень деформации 13 %) 590 —
23 Фрезеровка, шлифовка, полировка 630 —
24 Гальваника (промышленная) 730 —
25 Гальваника (промышленная) 820 —
26* Фрезеровка, шлифовка, полировка 960 —
27 Фрезеровка, шлифовка, полировка 990 —
* Образцы использовались для калибровки макета прибора.
толщины разброс несколько меньше, что связано с увеличением намагниченности информативной зоны. Разброс заметно снижается при увеличении энергии магнита. Если судить по характеру экспериментальных данных в рассматриваемом диапазоне толщины никеля, то погрешность ее контроля может составлять десятки процентов, поэтому использование преобразователей с энергией магнитов 15 и 55 мДж нецелесообразно. При толщине покрытия порядка 300 мкм преобразователь с энергией около 55 мДж может обеспечить приемлемую для практики точность контроля, особенно если проводить калибровку приборов по образцам, полученным по той же технологии, что и контролируемые изделия. Си-
туация принципиально меняется, когда, как показывают расчетные данные [1], преобразователь обеспечивает намагниченность информативной зоны, близкую к намагниченности насыщения. Из рис. 1в следует, что зависимость величины информативного сигнала от измеряемой толщины в диапазоне до 1000 мкм линейна и практически не наблюдается разброс, обусловленный структурным состоянием никеля.
Р, отн. ед.
Рис. 1. Зависимость информативного сигнала Р от толщины Ь
никеля:
а — энергия магнита около 15 мДж; б — 55 мДж; в — 180 мДж; кривые построены по расчетным данным, точки, номера которых соответствуют номерам образцов в табл. 1, — по результатам измерений.
Исходя из очевидных преимуществ преобразователя с энергией магнита около 180 мДж, были проведены исследования точности измерений, которую он обеспечивает. Для этих целей калибровка ма
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.