CN110470728A - 一种磁粉检测用自然缺陷试块及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁粉检测领域，公开了磁粉检测用自然缺陷试块及制作方法，包括以下步骤：选取45号圆钢为母材，抛光母材周向表面；通过电火花加工方法在母材上开设若干轴向槽和若干径向槽；加热母材至800～1200℃，进行滚圆处理至所有轴向槽和所有径向槽的槽口闭合，冷却；加热母材至840～880℃，保温30～60min，冷却；抛光母材周向表面。本发明磁粉检测用自然缺陷试块磁粉制作过程简单而且成本低，且同时包含径向和轴向裂纹缺陷，充分满足培训和教学需要。
Description
技术领域
本发明属于磁粉检测领域，涉及一种磁粉检测用自然缺陷试块及制作方法。
背景技术
磁粉检测(Magnetic Particle Testing，缩写为MT)用于检测铁磁性材料的表面或近表面的缺陷，包括直接通电法和线圈法。铁磁材料被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而形成漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，在适当的光照下形成目视可见的磁痕，从而显示不连续性的位置、大小、形状和严重程度。
磁粉检测教学和考核工作需要使用大量的包含自然缺陷的试块提供教学案例和让学员实操。由于磁粉检测行业多存在于航空航天等保密性行业，以及教学和培训与其他行业的无损检测工作缺乏联系，导致无损检测教学和考核工作缺少急需的包含自然缺陷的试块。
目前市场上存在一些厂家制作磁粉检测试块，但产品多是包含表面裂纹的焊缝试块，不仅制作过程复杂而且价格昂贵。因此，磁粉检测培训和教学过程中涉及到的最重要的周向磁化和纵向磁化两种磁化方法，由于缺少合适的自然试块，往往不能开展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有磁粉检测试块制作过程复杂而且价格昂贵，且不同时包含径向和轴向裂纹，不能满足培训和教学需要的缺点，提供一种磁粉检测用自然缺陷试块及制作方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明一方面，一种磁粉检测用自然缺陷试块制作方法，包括以下步骤：
S1：选取圆钢为母材，抛光母材周向表面；
S2：通过电火花加工方法在母材上开设若干轴向槽和若干径向槽；
S3：加热母材至800～1200℃，进行滚圆处理至所有轴向槽和所有径向槽的槽口闭合，冷却；
S4：加热母材至840～880℃，保温30～60min，冷却；
S5：抛光母材周向表面。
本发明磁粉检测用自然缺陷试块制作方法进一步的改进在于：
所述S1的具体方法为：
选取45号圆钢为母材，抛光母材周向表面，粗糙度为3.2～6.3μm。
所述S1还包括：在母材上加工若干阶梯面。
所述S1中在母材上加工第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面；第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面满足以下条件：
0.105T＜D1＜0.111T，D2＝3D1+1，D3＝9D1+4
其中，T为线圈法检测时线圈的直径，D1为第一阶梯面的直径，D2为第二阶梯面的直径，D3为第三阶梯面的直径。
所述S2的具体方法为：
通过电火花加工方法在母材上开设若干轴向槽和若干径向槽，轴向槽和径向槽深度为1～3mm，长度为5～20mm，宽度为0.5～1mm。
所述S2中轴向槽和径向槽的槽深从一端开始递减。
所述S3的具体方法为：
采用高频炉加热母材至800～1200℃，然后通过锻压设备将母材进行滚圆处理，直至所有轴向槽和所有径向槽的槽口闭合或母材直径变为原直径的75～85％，冷却。
所述S5还包括抛光母材的两个端面。
所述S5的具体方法为：
使用车床抛光母材周向表面，粗糙度为3.2～6.3μm，使用车床抛光的两个端面，粗糙度为3.2～6.3μm。
