殷金泉 邓 强 孙鹏宇 程强强 于润桥

（1.赣州市特种设备监督检验中心，江西 赣州 341000；2.南昌航空大学，江西 南昌 330063）

1 钕铁硼磁体裂纹分析

钕铁硼磁体作为重要的金属功能材料，具有高磁能积、高能量密度以及高矫顽力等优点，凭借其优异的磁学性能和优良的功能转换作用，广泛应用于风机、电机以及新能源等高精尖产业的核心功能器件制造中[1-2]。如今普遍采用的烧结工艺使制备的钕铁硼磁体在冷却过程其内部结构上容易出现密度不均、多孔的情况，同时在机加工成型过程中由于受到切削、挤压等加工操作，使钕铁硼磁体很可能出现局部温度过高的情况，导致磁体极易被氧化，增加钕铁硼磁体产生裂纹的风险[3]。烧结钕铁硼永磁材料作为典型的脆性材料[4]，裂纹的扩展形式主要是解理断裂，一旦产生裂纹极易发生扩展直至断裂。断裂行为的产生不仅会破坏材料自身的连续性，导致磁体的使用性能和剩余寿命下降，严重时还会造成安全生产事故的发生[5]。因此对钕铁硼磁体表面裂纹损伤的检测、分析过程是一个重要的研究方向[6]。

目前国内对于钕铁硼磁体表面裂纹的检测方法仍以人工目视检测为主，缺乏有效、准确的无损检测方法。针对钕铁硼磁体在裂纹检测方面存在的局限性，该文提出一种基于地磁场环境下的微磁检测方法，采用具备高精度磁通门传感器的微磁检测系统来对钕铁硼磁体表面裂纹进行缺陷检测。

2 微磁检测原理

微磁检测作为一种新型无损检测技术，通过在微弱的地磁场环境下对材料表面的磁感应强度进行测量，达到对裂纹缺陷进行检测的目的[7]。钕铁硼磁体作为一种铁磁性材料，当处于地磁场环境中时，其所处的局部地磁场环境可以近似为静态场，磁感应线在磁体表面呈现出均匀分布的状态。当磁体表面存在裂纹等宏观缺陷时，表面裂纹处由空气介质填充，裂纹处的磁导率变低，因此低磁导率处（裂纹）的磁感应线通过量减少。当用高精度的磁通门传感器对磁体表面磁感应强度进行测量时，所测得裂纹处的表面磁感应强度会低于周围无缺陷处的磁感应强度，磁信号曲线则会表现为一个向下的低谷值[8]。采用微磁检测技术来对材料表面缺陷进行判断，最终得到的信号实际上是构件本身自有的漏磁场。由于地磁场环境下的磁感应强度异常变化是微弱的，因此为了捕捉到该种细微的磁感应强度异常变化信号，需要采用自主研发的高精度磁通门传感器，其分辨率可达到1nT。微磁检测方式具有无需外部附加激励、检测灵敏度高的优点，目前已经用于多类铁磁性材料（各种碳钢[9]）以及非铁磁性材料，例如铝合金、有机玻璃等无损检测中。

3 实验验证

该实验选取常见的2种钕铁硼磁体工件（环形和条形）为实验检测对象，并对两者表面分别预制裂纹缺陷。由于钕铁硼磁体易被氧化，所以需要对钕铁硼磁体进行打磨预处理。首先纹位置外无明显刮痕出现。然后采用自主研发的微磁检测仪对打磨处理后的钕铁硼试样进行裂纹检测。微磁检测仪具有无须外界激励、非接触、灵敏度高以及检测探头可提离等优点，为了防止在检测过程中出现磁信号饱和的情况，在对钕铁硼磁体进行大范围扫查前进行探头预接触实验，分别将检测探头提离不同的高度观察磁信号变化。预接触实验结果表明，探头在与钕铁硼磁体表面贴合检测时磁信号变化仍在微磁检测仪量程范围内，因此在后续的裂纹缺陷检测实验过程中可以将探头与钕铁硼磁体表面贴合接触检测。

3.1 环形钕铁硼磁体微磁检测

预制有裂纹的环形钕铁硼磁体（厚度为0.15 mm）如图1所示，预制的裂纹呈直线形由上到下横贯环形磁体表面，选用单个探头对钕铁硼磁体表面进行微磁检测。由于在检测过程中由人工手持探头进行移动扫查检测，探头移动过程中容易产生抖动，由此形成的干扰信号会对实验结果造成影响。为了尽量减少由检测过程引起的误差，检测时应保证探头在同一水平面移动，本次检测范围选定为含有预制裂纹的环形磁体的弧形上半区。检测结果如图2所示。

在稳定的地磁场环境中，磁信号在裂纹缺陷处产生微弱的变化，利用微磁检测仪配备的高精度磁通门传感器可以准确获取磁信号变化数值。从图2最上方的原始磁感应强度检测曲线（a）中可以看出，在扫查路径的中间处（即环形钕铁硼裂纹所在位置）出现明显的向下波动，呈现出低谷状。为了使裂纹缺陷位置更加直观地显现出来，利用磁梯度算法对原始磁感应强度信号进行处理（显示为一次处理信号曲线），处理后的结果如图2中磁梯度曲线（b）所示，异常信号波动明显，判定为裂纹缺陷所在位置。最终在图中通过RGB云图进行缺陷成像显示。

图1 含预制裂纹的环形钕铁硼磁体

为了验证微磁检测的可靠性，在排除外界强磁信号干扰的条件下，对含有预裂纹的环形钕铁硼磁体进行多次重复检测，采集多组有效实验数据。

由检测图3中可以看出，测量的磁感应强度在环形钕铁硼磁体中部均产生较大的幅值波动，证实所使用的微磁检测方法对钕铁硼表面裂纹扫查具有良好的重复性。由于检测探头由人工手持，在检测的开始与结束位置容易形成检测提离，出现轻微幅度波动。同时，由于手持移动速度的快慢差异，有可能会导致检测到的裂纹位置相于实际裂纹位置（红色虚线处）发生改变，如图4所示，裂纹检测位置发生相对右移，测量误差在实际检测允许范围内。

3.2 含预制裂纹的条形钕铁硼磁体

对含有预制裂纹的条形钕铁硼磁体样品进行检测，样品规格是30mm×40mm×50mm，预制的裂纹在样品的中间位置。由于钕铁硼材料较脆，在预制裂纹的时候同时产生了缺角缺陷，以保持单一变量的前提进行检测，选取条形钕铁硼磁体只含裂纹的上半部分进行检测。检测结果如图4所示。

从对条形钕铁硼磁体的微磁检测图中可以看出，检测结果与裂纹实际位置吻合，并且原始磁感应强度曲线以及磁梯度曲线两者所表现出的波动趋势与环形钕铁硼磁体检测结果相一致，均出现向下的低谷状。

根据该文的检测结果可以看出，微磁检测系统能够准确检测出钕铁硼磁体表面存在的裂纹缺陷，证明微磁无损检测方法具有良好的可行性和有效性。

4 结语

根据上述检测结果中可以看出，该文所提出的微磁检测方法对于存在表面裂纹的钕铁硼磁体具有良好的裂纹缺陷识别能力，并且检测精确度高、重复性好。证实所提检测方法的科学可靠性。针对钕铁硼磁体实际应用中存在的其他缺陷（例如缺角），微磁检测方法还需要根据缺陷类型来进一步分析研究，从而做到有效解决钕铁硼磁体表面缺陷检测的目的。

图2 环形钕铁硼磁体微磁检测图

图3 环形钕铁硼磁体多次微磁检测图

图4 条形钕铁硼磁体微磁检测图