Электромагнитные методы

УДК 620.179.14

О ПРЕИМУЩЕСТВАХ ЛОКАЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЫ

ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ ПО ВНУТРЕННЕМУ ПОЛЮ

Д.Г. Ксенофонтов¹

¹Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук,

Россия 620108 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18

²ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»,

Россия 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19

E-mail: ^*kostin@imp.uran.ru; ^**vasilenko@imp.uran.ru

Поступила в редакцию 20.05.2020; после доработки 29.05.2020

Принята к публикации 02.06.2020

Показано, что локальное измерение коэрцитивной силы H_c по величине размагничивающего тока имеет принципи-

альное ограничение на диапазон измерений. Показана целесообразность локального измерения коэрцитивной силы

ферромагнитных объектов по величине тангенциальной составляющей магнитного поля в межполюсном пространстве

на поверхности контролируемого объекта, то есть по внутреннему полю. Это позволяет кратно расширить диапазон

измеряемых значений H_c. Кроме того, существенно снижается влияние зазора между преобразователем и объектом, а

также форма и размеры контролируемых объектов на результаты измерений. Это делает возможным измерение абсолют-

ных значений H_c однородных ферромагнитных объектов, а также измерение коэрцитивной силы объектов с неферромаг-

нитными покрытиями значительной толщины.

Ключевые слова: коэрцитивная сила, размагничивающий ток, тангенциальная составляющая поля, внутреннее поле,

приставной преобразователь, зазор.

DOI: 10.31857/S0130308220070039

В настоящее время наиболее распространенным способом локального измерения коэрцитив-

ной силы является предложенный еще в середине прошлого века [1, 2] способ, основанный на

намагничивании до насыщения участка ферромагнитного объекта с помощью U-образного двух-

полюсного электромагнита, образующего с испытуемым объектом контроля замкнутую магнит-

ную цепь, последующем размагничивании и регистрации размагничивающего тока в катушках

электромагнита, приводящего к нулевому потоку в этой цепи [3—11]. Этот размагничивающий ток

I_c пропорционален средней величине коэрцитивной силы намагниченного (контролируемого) объ-

ема контролируемого объекта. Градуировка или калибровка проводятся по стандартным образцам

коэрцитивной силы (СОКС). Однако результаты такой градуировки не могут быть использованы

при контроле объектов, имеющих существенно отличающиеся от СОКС размеры и форму.

Для приставного измерительного преобразователя, представляющего собой двухполюсной

U-образный электромагнит со встроенным в его магнитопровод рамочным феррозондом (нуль-

индикатор магнитного потока), связь между током размагничивания I_c и коэрцитивной силой Н_c

намагниченного объема однородного контролируемого изделия описывают следующим выраже-

нием [4, 5, 10]:





си

(1)



сэ



WR

R R +



где W — суммарное количество витков обмоток электромагнита; U_сии U_сэ — падение магнитного

потенциала на изделии и на электромагните при нулевом магнитном потоке в магнитной цепи

«приставной преобразователь — контролируемый объект»; RF1, R_δ и R_и — соответственно магнит-

ные сопротивления магнитному потоку через воздух между полюсами электромагнита, воздуш-

ного зазора между полюсами и изделием и самого изделия; U_си ~ H_сl_и (lи — средняя длина

магнитной силовой линии в изделии); магнитное сопротивление i-го участка цепи

(l_i, S_i, μ_i — длина, площадь поперечного сечения и магнитная проницаемость i-го участка магнит-

ной цепи соответственно).

Как можно увидеть из выражения (1) и как следует из многочисленных экспериментов, на

измерительные возможности и показания коэрцитиметров с измерением размагничивающего тока

оказывают влияние следующие основные факторы: а) размеры и форма контролируемых объектов

В.Н. Костин, О.Н. Василенко, А.В. Михайлов и др.

[1—12]; б) размеры и форма используемых приставных электромагнитов [2, 3—5, 10—12];

в) наличие и величина зазоров в магнитной цепи «приставной преобразователь — объект» [4—8];

г) степень однородности свойств в намагниченном объеме, что, в свою очередь, является физиче-

ской основой коэрцитиметрического контроля глубины упрочненных слоев [2—5, 10]; тип и харак-

теристики нуль-индикатора магнитного потока в цепи «приставной преобразователь — объект»

[6—8, 11—13]. Коэрцитиметры с измерением размагничивающего тока (далее для краткости будем

называть их РТ-коэрцитиметрами) получили весьма широкое распространение.