本发明另一方面，一种磁粉检测用自然缺陷试块，所述磁粉检测用自然缺陷试块采用上述方法制作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明磁粉检测用自然缺陷试块的制作方法，通过抛光母材周向表面，并采用电火花加工方法在母材上开设若干轴向槽和若干径向槽，然后进行滚圆处理和抛光，即可得到磁粉检测用自然缺陷试块，给出了一种简单方便且成本低的磁粉检测用自然缺陷试块制作方法，填补了磁粉检测通电法和线圈法纵向磁化缺少人工制作自然缺陷试块的空白。本发明使用的材料成本低，容易获得，加工工艺简单方便，产品容易推广，可以根据已有的磁粉机磁化能力，合理设计产品的直径和长度，可以实现对试块的量身定做，使制作的试块完全匹配已有设备的检出能力，表面缺陷长度和位置以及深度可以根据需要，自行搭配设计，更接近于真实的自然裂纹形态。
进一步的，在母材上加工若干阶梯面，各阶梯的直径可以由磁粉检测的周向磁化规范和纵向磁化规范联立公式导出，根据导出公式计算所得各阶梯直径，使用计算得到的类似于塔型试块，可以在实际检测中，不论使用通电法还是线圈法检测各个阶梯面所需要的磁化工艺均不相同，可以起到锻炼学员熟练计算磁化工艺的能力，并可以使用实际工件验证。
进一步的，轴向槽和径向槽的槽深从一端开始递减，在电火花加工时，操作更为简单易记，不容易出现加工错误。同时，磁粉检测磁痕显示与缺陷深宽比(缺陷深度与宽度比值)有关，缺陷的深宽比越大，漏磁场越大，磁痕显示越明显，缺陷越容易检出。轴向槽和径向槽的槽深从一端开始递减，实际是缺陷按深宽比从大到小排列，检测结果可以直观的反映出同样的检测工艺下深宽比越大的缺陷磁痕越明显这一规律。
进一步的，在制作完成后还包括抛光母材的两个端面，防止在做周向磁化时产生接触不良出现电火花的现象。
本发明磁粉检测用自然缺陷试块，材料成本低，容易获得，制作简单且成本低，包含径向和轴向凹槽缺陷，满足磁粉检测通电法和线圈法纵向磁化的缺陷试块要求，满足培训和教学需要。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的径向磁化检出的轴向缺陷图；
图3为本发明的轴向磁化检出的径向缺陷图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明磁粉检测用自然缺陷试块制作方法，包括以下步骤：
第1步：首先使用45号圆钢为母材，圆钢除两端外，周向表面使用车床表面抛光，粗糙度为3.2～6.3μm。
第2步：使用电火花加工技术将加工好的圆钢延轴向和径向开设若干凹槽，凹槽的槽深1～3mm，槽长5～20mm，槽宽0.5～1mm。其中，轴向槽可以在一条直线上，也可以不在，但是轴向槽和径向槽的深度应从一端开始递减，轴向槽之间的距离均匀分布，径向槽之间的距离也均匀分布。
第3步：使用高频炉等设备将第2步加工好的圆钢升温至800～1200℃。
第4步：使用锻压设备，将第3步加温后的圆钢进行滚圆处理，当圆钢延轴向和径向开设的若干凹槽在外观上已闭合，此时圆钢直径一般为圆钢原直径的75％～85％，停止滚圆处理，冷却。
第5步：第4步操作之后，冷却的圆钢外表面硬度较大，需要进行退火处理，如直径为30mm的钢棒，需要升温至840～880℃之后，保温30～60min，之后空冷退火。
第6步：退火之后的圆钢，周向表面使用车床表面抛光，粗糙度为3.2～6.3μm；两个端面也需要抛光，粗糙度为3.2～6.3μm，否则在做周向磁化时会接触不良出现电火花；抛光完成之后，得到磁粉检测用自然缺陷试块。
本发明以45号圆钢为母材，采用在母材表面制作轴向和径向缺陷的方法，可以制作出供磁粉检测用的自然缺陷试块。本套试块包括1套多块，每一块试块包含4～5处纵向裂纹类缺陷以及4～5处横向裂纹缺陷。本实施例中包含6根20号圆钢，具体的缺陷参数如下：
55的45号圆钢：轴向凹槽：20×1mm(长度×深度)，20×2mm(长度×深度)，20×3mm(长度×深度)，20×4mm(长度×深度)；径向凹槽：20×1mm(长度×深度)，20×2mm(长度×深度)，20×3mm(长度×深度)。
50的45号圆钢：轴向凹槽：15×1mm(长度×深度)，15×2mm(长度×深度)，15×3mm(长度×深度)，15×4mm(长度×深度)；径向凹槽：15×1mm(长度×深度)，15×2mm(长度×深度)，15×3mm(长度×深度)。
42的45号圆钢：轴向凹槽：10×1mm(长度×深度)，10×2mm(长度×深度)，10×3mm(长度×深度)，15×4mm(长度×深度)；径向凹槽：10×1mm(长度×深度)，10×2mm(长度×深度)，10×3mm(长度×深度)。
