Введение

Авиационная промышленность как одна из наиболее наукоемких и технологически сложных отраслей обеспечивает рост инновационного потенциала России [1–6]. Развитию отечественной авиационной промышленности и повышению ее конкурентоспособности на мировом рынке способствует повышение качества производимой продукции. Методы неразрушающего контроля позволяют осуществлять проверку качества изделий авиационной техники без их физического разрушения на любом этапе изготовления, эксплуатации или ремонта [7–13].

Одним из таких методов является магнитопорошковый контроль – распространенный, надежный и производительный метод неразрушающего контроля деталей авиационной техники из сталей.

Широкое распространение магнитопорошковый контроль получил благодаря высокой чувствительности, наглядности результатов и высокой производительности. Минимальные геометрические размеры по раскрытию и глубине обнаруживаемых дефектов составляют 0,001 и 0,01 мм соответственно [14]. Для индикации дефектов под поверхностью (до 5 мм) или на поверхности контролируемых деталей параллельно или последовательно с операцией намагничивания их обрабатывают дефектоскопическими материалами, уже готовыми к использованию суспензиями или суспензиями, изготавливаемыми самостоятельно из магнитного порошка и дисперсионной среды (вода, масло, керосин) в определенных пропорциях.

Для повышения эффективности магнитопорошкового контроля необходима проверка качества используемых материалов, а именно – порошков и дисперсионных сред. В данной статье приведены сведения о проводимых испытаниях по определению и соответствию действующим нормативно-техническим документам таких свойств, как размер и цвет частиц порошка, его термостойкость, коэффициент и стабильность флюоресценции, температура вспышки, вязкость, механическая стойкость, пенообразование дисперсионной среды [15–17].

Материалы и методы

Основным нормативным документом, регламентирующим способы проверки дефектоскопических материалов для магнитопорошкового контроля и определяющим их основные свойства, является ГОСТ Р ИСО 9934-2–2011 «Магнитопорошковый метод. Часть 2. Дефектоскопические материалы».

Магнитные порошки представляют собой частицы оксида железа заданных размеров, прописанных в ТУ или в паспорте на изделие, имеющие заданный цвет и возможные люминесцирующие свойства.

Магнитные суспензии представляют собой смесь в определенной пропорции цветного или флюоресцирующего магнитного порошка в выбранной дисперсионной среде. Магнитная суспензия после перемешивания не должна включать слипшиеся частицы порошка.

Магнитные суспензии изготавливают из материалов, поставляемых как концентраты, включая пасты и порошки, или поставляться готовыми к использованию.

Дефектоскопические материалы, используемые при проведении магнитопорошкового контроля, а также средства для их проверки и исследований их свойств, включают в себя химические продукты, которые могут представлять опасность для здоровья дефектоскописта. Существует также опасность воспламенения и испарения вредных веществ. Для сохранения здоровья, обеспечения безопасности и соблюдения требований по защите окружающей среды необходимо следовать всем действующим законодательным актам, включая национальные и местные акты.

Производители, поставщики или конечные пользователи проводят испытания и исследования любых дефектоскопических материалов в соответствии с ГОСТ Р ИСО 9934-2–2011. По результатам проведенных испытаний определяются и документируются соответствующим образом следующие характеристики: цвет, размер частиц, термостойкость, коэффициент и стабильность флюоресценции, температура вспышки, флюоресценция жидкости-носителя, коррозия на стали и меди, вязкость, механическая стойкость, пенообразование, рН для водных материалов и стойкость к хранению.

Проверка дефектоскопических материалов разделена на испытания типа, партии и материалов при эксплуатации.

Для проведения испытания типа материалов используют специальные контрольные образцы, представляющие собой стальные изделия с заложенными дефектами на поверхности в виде единичной трещины или сетки трещин. Такие образцы включают в себя постоянный магнит, т. е. они не требуют отдельного намагничивания. Существуют два типа контрольных образцов (1 и 2), отличающиеся между собой количеством дефектов и формой (рис. 1). Перед и после проведения испытаний контрольный образец 1 или 2 очищается любым доступным методом от следов дефектоскопического материала, загрязнений, а также влаги.

