釹鐵硼磁體表面裂紋缺陷的微磁檢測方法研究

殷金泉 鄧 強 孫鵬宇 程強強 于潤橋

（1.贛州市特種設備監督檢驗中心，江西 贛州 341000；2.南昌航空大學，江西 南昌 330063）

1 釹鐵硼磁體裂紋分析

釹鐵硼磁體作為重要的金屬功能材料，具有高磁能積、高能量密度以及高矯頑力等優點，憑借其優異的磁學性能和優良的功能轉換作用，廣泛應用于風機、電機以及新能源等高精尖產業的核心功能器件制造中[1-2]。如今普遍采用的燒結工藝使制備的釹鐵硼磁體在冷卻過程其內部結構上容易出現密度不均、多孔的情況，同時在機加工成型過程中由于受到切削、擠壓等加工操作，使釹鐵硼磁體很可能出現局部溫度過高的情況，導致磁體極易被氧化，增加釹鐵硼磁體產生裂紋的風險[3]。燒結釹鐵硼永磁材料作為典型的脆性材料[4]，裂紋的擴展形式主要是解理斷裂，一旦產生裂紋極易發生擴展直至斷裂。斷裂行為的產生不僅會破壞材料自身的連續性，導致磁體的使用性能和剩余壽命下降，嚴重時還會造成安全生產事故的發生[5]。因此對釹鐵硼磁體表面裂紋損傷的檢測、分析過程是一個重要的研究方向[6]。

目前國內對于釹鐵硼磁體表面裂紋的檢測方法仍以人工目視檢測為主，缺乏有效、準確的無損檢測方法。針對釹鐵硼磁體在裂紋檢測方面存在的局限性，該文提出一種基于地磁場環境下的微磁檢測方法，采用具備高精度磁通門傳感器的微磁檢測系統來對釹鐵硼磁體表面裂紋進行缺陷檢測。

2 微磁檢測原理

微磁檢測作為一種新型無損檢測技術，通過在微弱的地磁場環境下對材料表面的磁感應強度進行測量，達到對裂紋缺陷進行檢測的目的[7]。釹鐵硼磁體作為一種鐵磁性材料，當處于地磁場環境中時，其所處的局部地磁場環境可以近似為靜態場，磁感應線在磁體表面呈現出均勻分布的狀態。當磁體表面存在裂紋等宏觀缺陷時，表面裂紋處由空氣介質填充，裂紋處的磁導率變低，因此低磁導率處（裂紋）的磁感應線通過量減少。當用高精度的磁通門傳感器對磁體表面磁感應強度進行測量時，所測得裂紋處的表面磁感應強度會低于周圍無缺陷處的磁感應強度，磁信號曲線則會表現為一個向下的低谷值[8]。采用微磁檢測技術來對材料表面缺陷進行判斷，最終得到的信號實際上是構件本身自有的漏磁場。由于地磁場環境下的磁感應強度異常變化是微弱的，因此為了捕捉到該種細微的磁感應強度異常變化信號，需要采用自主研發的高精度磁通門傳感器，其分辨率可達到1nT。微磁檢測方式具有無需外部附加激勵、檢測靈敏度高的優點，目前已經用于多類鐵磁性材料（各種碳鋼[9]）以及非鐵磁性材料，例如鋁合金、有機玻璃等無損檢測中。

3 實驗驗證

該實驗選取常見的2種釹鐵硼磁體工件（環形和條形）為實驗檢測對象，并對兩者表面分別預制裂紋缺陷。由于釹鐵硼磁體易被氧化，所以需要對釹鐵硼磁體進行打磨預處理。首先紋位置外無明顯刮痕出現。然后采用自主研發的微磁檢測儀對打磨處理后的釹鐵硼試樣進行裂紋檢測。微磁檢測儀具有無須外界激勵、非接觸、靈敏度高以及檢測探頭可提離等優點，為了防止在檢測過程中出現磁信號飽和的情況，在對釹鐵硼磁體進行大范圍掃查前進行探頭預接觸實驗，分別將檢測探頭提離不同的高度觀察磁信號變化。預接觸實驗結果表明，探頭在與釹鐵硼磁體表面貼合檢測時磁信號變化仍在微磁檢測儀量程范圍內，因此在后續的裂紋缺陷檢測實驗過程中可以將探頭與釹鐵硼磁體表面貼合接觸檢測。