Вместе с тем имеется ряд работ [12—17], в которых для определения коэрцитивной силы

предлагается в момент равенства нулю магнитного потока в цепи «приставной преобразова-

тель — объект» измерять величину тангенциальной составляющей магнитного поля на

поверхности намагничиваемой области контролируемого объекта с помощью малогабаритных

датчиков поля¹. Измеряемое таким образом поле Нtc равно коэрцитивной силе однородного

объекта. Такие устройства коротко можно назвать Н-коэрцитиметрами.

Целью настоящей работы является сопоставительное исследование возможностей и определе-

ние перспектив РТ-коэрцитиметров и Н-коэрцитиметров.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

Для определения возможностей локального измерения коэрцитивной силы были использо-

ваны образцы трех типоразмеров. Вариация свойств в широком диапазоне достигалась выбо-

ром марки стали и последующей термической обработкой (отжиг, закалка, отпуск). Комплект

стандартных образцов предприятия СОКС состоял из прямоугольных параллелепипедов с

размерами 57×34×7,6 мм. Комплект стандартных образцов предприятия ОМИ состоял из пла-

стин с размерами 90,0×40,1×4,6 мм. Третья группа образцов состояла из закаленных от 790 °С

и отпущенных (состаренных) при различных температурах образцов из стали Н18К9М5Т с

размерами 60×10×6 мм.

Абсолютные значения коэрцитивной силы пластин ОМИ и образцов из стали Н18К9М5Т изме-

ряли в замкнутой магнитной цепи (пермеаметре) с помощью измерительного комплекса

REMAGRAPH C-500 производства фирмы Magnet-Physik Dr. Steingroever GmbH, Германия

(http://www.magnet-physik.de/1.html). Коэрцитивная сила образцов СОКС была измерена методом

сдергивания катушки с образца [19] при намагничивании в соленоиде с максимальным полем 800

А/см. Погрешность измерения коэрцитивной силы в обоих случаях не превышала 2 %.

Измерение коэрцитивной силы по величине размагничивающего тока выполнили с помощью

коэрцитиметра КИФМ-1, с сечением полюсов 20×40 мм, в котором в качестве нуль-индикатора

магнитного потока используется рамочный феррозонд [4, 5].

Измерение коэрцитивной силы по величине внутреннего поля проводили с помощью аппарат-

но-программной системы DIUS-1.15M [13, 16] и магнитного мультитестера ММТ-3 с неэлектри-

ческим устройством намагничивания [13, 20].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

1. РТ-коэрцитиметрия. На рис. 1 представлены зависимости показаний коэрцитиметра

КИФМ-1, измеряющего коэрцитивную силу по размагничивающему току, от абсолютных значе-

ний коэрцитивной силы трех групп образцов. Как видно из рис. 1, для всех типоразмеров образцов

по величине размагничивающего тока измерение коэрцитивной силы Н_c более (45—50) А/см

невозможно. Это также отмечалось в работах [2—5, 10].

Такое ограничение можно объяснить следующим образом. При отсутствии зазора в магнитной

цепи (R_δ = 0), выражение (1) имеет вид





си

(2)



сэ



WR



При R_и << RF1, что означает измерение сравнительно небольших значений коэрцитивной силы

и достаточно большую площадь поперечного сечения контролируемого объекта, выражение (2)

можно переписать в виде

[

си

U +U

сэ

]

(3)

¹Поскольку тангенциальная составляющая поля не терпит разрыва на границе сред [18], то измеряемое малогаба-

ритными датчиками поле на поверхности будет равно внутреннему полю.

Дефектоскопия

№ 7

2020

О преимуществах локального измерения коэрцитивной силы ферромагнитных объектов...

200

150

100

H_c, А/см

Рис. 1. Зависимость показаний коэрцитиметра КИФМ-1 от абсолютных значений коэрцитивной силы образцов трех

групп: СОКС (■), ОМИ (●) и Н18К9М5Т (▼).

Если при этом U_си >> U_сэ, что является обязательным условием и обеспечивается материалами

и конструкцией приставного преобразователя [2—5], то размагничивающий ток пропорционален

измеряемой коэрцитивной силе.

Однако выражение (2) можно также записать в виде





си

(4)



сэ







При увеличении измеряемых значений H_c будет возрастать магнитное сопротивление изделия

R_и, поскольку рост коэрцитивной силы ферромагнетиков практически всегда сопровождается

уменьшением их магнитной проницаемости [21]. При R_и → RF1 первое слагаемое в (4) будет стре-

U_си

миться к величине

, что в сравнении с (3) означает двукратное уменьшение чувствительности

к коэрцитивной силе. Однако отношение R_и /RF1 может даже превышать единицу, например, при

малой площади поперечного сечения контролируемого объекта. Значит при высоких значениях

коэрцитивной силы по мере роста магнитного сопротивления изделия R_и в выражении (4) рост

числителя в первом слагаемом будет сопровождаться ростом знаменателя. Это является причиной

нарушения пропорциональности между измеряемой величиной H_c и размагничивающим током I_c.