Рис. 1. Контрольные образцы 1 и 2

В табл. 1 представлен полный перечень испытаний и дефектоскопических материалов.

Таблица 1

Дефектоскопические материалы для магнитопорошкового контроля и их параметры, подлежащие проверке

Параметры дефектоскопических материалов, подлежащие проверке

Цвет

Цвет дефектоскопических материалов указывается в паспорте в соответствии с ТУ на материал. При испытаниях цвет образца из партии материалов визуально не должен отличаться от цвета образца типа. Сравнение возможно проводить специальными приборами или визуально; несовпадение цвета образцов приведет к ухудшению выявления индикаций порошка при контроле.

Выбор цвета порошка важен для наиболее эффективного контроля и выявления индикаторных рисунков возможных дефектов. Высокий контраст цвета порошка с поверхностью контролируемой делатели позволит увидеть незначительные следы магнитного порошка.

Размер частиц

Оценка размеров частиц проводится с применением растрового электронного микроскопа при увеличении от 1000 до 10000 в режиме отраженных электронов с последующим количественным анализом полученных изображений. На рис. 2 приведены несколько типов черных магнитных порошков, применяемых при магнитопорошковом контроле в виде суспензий на водной или масляной основе.

Рис. 2. Примеры изображений частиц магнитного порошка, полученных с применением растрового электронного микроскопа

Термостойкость

При хранении и проведении контроля дефектоскопические материалы могут подвергаться воздействию высоких температур. Допустимое время, при котором материалы не должны терять свои свойства, составляет не более 5 мин нагрева до максимальной температуры, указанной в технической документации. Деградацией материала считается любое ухудшение выявляющей способности или качества индикаций. Проверка осуществляется с помощью повторного испытания характеристик с применением контрольных образцов 1 или 2.

Коэффициент флюоресценции

Для проведения расчета коэффициентафлюоресценции магнитного порошкавозможно применение только порошка в сухом виде. Если проводится проверка уже готовой магнитной суспензии, то необходимо использовать ее твердую составляющую.

Формула для расчета коэффициента флюоресценции сухого порошка:

β= L/E_e[кд/Вт],

где L – яркость на поверхности плоскости порошка, кд/м; E_e – уровень ультрафиолетовой облученности на поверхности порошка, Вт/м.

По итоговым расчетам коэффициент флюоресценции не должен быть меньше значения 1,5 кд/Вт, иначе снижается эффективность проводимого магнитопорошкового контроля.

Стабильность флюоресценции

Образец повторно проверяют через полчаса после первичного облучения с облученностью не менее 20 Вт/м. Коэффициент флюоресценции не должен снижаться более чем на 5 %.

Схема оборудования для испытаний параметров флюоресценции представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема установки для определения коэффициента флюоресценции (β) образца дефектоскопического материала: 1 – измеритель яркости; 2 – лампа; 3 – ультрафиолетовое излучение; 4 – точка измерения ультрафиолетовой облученности; 5 – поверхность порошка

Поверхность образца дефектоскопического материала должна быть равномерно освещена ультрафиолетовым излучением под углом 45±5 градусов. Необходимо измерять яркость от поверхности порошка, исключив влияние от участков вне испытываемой зоны. Измерение яркости необходимо проводить только от поверхности образца дефектоскопического материала, при выборе подходящих приборов руководствуются величиной погрешности не более 10 %.

Флюоресцентный магнитный порошок или суспензия применяются при контроле деталей с темными поверхностями и позволяют получить яркие индикаторные рисунки, которые легко обнаружить невооруженным глазом.

Флюоресценция дисперсионной среды

Любая выбранная дисперсионная среда не должна мешать проведению магнитопорошкового контроля своей флюоресценцией, иначе индикаторные рисунки возможно пропустить.