32的45号圆钢：第一根：轴向凹槽：10×1mm(长度×深度)，10×2mm(长度×深度)，10×3mm(长度×深度)，10×4mm(长度×深度)；径向凹槽：10×1mm(长度×深度)，10×2mm(长度×深度)，10×3mm(长度×深度)。第二根：轴向凹槽：15×1mm(长度×深度)，15×2mm(长度×深度)，15×3mm(长度×深度)，15×4mm(长度×深度)；径向凹槽：15×1mm(长度×深度)，15×2mm(长度×深度)，15×3mm(长度×深度)。第三根：轴向凹槽：20×1mm(长度×深度)，20×2mm(长度×深度)，20×3mm(长度×深度)，20×4mm(长度×深度)；径向凹槽：20×1mm(长度×深度)，20×2mm(长度×深度)，20×3mm(长度×深度)。
具体的制作过程参见上述方法，其中，55的45号圆钢第1步抛光后的粗糙度为3.2μm，第3步中升温至800℃，第5步中升温至840℃，然后保温60min，之后空冷退火，第6步中周向表面使用车床表面抛光，粗糙度为3.2μm，经过上述方法制作得到的55的45号圆钢的磁粉检测用自然缺陷试块，经过磁粉检测后径向和轴向缺陷清晰可见。50的45号圆钢第1步抛光后的粗糙度为4.6μm，第3步中升温至1000℃，第5步中升温至860℃，然后保温45min，之后空冷退火，第6步中周向表面使用车床表面抛光，粗糙度为5.2μm，经过上述方法制作得到的50的45号圆钢的磁粉检测用自然缺陷试块，经过磁粉检测后径向和轴向缺陷清晰可见。42的20号圆钢第1步抛光后的粗糙度为6.3μm，第3步中升温至1000℃，第5步中升温至880℃，然后保温30min，之后空冷退火，第6步中周向表面使用车床表面抛光，粗糙度为4.6μm，经过上述方法制作得到的42的20号圆钢的磁粉检测用自然缺陷试块，经过磁粉检测后径向和轴向缺陷清晰可见。32的20号圆钢第1步抛光后的粗糙度为6.3μm，第3步中升温至1200℃，第5步中升温至880℃，然后保温60min，之后空冷退火，第6步中周向表面使用车床表面抛光，粗糙度为6.3μm，经过上述方法制作得到的32的20号圆钢的磁粉检测用自然缺陷试块，经过磁粉检测后径向和轴向缺陷清晰可见。
使用固定式磁粉探伤机对上述方法制作的自然缺陷试块进行检测，径向磁化时可以检测出轴向缺陷，根据自然缺陷试块直径，选择使用如表1所列经验公式，选择磁化电流I，其中D为自然缺陷试块横截面上最大尺寸，mm。如上述加工后的钢棒直径29mm，使用交流电连续法周向磁化，则磁化电流I＝(8～15)D＝(8～15)×29＝(232～435)A，实际检测时使用300A，参见图2，径向磁化检出的轴向缺陷的效果图。
表1周向磁化电流计算表
使用固定式磁粉探伤机对对上述方法制作的自然缺陷试块进行检测，轴向磁化时可以检出径向缺陷，使用线圈法纵向磁化：如上述加工后的自然缺陷试块直径29mm，自然缺陷试块长300mm，使用交流电连续法轴向磁化，线圈直径450mm，线圈5匝，线圈的横截面积大于被检工件横截面积的10倍以上，且自然缺陷试块正中放置，使用公式2可知磁化电流约为1300A，参见图3，轴向磁化检出的径向缺陷的效果图。
下面给出交流电连续法轴向磁化中磁化电流的计算方法：
当线圈的横截面积大于或等于被检自然缺陷试块横截面积的10倍时，当自然缺陷试块偏心放置时，线圈的磁化电流按式(1)计算(误差为10％)：
当自然缺陷试块正中放置时，线圈的磁化电流按式(2)计算(误差为10％)：
式中：I为施加在线圈上的磁化电流，A；N为线圈匝数；L为自然缺陷试块长度，mm；D为自然缺陷试块直径或横截面上最大尺寸，mm；R为线圈半径，mm。
若线圈的截面积小于或等于2倍被检自然缺陷试块截面积(包括中空部分)，磁化时，可按式(3)计算磁化电流(误差10％)：
当线圈大于2倍而小于10倍被检自然缺陷试块截面积时，磁化时，可按式(3)计算磁化电流(误差10％)：
NI＝[(NI)h(10-Y)+(NI)1(Y-2)]/8 (4)
式中：(NI)h为式(3)高充填因数线圈计算的NI值；(NI)1为式(1)或式(2)低充填因数线圈计算的NI值；Y为线圈的横截面积与工件横截面积之比。
假如在母材上加工第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面；第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面满足以下条件：
0.105T＜D1＜0.111T，D2＝3D1+1，D3＝9D1+4