Сделанный вывод подтверждается данными рис. 1, из которого видно, что при сопоставимых

(H_c ≈ 80 А/см) значениях коэрцитивной силы образцам Н18К9М5Т с меньшей площадью попереч-

ного сечения соответствуют значительно меньшие значения размагничивающего тока I_c.

Таким образом, РТ-коэрцитиметрия имеет принципиально ограниченный диапазон измерений

как снизу (не более коэрцитивной силы магнитопровода приставного преобразователя [2—5]), так

и сверху.

2. Н-коэрцитиметрия. Измерение коэрцитивной силы по внутреннему полю можно выпол-

нять в значительно большем диапазоне величин H_c [12—17]. При этом могут использоваться раз-

личные типы намагничивающих устройств: U-образные электромагниты [12, 13, 16, 17], двухпо-

люсные устройства на постоянных магнитах [13, 14], устройства без магнитопровода [15].

Принципиально важным условием остается намагничивание испытуемой области изделия до

близкого к техническому насыщению состояния.

На рис. 2 представлен градуировочный график измерения коэрцитивной силы в диапазоне

(2,5—87) А/см, полученный с помощью АПС DIUS-1.15M, в которой для намагничивания исполь-

зован U-образный электромагнит с сечением полюсов 12×28 мм. Как видно из рисунка, линейная

зависимость показаний прибора от величины H_c имеется только в диапазоне (2,5—47) А/см. При

более высоких значениях коэрцитивной силы показания АПС DIUS-1.15M имеют пониженные

значения. Предполагаемой причиной такого отклонения может быть недостаточный уровень

намагничивания испытуемой зоны образцов.

Для проверки сделанного предположения на тех же образцах измерения коэрцитивной силы

были выполнены с помощью магнитного мультитестера ММТ-3 с таким же, как у АПС DIUS-

Дефектоскопия

№ 7

2020

В.Н. Костин, О.Н. Василенко, А.В. Михайлов и др.

HtDS, мВ

360

240

120

H_c, А/см

Рис. 2. Градуировочная зависимость показаний АПС DIUS-1.15M от абсолютных значений коэрцитивной силы образцов

СОКС и ОМИ.

1.15M сечением полюсов 12×28 мм, но с использованием для намагничивания встроенного в

U-образный магнитопровод вращающегося ротора, содержащего сильный постоянный магнит.

Магнитный поток Φ_и, создаваемый таким устройством, существенно больше, чем максимальный

магнитный поток устройства DIUS-1.15M. На рис. 3 представлены внешний вид, схема неэлектри-

ческого устройства намагничивания и зависимость показаний магнитного мультитестера ММТ-3

от коэрцитивной силы образцов, меняющейся в диапазоне (2,5—87) А/см. Видно, что в этом случае

линейная зависимость сохраняется во всем исследованном диапазоне изменения величины H_c

(коэффициент корреляции R = 0,997).

N S

Φ_и

HtMT, мВ

80 H_c, А/см

Рис. 3. Внешний вид (а), неэлектрическое намагничивающее устройство (б) и зависимость коэрцитиметрических пока-

заний (в) магнитного мультитестера ММТ-3 от абсолютных значений коэрцитивной силы образцов СОКС и ОМИ.

Дефектоскопия

№ 7

2020

О преимуществах локального измерения коэрцитивной силы ферромагнитных объектов...

HtMT, мВ

80 H

, А/см

Рис. 4. Зависимость коэрцитиметрических показаний магнитного мультитестера ММТ-3 от абсолютных значений

коэрцитивной силы образцов различных типоразмеров: СОКС (■), ОМИ (●), Н18К9М5Т (▼), составной образец (∇).

Для получения более общих закономерностей прибором ММТ-3 коэрцитивная сила была изме-

рена на всех типоразмерах образцов. При этом диапазон изменения величины H_c составил

(2,7—97) А/см. Полученные результаты представлены рис. 4. Как видно, практически все резуль-

таты достаточно хорошо укладываются на исходящую из начала координат прямую линию. Это

означает, что результаты измерения по внутреннему полю слабо зависят от формы и размеров

образцов.