Сравнение флюоресценции дисперсионной среды с раствором сульфата хинина позволяет контролировать возможные затруднения при контроле. Концентрация раствора сульфата хинина должна быть равной 710 М (5,5 миллионных долей) в 0,1 н. при освещении UV-А не менее 10 Вт/м.

Проверяемая дисперсионная среда должна проявлять флюоресценцию меньше, чем раствор сульфата хинина.

Механическая стойкость

Долгосрочные испытания на механическую стойкость подтверждают отсутствие изменений характеристик дефектоскопических материалов при использовании стандартной установки магнитопорошкового контроля в течение 120 ч.

Критериями механической стойкости при долгосрочных и краткосрочных испытаниях являются любые визуальные изменения качества выявленных индикаций.

Образец дефектоскопического материала в объеме 40 л наливают в коррозионностойкий резервуар с центробежным насосом – например, это может быть система стационарного дефектоскопа с замкнутой системой циркуляции магнитной суспензии. Дефектоскопический материал должен циркулировать, течение прекращается с помощью открытия/закрытия клапана в течение 5 с.

Дефектоскопический материал должен быть проверен с использованием эталонных образцов 1 и 2 до и после испытания продолжительностью 120 ч.

При краткосрочных испытаниях на усталость рекомендуется применять установку, показанную на рис. 4. Образец в количестве 1 л перемешивают в течение 2 ч, далее сравнивают индикацию на эталонных образцах 1 и 2 при использовании перемешанного и эталонного образцов.

Рис. 4. Перемешивающее устройство: 1 – электродвигатель; 2 – соединительная муфта;
3 – плита электродвигателя; 4 – опорное кольцо для установки расстояния 10 мм от днища;
5 – крепеж угловыми профилями; 6 – плита распылителя; 7 – резервуар (ISO 3819:2015 – HF 2000); 8 – четыре плиты статора толщиной 2 мм с высотой опоры ~170 мм; 9 – ось; 10 – три опоры; 11 – направляющее кольцо; 12 – фетр; 13 – основание; 14 – лопасть

Температура вспышки

При использовании суспензий на масляной или керосиновой основе указывается температура вспышки дисперсионной среды для безопасного применения в производственных или полевых условиях. Значение температуры вспышки возможно получить методом открытого тигля.

Пенообразование

Пенообразование необходимо проверять во время испытаний на механическую стойкость. Любое пенообразование, приводящее к визуальным изменениям качества выявленных индикаций или мешающее проведению магнитопорошкового контроля, является основанием для отбраковки дефектоскопического материала или дисперсионной среды.

рН-факторы

Определение показателя рН (˃9) водной дисперсионной среды производится в соответствии с ISO 4316.

Коррозия на стали

Коррозионные свойства дефектоскопических материалов должны определяться визуально по следам коррозии, оставленным на фильтровальной бумаге гранулами, предварительно насыщенными водой для исследования при специальных условиях.

Процедура испытаний описана в приложении C к ГОСТ Р ИСО 9934-2–2011.

Стойкость к хранению

Срок хранения прописывается изготовителем на каждой отдельной упаковке дефектоскопического материала. Использование после истечения срока хранения допустимо, если подобное указано в нормативной документации по магнитопорошковому контролю, применяемой на предприятии.

Концентрация сухих частиц

Рекомендуемое содержание магнитных частиц в магнитных суспензиях должно быть указано изготовителем в нормативной документации.

Концентрация черного порошка в суспензии должна быть в пределах 25±5 г/л, а магнитолюминесцентного: 4±1 г/л. Однако в некоторых случаях концентрацию рекомендуется снижать – например, при контроле деталей способом приложенного поля с использованием магнитных полей с напряженностью >100 А/см, а также при контроле резьбы и в некоторых других случаях при контроле деталей сложной формы.

