Перспективные методики определения коэрцитивной силы массивных ферромагнетиков по внутреннему магнитному полю

© А.В. Михайлов

Перспективные методики определения коэрцитивной силы массивных ферромагнетиков по внутреннему магнитному полю

А.В. Михайлов, Ю.Л. Гобов, С.В. Жаков, В.Н. Костин, Ю.Я. Реутов, В.И. Пудов, О.Н. Василенко

 

Коэрцитивная сила является надежным информативным параметром при контроле сплошности и фазового состояния ферромагнетиков. В настоящее время для определения коэрцитивной силы изделий применяются преимущественно два вида преобразователей (датчиков):

  • приставной П-образный (называемый также U-образным), предложенный ещё М.Н. Михеевым и П.А. Халилеевым и реализованный в коэрцитиметрах разработки ИФМ им. М.Н. Михеева;
  • приставной с точечным намагничиванием импульсным полем, предложенный М.А. Мельгуем и применяемый в различных модификациях импульсных магнитных анализаторов (ИМА), выпускаемых в Беларуси.

Приставной П-образный преобразователь обязательно содержит ферромагнитный магнитопровод, который, для получения верных показаний, должен изготовляться из материала с коэрцитивной силой, существенно меньшей коэрцитивной силы испытуемого изделия. Из выпускаемых современной промышленностью ферромагнитных сплавов малой коэрцитивной силой обладают пермаллой, аморфные и нанокристаллические материалы.

Приставной преобразователь с точечным намагничиванием, предложенный М.А. Мельгуем, не требует использования магнитопровода, что является его существенным преимуществом перед преобразователем М.Н. Михеева. Однако выпускаемые промышленностью приборы с точечным намагничиванием серии ИМА пригодны лишь для контроля коэрцитивной силы большей 100 А/м и, кроме того, не приспособлены для контроля цилиндрических изделий. Указанные обстоятельства вынуждают искать другие варианты преобразователей, пригодных для решения поставленной задачи.

В этой связи представляется перспективным метод контроля коэрцитивной силы по внутреннему полю остаточно намагниченного ферромагнитного изделия, предложенный в 1977 году М.А. Веденёвым и В.И. Дрожжиной и не нашедший пока распространения по ряду причин.

В основе метода лежит тот факт, что поле на поверхности остаточно намагниченного изделия, достаточно близко́ к коэрцитивной силе материала этого изделия при соблюдении ряда условий. Во-первых, необходимо, чтобы изделие было предварительно намагничено полем, амплитуда которого во много раз превышает коэрцитивную силу, во-вторых, чтобы намагничивающая цепь во время измерения была разомкнута и, в-третьих, чтобы поле измерялось как можно ближе к поверхности изделия.  

В наше время, используя современную компьютерную технику и средства оцифровки и обработки аналоговых и цифровых сигналов, появилась возможность получения графического представления петель гистерезиса в реальном времени. Как показано коллективом научных сотрудников Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН  в работе [1], стало возможным определение коэрцитивной силы по величине внутреннего поля, измеренного на поверхности образца в замкнутой магнитной цепи. Для этого в преобразователе устанавливается два датчика: первый – между полюсами (для измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля), второй – в разрезе одного из полюсов (для  определения магнитного потока в магнитопроводе). Величина коэрцитивной силы определяется исходя из заранее полученных калибровочных кривых. В данной работе доказано,  что  чувствительность к коэрцитивной силе у локально измеряемой по внутреннему полю относительной величины Hci больше, чем у определяемой по размагничивающему току величины Hct . Для объектов сложной геометрической формы и с малой величиной коэрцитивной силы (менее 100 А/м) примерно в тот же период времени другим коллективом научных сотрудников ИФМ УрО РАН в работе [2] предложена конструкция датчиков (накладного и проходного), содержащих только намагничивающие катушки и датчики магнитного поля. Исключение из конструкции магнитопровода обеспечивает размыкание магнитной цепи и применимость использования методики определения коэрцитивной силы  ферромагнетика по внутреннему полю.

В работе [3] третьей группой научных сотрудников ИФМ УрО РАН предложена методика определения Нс путём локального перемагничивания ферромагнетика магнитным полем, направленным перпендикулярно к его поверхности. Намагничивание перпендикулярно к поверхности осуществимо за счет применения стержневого электромагнита и привлекательно тем, что нормальная компонента индукции непрерывна на границе раздела воздух/образец: индукция, измеренная на внешней поверхности, равна индукции в подповерхностном слое образца. Методика основана на измерении значений напряженности внутреннего поля на поверхности ферромагнитного объекта при его циклическом перемагничивании Hизм(I) и соотнесении этих значений с зависимостью, полученной в отсутствие объекта H0(I). В точке пересечения этих кривых вклад намагниченности образца в измеряемое поле от образца равен нулю, поэтому становится возможным определение значения коэрцитивной силы, исходя из калибровочной кривой H0(I). В ходе исследования было установлено, что зависимость показаний от толщины изделия: методика применима для образцов с толщиной, превышающей 2 диаметра полюса.

На результаты определения коэрцитивной силы выше описанными методиками оказывает существенное влияние величина зазора между преобразователем и поверхностью образца, поэтому в работе [4] предложена методика определения коэрцитивной силы по внутреннему полю ферромагнетика вне зависимости от зазора. Ее суть аналогична описанной в работе [3], но вместо стержневого электромагнита используется П-образный, расположенный с изначально заданным, известным зазором. Измеряя напряженность магнитного поля вблизи поверхности образца между полюсами П-образного магнита, можно напрямую измерить внутреннее магнитное поле в образце и определить его коэрцитивную силу. Основное требование применения данной методики – создание достаточно сильного поля для перемагничивания образца по предельной петле гистерезиса с учетом двух зазоров между преобразователем и поверхностью образца: изначально заданного зазора и возможного дополнительного зазора, возникающего во время измерений. Увеличение тока в намагничивающей катушке неизбежно приведет к ее перегреву, поэтому перемагничивание и измерение предлагается проводить в импульсном режиме с частотой 3 Гц и заполнением до 50%.

Приведенные выше методики определения коэрцитивной силы по внутреннему магнитному полю хорошо зарекомендовали себя при практических исследованиях и найдут применение в различных отраслях промышленности и науки.     

 

Список публикаций по представляемой работе:

  1. Мобильная аппаратно-программная система магнитной структуроскопии DIUS-1.15M / В.Н. Костин, О.Н. Василенко, А.В. Бызов // Дефектоскопия. — 2018. — V. 9. — P. 47—53.
  2. Аппаратура для контроля ферромагнитных изделий c малой коэрцитивной силой / Ю.Я. Реутов, В.И. Пудов // Дефектоскопия. — 2017. — V. 12. — P. 40—45.
  3. Измерение коэрцитивной силы в локальной области образца / Ю.Л. Гобов, С.В. Жаков, А.В. Михайлов // Дефектоскопия. — 2017. — V. 11. — P. 27—33.
  4. Метод коэрцитиметрии при намагничивании П-образным электромагнитом / Ю.Л. Гобов, С.В. Жаков, А.В. Михайлов, Ю.Я. Реутов // Дефектоскопия. — 2019. — V. 12. — P. 42—48. 

 

Краткая формула