Однако исключением является образец с самой большой коэрцитивной силой H_c = 96,7 А/см.

Этот образец имеет также самую маленькую максимальную магнитную проницаемость

(μ_max = 19,9). Ближайший по свойствам образец этой стали имеет максимальную проницаемость

в 1,5 раза больше. Учитывая эти данные, а также то, что площадь поперечного сечения образцов

Н18К9М5Т намного (в 5,6 раза) меньше площади поперечного сечения полюсов прибора ММТ-

3, было сделано предположение, что при намагничивании высококоэрцитивного образца вслед-

ствие его высокого магнитного сопротивления значительная часть намагничивающего потока

может замыкаться между полюсами через воздух, что не позволяет намагнитить этот образец до

технического насыщения.

Для проверки этого предположения на образец с H_c = 96,7 А/см с внешней стороны был нало-

жен образец с H_c = 80,2 А/см и с помощью мультитестера ММТ-3 была измерена коэрцитивная

сила этого «составного» образца. Результат показан отдельной точкой на рис. 4. Несмотря на то,

что высококоэрцитивный образец шунтировался образцом с меньшей коэрцитивной силой, пока-

зания прибора ММТ-3 значительно выросли. Это можно объяснить уменьшением магнитного

сопротивления «составного» образца за счет увеличения его площади поперечного сечения и,

следовательно, более эффективным его намагничиванием.

Таким образом, при намагничивании испытуемых объектов до близкого к техническому насы-

щению состояния измерение тангенциальной составляющей магнитного поля на поверхности объ-

екта в межполюсном пространстве (т.е. измерение внутреннего магнитного поля) обеспечивает по

меньшей мере двукратное увеличение измеряемых значений H_c в сравнении с коэрцитиметрией по

размагничивающему току.

3. Влияние зазора. Как видно из выражения (1), на показания РТ-коэрцитиметров непосред-

ственное влияние оказывает зазор (d) между полюсами приставного преобразователя и поверх-

ностью контролируемого объекта. На рис. 5 приведены зависимости показаний коэрцитиметра

КИФМ-1 и мультитестера ММТ-3 от коэрцитивной силы образцов СОКС, определенные в отсут-

ствие зазора в магнитной цепи и при зазоре в 1 мм. Видно, что зазор привел к уменьшению

показаний коэрцитиметра более, чем на 33 %, а показания прибора ММТ-3 уменьшились менее,

чем на 9 %.

Таким образом, чувствительность к зазору при измерении H_c по внутреннему полю в разы

меньше, чем при измерении по размагничивающему току.

Дефектоскопия

№ 7

2020

В.Н. Костин, О.Н. Василенко, А.В. Михайлов и др.

150

d = 0

d = 1 мм

100

d = 0

d = 1 мм

50 H_c, А/см

Рис. 5. Влияние зазора на зависимости показаний коэрцитиметра КИФМ-1 (а) и прибора ММТ-3 (б) от абсолютных

значений коэрцитивной силы образцов СОКС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что локальное измерение коэрцитивной силы с помощью приставного преобразо-

вателя с U-образным электромагнитом по величине размагничивающего тока имеет принципиаль-

ное ограничение на диапазон измерений. Ограничение максимальной измеряемой величины H_c

обусловлено меньшей величиной магнитного сопротивления контролируемого изделия.

2. Показано, что определение коэрцитивной силы с помощью двухполюсного преобразователя

по величине тангенциальной компоненты магнитного поля, измеряемой вблизи поверхности

испытуемого объекта в межполюсном пространстве, то есть по внутреннему полю, позволяет

существенно расширить диапазон измерений. Верхняя граница измерений определяется только

возможностью намагничивания контролируемого объекта, то есть размерами и формой преобразо-

вателя, и создаваемой им магнитодвижущей силой.

3. Показано, что результаты измерения коэрцитивной силы по внутреннему полю практи-

чески не зависят от формы и размеров испытуемых объектов и слабо зависят от величины

зазора между поверхностью объекта и преобразователем. Это делает возможным измерение

абсолютных значений коэрцитивной силы однородных ферромагнитных объектов, а также

измерение коэрцитивной силы объектов с неферромагнитными покрытиями значительной тол-

щины.

Работа выполнена в рамках государственного задания МИНОБРНАУКИ России

(тема «Диагностика», № АААА-А18-118020690196-3).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Михеев М.Н. Магнитный метод контроля твердости и микроструктуры стальных труб // Завод.

лаб. 1938. № 10. С. 1155—1160.