В качестве примера далее приведен результат эксперимента поиска зависимости выявляемости дефектов от размеров частиц дефектоскопических материалов. Данный пример наиболее четко показывает, что исследуемые характеристики дефектоскопических материалов ‒ важная часть контроля качества для проводимого исследования деталей и образцов при магнитопорошковом контроле.

Результаты и обсуждение

Все исследуемые характеристики дефектоскопических материалов могут повлиять на чувствительность магнитопорошкового контроля и на выявляющую способность метода - индикацию дефектов с наименьшим раскрытием.

Проведен эксперимент и получена зависимость выявляющей способности от размеров частиц порошка.

В качестве объекта исследовали цилиндрический контрольный образец (рис. 5), изготовленный из стали 18ХНВА; дефекты, нанесенные на образец, представляют собой волосовины и трещины с шириной раскрытия <1 мкм.

Рис. 5. Контрольный образец из стали 18ХНВА c выявленными дефектами

Магнитопорошковый контроль проводили суспензией с тремя видами магнитных порошков, различаемых по своим фракциям. По результатам измерений размера частиц отобранные магнитные порошки разделены на три группы. Распределение размеров частиц дефектоскопического материала по группам следующее:

На весах ВП Э134-М взвешивали рассчитанное по ТУ количество магнитного порошка и разводили в определенной дисперсионной среде, также указанной в ТУ на материал. В полученную суспензию погружали на несколько секунд предварительно намагниченный контрольный образец, после чего измеряли суммарную длину обнаруженных дефектов. Эксперимент проводили несколько раз. Далее проводили расчет среднего значения от суммарных длин дефектов, полученных в процессе нескольких опытов, и рассчитывали выявляющую способность.

Выявляющую способность определяли как отношение суммарной длины выявленных дефектов на контрольном или эталонном образце при использовании контролируемого порошка к суммарной длине выявленных дефектов эталонным порошком.

Суммарную длину выявленных дефектов определяли с помощью лупы ЛИ-3-10^х по ГОСТ 25706–83 с допустимой погрешностью измерения 0,05 мм. Допустимая погрешность определения выявляющей способности составляет 1 %. В табл. 2 приведены полученные усредненные результаты.

Таблица 2

Усредненные данные за несколько экспериментов

Следует отметить, что данный метод определения выявляющей способности достаточно субъективен. Результаты испытаний зависят от многих факторов: качества магнитного индикатора, освещенности помещения, а также от квалификации дефектоскописта, остроты его зрения и др. Полученные данные для каждого магнитного порошка усредняли. Порошок, имеющий наибольшую усредненную длину выявленных дефектов, принимали за эталон. Выявляющую способность других исследуемых порошков рассчитывали относительно эталона.

Из данных табл. 2 видно, что самая низкая выявляющая способность у материала I группы. В зависимости от фракционного состава порошка в магнитной суспензии меняется выявляющая способность. Показано, что наиболее высокая выявляющая способность у магнитной суспензии с размером частиц 0–15 мкм.

В данной статье рассмотрен эксперимент только в рамках проведения магнитопорошкового контроля с применением суспензии на масляной основе. Размер частиц магнитного порошка также очень важен и в других методах магнитопорошкового контроля – например, при проведении контроля с помощью метода воздушной взвеси, когда контролируемую деталь помещают в специальную камеру и обрабатывают магнитным порошком, размер частиц которого составляет ~200 мкм.

Заключения

В результате анализа ГОСТов установлены параметры дефектоскопических материалов, подлежащих проверке.

Представлено описание проверки каждого параметра дефектоскопических материалов и установлено, как их несоответствие влияет на эффективность контроля.

Показаны типы испытаний и какие субъекты должны их проводить.

Проведена экспериментальная проверка выявляемости дефектов в зависимости от размеров частиц дефектоскопических материалов и установлено, что наиболее высокая выявляемость характерна для материала с размером частиц в диапазоне 0–15 мкм.