其中，T为涡流检测时线圈的直径，D1为第一阶梯面的直径，D2为第二阶梯面的直径，D3为第三阶梯面的直径。
使用连续法交流电磁化，I＝(8～15)D，电磁检测试块的两个台阶直径D1，D2，则I1＝(8～15)D1，I2＝(8～15)D2，若要I1和I2没有重合，则8D2＞15D1，即D2＞15/8D1，为方便计算取D2＞2D1。使用连续法直流电磁化，同理可知，使用连续法直流电磁化时，D2＞8/3D1，为方便计算取D2＞3D1。使用剩磁法检测，同理可知，使用剩磁法磁化时，D2＞9/5D1，为方便计算取D2＞2D1。
综合以上三种情况，若想让两个直径不同的区域进行通电法磁化时所选电流不重合，取D2＞3D1即可。
综合线圈法对于三个台阶直径的选择原则：当D1≤0.316T时，0.316T＜D2＜0.707T线圈，D3≥0.707T线圈，可以保证三个台阶选择不重复的磁化规范计算公式，得到三个磁化电流；
直接通电法磁化时：9D1＜3D2＜D3即可保证三个台阶选择不重复的磁化规范计算公式，得到三个磁化电流。
推导：磁化时设D1为x，根据直接通电法要求，D2＞3x，D3＞9x。取D2＝3x+a；D3＝9x+b(a、b为正整数，且b＞3a)。
根据线圈法对于三个台阶直径的选择原则：
x≤0.316T
0.316T＜3x＜0.707T
0.707T≤9x＜T
解得0.105T＜x＜0.111T。
实际取值时：0.105T＜D1＜0.111T，D2＝3D1+1，D3＝9D1+4。
例如，假设线圈直径T＝400mm，0.105T＜D1＜0.111T，即42＜D1＜44.4，取D1＝43mm，D2＝3D1+1＝130mm，D3＝9D1+4＝391mm。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁粉检测用自然缺陷试块制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选取圆钢为母材，抛光母材周向表面；
S2：通过电火花加工方法在母材上开设若干轴向槽和若干径向槽；
S3：加热母材至800～1200℃，进行滚圆处理至所有轴向槽和所有径向槽的槽口闭合，冷却；
S4：加热母材至840～880℃，保温30～60min，冷却；
S5：抛光母材周向表面。
2.根据权利要求1所述的磁粉检测用自然缺陷试块制作方法，其特征在于，所述S1的具体方法为：
选取45号圆钢为母材，抛光母材周向表面，粗糙度为3.2～6.3μm。
3.根据权利要求2所述的磁粉检测用自然缺陷试块制作方法，其特征在于，所述S1还包括：在母材上加工若干阶梯面。
4.根据权利要求2所述的磁粉检测用自然缺陷试块制作方法，其特征在于，所述S1中在母材上加工第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面；第一阶梯面、第二阶梯面和第三阶梯面满足以下条件：
0.105T＜D1＜0.111T，D2＝3D1+1，D3＝9D1+4
其中，T为线圈法检测时线圈的直径，D1为第一阶梯面的直径，D2为第二阶梯面的直径，D3为第三阶梯面的直径。
5.根据权利要求1所述的磁粉检测用自然缺陷试块制作方法，其特征在于，所述S2的具体方法为：
通过电火花加工方法在母材上开设若干轴向槽和若干径向槽，轴向槽和径向槽深度为1～3mm，长度为5～20mm，宽度为0.5～1mm。
6.根据权利要求1所述的磁粉检测用自然缺陷试块制作方法，其特征在于，所述S2中轴向槽和径向槽的槽深从一端开始递减。
7.根据权利要求1所述的磁粉检测用自然缺陷试块制作方法，其特征在于，所述S3的具体方法为：
采用高频炉加热母材至800～1200℃，然后通过锻压设备将母材进行滚圆处理，直至所有轴向槽和所有径向槽的槽口闭合或母材直径变为原直径的75～85％，冷却。
8.根据权利要求1所述的磁粉检测用自然缺陷试块制作方法，其特征在于，所述S5还包括抛光母材的两个端面。
9.根据权利要求8所述的磁粉检测用自然缺陷试块制作方法，其特征在于，所述S5的具体方法为：
使用车床抛光母材周向表面，粗糙度为3.2～6.3μm，使用车床抛光的两个端面，粗糙度为3.2～6.3μm。
10.一种磁粉检测用自然缺陷试块，其特征在于，所述磁粉检测用自然缺陷试块采用权利要求1～9任一项所述方法制作。
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