2. Михеев М.Н., Неизвестнов Б.М., Морозова В.М., Сурин Г.В. Коэрцитиметры с приставными

электромагнитами // Дефектоскопия. 1969. № 2. С. 131—133.

3. Загайнов А.В., Ульянов А.И., Петров Р.П., Новиков С.Г. Приборы для контроля качества ферро-

магнитных изделий по величине коэрцитивной силы // Дефектоскопия. 1991. № 10. С. 60—64.

4. Горкунов Э.С., Захаров В.А. Коэрцитиметры с приставными магнитными устройствами (Обзор)

// Дефектоскопия. 1995. № 8. С. 69—88.

5. Бида Г.В., Ничипурук А.П. Коэрцитиметрия в неразрушающем контроле // Дефектоскопия. 2000.

№ 10. С. 3—28.

6. Безлюдько Г.Я., Мужицкий В.Ф., Ремезов В.Б. Серия портативных приборов-структуроскопов,

основанных на измерении величины коэрцитивной силы // Дефектоскопия. 2003. № 4. С. 43—51.

7. Ничипурук А.П., Бида Г.В., Царькова Т.П. и др. О снижении влияния зазора на результаты коэр-

цитиметрии при учете свойств приставного преобразователя // Дефектоскопия. 2010. № 8. С. 45—53.

8. Костин В.Н., Василенко О.Н. О некоторых новых возможностях локального измерения коэрци-

тивной силы ферромагнитных объектов // Дефектоскопия. 2012. № 7. C. 15—25.

9. Шубочкин А.Е. Применение коэрцитиметрии при комплексном контроле нефтегазопромысловых

трубопроводов // Контроль. Диагностика. 2014. № 8. С. 18—22.

Дефектоскопия

№ 7

2020

О преимуществах локального измерения коэрцитивной силы ферромагнитных объектов...

10. Ничипурук А.П., Сташков А.Н., Костин В.Н. и др. Коэрцитиметрический контроль качества

стальных деталей. Уральская школа коэрцитиметрии // В мире неразрушающего контроля. 2015. № 18.

С. 9—13.

11. Гобов Ю.Л., Жаков С.В., Михайлов А.В. Измерение коэрцитивной силы в локальной области

образца // Дефектоскопия. 2017. № 11. С. 27—32.

12. Костин В.Н., Царькова Т.П., Сажина Е.Ю. Измерение относительных значений магнитных

свойств вещества контролируемых изделий в составных замкнутых цепях // Дефектоскопия. 2001. № 1.

C. 15—26.

13. Костин В.Н., Осинцев А.А., Сташков А.Н. и др. Мобильные средства многопараметровой маг-

нитной структуроскопии // Дефектоскопия. 2008. № 4. С. 66—77.

14. Захаров В.А., Молин С.М., Леньков С.В. Контроль структуры ферромагнитного материала по

напряженности магнитного поля между полюсами приставного двухполюсного намагничивающего

устройства // Дефектоскопия. 2017. № 2. С. 53—59.

15. Реутов Ю.Я., Пудов В.И. Аппаратура для контроля ферромагнитных изделий с малой коэрци-

тивной силой // Дефектоскопия. 2017. № 12. С. 40—45.

16. Kostin V.N., Vasilenko O.N., Byzov A.V. DIUS-1.15M Mobile Hardware-Software Structuroscopy

System // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2018. V. 54. P. 654—661. [Костин В.Н., Василенко

О.Н., Бызов А.В. Мобильная аппаратно-программная система магнитной структуроскопии DIUS-1.15M

// Дефектоскопия. 2018. № 9. С. 37—43.]

17. Gobov Yu.L., Zhakov S.V. , Mikhailov A.V. et al. Coercimetry with Magnetization by a U-Shaped

Electromagnet // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2019. V. 55. No. 12. P. 935—941. [Гобов Ю.Л.,

Жаков С.В., Михайлов А.В., Реутов Ю.Я. Метод коэрцитиметрии при намагничивании П-образным

электромагнитом // Дефектоскопия. 2019. № 12. С. 42—48.]

18. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма / Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк.,

1983. 279 с.

19. Чечерников В.И. Магнитные измерения. М.: Изд-во МГУ, 1969. 387 с.

20. Пудов В.И., Костин В.Н., Сташков А.Н., Осинцев А.А. Устройство для локального намагничи-

вания ферромагнитных изделий. Патент РФ на изобретение № 2250475. Бюлл. № 11, 20.04.2005.

21. Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнетизм. М.—Л.: ОГИЗ. Гостехиздат, 1948. 816 с.

Дефектоскопия

№ 7

2020