3.1 環形釹鐵硼磁體微磁檢測

預制有裂紋的環形釹鐵硼磁體（厚度為0.15 mm）如圖1所示，預制的裂紋呈直線形由上到下橫貫環形磁體表面，選用單個探頭對釹鐵硼磁體表面進行微磁檢測。由于在檢測過程中由人工手持探頭進行移動掃查檢測，探頭移動過程中容易產生抖動，由此形成的干擾信號會對實驗結果造成影響。為了盡量減少由檢測過程引起的誤差，檢測時應保證探頭在同一水平面移動，本次檢測范圍選定為含有預制裂紋的環形磁體的弧形上半區。檢測結果如圖2所示。

在穩定的地磁場環境中，磁信號在裂紋缺陷處產生微弱的變化，利用微磁檢測儀配備的高精度磁通門傳感器可以準確獲取磁信號變化數值。從圖2最上方的原始磁感應強度檢測曲線（a）中可以看出，在掃查路徑的中間處（即環形釹鐵硼裂紋所在位置）出現明顯的向下波動，呈現出低谷狀。為了使裂紋缺陷位置更加直觀地顯現出來，利用磁梯度算法對原始磁感應強度信號進行處理（顯示為一次處理信號曲線），處理后的結果如圖2中磁梯度曲線（b）所示，異常信號波動明顯，判定為裂紋缺陷所在位置。最終在圖中通過RGB云圖進行缺陷成像顯示。

圖1 含預制裂紋的環形釹鐵硼磁體

為了驗證微磁檢測的可靠性，在排除外界強磁信號干擾的條件下，對含有預裂紋的環形釹鐵硼磁體進行多次重復檢測，采集多組有效實驗數據。

由檢測圖3中可以看出，測量的磁感應強度在環形釹鐵硼磁體中部均產生較大的幅值波動，證實所使用的微磁檢測方法對釹鐵硼表面裂紋掃查具有良好的重復性。由于檢測探頭由人工手持，在檢測的開始與結束位置容易形成檢測提離，出現輕微幅度波動。同時，由于手持移動速度的快慢差異，有可能會導致檢測到的裂紋位置相于實際裂紋位置（紅色虛線處）發生改變，如圖4所示，裂紋檢測位置發生相對右移，測量誤差在實際檢測允許范圍內。

3.2 含預制裂紋的條形釹鐵硼磁體

對含有預制裂紋的條形釹鐵硼磁體樣品進行檢測，樣品規格是30mm×40mm×50mm，預制的裂紋在樣品的中間位置。由于釹鐵硼材料較脆，在預制裂紋的時候同時產生了缺角缺陷，以保持單一變量的前提進行檢測，選取條形釹鐵硼磁體只含裂紋的上半部分進行檢測。檢測結果如圖4所示。

從對條形釹鐵硼磁體的微磁檢測圖中可以看出，檢測結果與裂紋實際位置吻合，并且原始磁感應強度曲線以及磁梯度曲線兩者所表現出的波動趨勢與環形釹鐵硼磁體檢測結果相一致，均出現向下的低谷狀。

根據該文的檢測結果可以看出，微磁檢測系統能夠準確檢測出釹鐵硼磁體表面存在的裂紋缺陷，證明微磁無損檢測方法具有良好的可行性和有效性。

4 結語

根據上述檢測結果中可以看出，該文所提出的微磁檢測方法對于存在表面裂紋的釹鐵硼磁體具有良好的裂紋缺陷識別能力，并且檢測精確度高、重復性好。證實所提檢測方法的科學可靠性。針對釹鐵硼磁體實際應用中存在的其他缺陷（例如缺角），微磁檢測方法還需要根據缺陷類型來進一步分析研究，從而做到有效解決釹鐵硼磁體表面缺陷檢測的目的。

圖2 環形釹鐵硼磁體微磁檢測圖

圖3 環形釹鐵硼磁體多次微磁檢測圖

圖4 條形釹鐵硼磁體微磁檢測圖